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臨猗黃河大橋總體設(shè)計
2023-02-21 來源:《世界橋梁》 作者:韓鋒,楊華

  【摘要】臨猗黃河大橋主橋為(112+14×128)m+(14×128+120)m等高度連續(xù)鋼箱組合梁橋,最大聯(lián)長1912m。主梁為整幅長挑臂閉口鋼箱組合梁,全寬26m,中心梁高6.0m,標準梁段鋼梁頂板寬11.6m、底板寬11.2m,通過外挑橫梁和斜撐實現(xiàn)7.5m大懸臂;橋面板采用28cm厚C50混凝土板,設(shè)置橫向預應力;中支點兩側(cè)20m范圍內(nèi)在鋼梁底板上澆筑混凝土,形成“雙結(jié)合”構(gòu)造,與底板結(jié)合后共同承壓;橋墩采用矩形變截面薄壁空心墩,最大墩高99m;基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),最大樁長92m。

  采用有限元軟件建立該橋整體及局部模型進行結(jié)構(gòu)靜力分析;基于CFD數(shù)值模擬與風洞試驗相結(jié)合的方法對主橋結(jié)構(gòu)抗風性能進行研究;運用非線性時程分析法對大橋進行了地震響應分析,結(jié)果均滿足規(guī)范要求。主橋上部結(jié)構(gòu)采用無臨時墩頂推法施工,鋼梁頂推到位后安裝橋面板。

  【關(guān)鍵詞】連續(xù)梁橋;鋼箱組合梁;外挑橫梁;斜撐;“雙結(jié)合”構(gòu)造;受力性能;頂推施工;橋梁設(shè)計

  1 工程概況

  臨猗黃河大橋位于山西省運城市,是國家高速公路網(wǎng)G3511濟廣高速公路菏澤至寶雞聯(lián)絡(luò)線上跨越黃河小北干流禹門口至潼關(guān)河段的特大型橋梁。大橋穿越多個生態(tài)敏感區(qū),橋位建設(shè)條件較復雜,以百米橋高跨越近6km的黃河河道,處于強風、強沖刷、不良地質(zhì)、強震環(huán)境。

  1.1 橋位風環(huán)境

  為獲取橋址實際的風場參數(shù),開展了橋位風觀測專題研究,橋址現(xiàn)場設(shè)立風觀測塔,采集到2012年6月~2016年6月共4年的風觀測數(shù)據(jù)。研究表明,橋位基本風速(10m高度、10min平均時距、100年重現(xiàn)期)為29.6m/s,橋面高度處的設(shè)計風速為44.8m/s。主梁施工期設(shè)計基準風速為39.4m/s。風剖面指數(shù)取0.17。

  1.2 河道水文

  臨猗黃河大橋橋址河段河道寬淺,水流散亂,屬于強烈堆積的游蕩性河道。橋位河道全寬約3.6km,河道縱向河勢平緩,縱向比降3.5;灘槽分界不明顯,水面寬約1200m,水深小于3m。主河槽最大沖刷水深32m,河灘最大沖刷水深26.8m。河道中橋墩承臺頂面要求在現(xiàn)狀河床高程4m以下。

  1.3工程地質(zhì)

  橋址處地質(zhì)主要表現(xiàn)為黃河沉降帶,地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定,未見斷層。地質(zhì)鉆孔深度150m,除陜西岸側(cè)在100m深度以下存在少量泥巖、砂巖,大部分地層未見基巖。河道表層覆蓋可液化細砂層,液化深度為9.5~20m,其下為粉質(zhì)黏土層。階地表層為濕陷性粉土,具有負摩阻效應。

  1.4地震

  橋址區(qū)屬于Ⅲ類場地,設(shè)計基本地震加速度0.15g,地震基本烈度Ⅶ度。由于場地覆蓋土層較厚,地震反應放大效應十分顯著,E2地震工況下場地特征周期最大達1.3s,遠大于按規(guī)范查取周期0.55s,導致反應譜峰值平臺段延長,譜值下降段不僅出現(xiàn)較晚而且下降緩慢。

  專題研究表明:河道場地E2安評譜1s以后的長周期譜值大致相當于基本地震動峰值加速度0.15g標準譜譜值的2倍,基本地震動峰值加速度0.2g標準譜譜值的1.5倍,與基本地震動峰值加速度0.4g標準譜譜值基本相當。

  1.5生態(tài)敏感區(qū)

  大橋穿越2個省級濕地保護區(qū)和2個國家級水產(chǎn)資源保護區(qū)。4個保護區(qū)相互疊加,總長為河道范圍。環(huán)保要求黃河大橋防撞護欄上方加裝不透光材質(zhì)的雙側(cè)聲屏障,設(shè)置范圍為河道內(nèi)橋梁。

  2 方案比選

  結(jié)合主橋跨徑、施工方法及斷面形式設(shè)計構(gòu)思,綜合考慮施工可行性、運營管養(yǎng)、經(jīng)濟性等因素,對橋梁方案進行比選。

  在約3.6km寬的黃河河道段該橋平均高度97.5m,最大高度110m。河道主橋跨徑主要考慮以下內(nèi)容:

 ?、僖?guī)劃通航Ⅳ(3)級通航凈寬最小90m;

 ?、诜篮橐笾骱硬劭卓绮粦∮?00m;

  ③地質(zhì)條件差、沖刷深度大,較大跨徑有利于減少基礎(chǔ)規(guī)模;

  ④地震強度高、抗風難度大,較小跨徑有利于抗震、抗風。該橋初步擬定重點研究跨徑100~300m的橋梁方案。

  施工方法的選擇對該橋方案擬定影響較大,尤其上部結(jié)構(gòu)施工方法關(guān)系到跨徑、橋型、材質(zhì)等設(shè)計。該橋橋位高、兩岸相距遠、橋下不通航是限制施工方法選擇的主要因素。經(jīng)初步分析,懸臂現(xiàn)澆、懸臂拼裝和頂推法的可行性相對較高。

  大橋高墩數(shù)量多,下部結(jié)構(gòu)工程規(guī)模占比大,整幅式斷面對減少下部結(jié)構(gòu)工程規(guī)模十分有效,橋梁斷面布置以整幅墩、整幅梁為優(yōu)先原則。

  綜上研究,該橋可行的橋梁方案有等高度連續(xù)鋼箱組合梁橋(方案1)、整幅式連續(xù)剛構(gòu)橋(方案2)、連續(xù)鋼桁梁橋(方案3)、工字鋼組合梁獨塔斜拉橋(方案4)。橋梁方案效果圖如圖1所示,橋梁方案綜合對比如表1所示。

  

  圖1 橋梁方案效果圖

  表1 橋梁方案綜合對比

  

  由表1可知:4種方案的橋型均為技術(shù)成熟的橋型,橋梁長度基本相當,各施工方法相對成熟。

  方案2邊跨不滿足100m跨徑要求。

  方案1~3對環(huán)境較友好,方案4對敏感區(qū)鳥類棲息、遷徙有一定影響,但景觀效果好。各方案工期均在可控范圍內(nèi),方案2~4采用懸臂施工,工期較短;方案1頂推施工里程長,工期相對較長。

  對比鋼結(jié)構(gòu)橋型的方案1、3、4,方案1的經(jīng)濟性明顯優(yōu)于其它方案,且采用耐候鋼后期維護成本低,降低了橋梁運營對環(huán)境的影響;

  方案2較方案1突出的優(yōu)點是造價低、養(yǎng)護量少,主要缺點是邊中跨比小,跨徑布設(shè)協(xié)調(diào)性差、高空懸澆施工安全風險較大,質(zhì)量控制困難,下部基礎(chǔ)建安費造價高,樁基承載效率低。

  經(jīng)綜合比較,方案1具有材質(zhì)均勻、質(zhì)量穩(wěn)定、易于工廠化制造、裝配化施工、便于回收利用等優(yōu)點,且連續(xù)鋼箱組合梁結(jié)構(gòu)材料利用率高,造價適中,同時滿足河道防洪、通航及環(huán)保要求,該橋最終采用方案1。

  3 總體設(shè)計

  該橋采用雙向4車道高速公路標準設(shè)計,設(shè)計速度100km/h,橋面全寬26m。

  主橋為(112+14×128)m+(14×128+120)m等高度連續(xù)鋼箱組合梁橋(見圖2),共分2聯(lián),最大聯(lián)長1912m;山西側(cè)引橋采用40×40m預應力混凝土連續(xù)T梁,橋梁全長5427m。

  主橋平面為直線,縱向為1.3%的單坡。橋面橫坡為雙向2%,設(shè)計洪水頻率1/300。

  

  圖2 臨猗黃河大橋總體布置

  3.1 主梁

  主梁為整幅長挑臂閉口鋼箱組合梁,橋面全寬26m,鋼梁底板寬11.2m(含定位點外伸10cm)、中心高6m,通過設(shè)置外挑橫梁和方鋼斜撐,輔助橋面板實現(xiàn)7.5m大懸臂。

  鋼梁采用Q420qDNH免涂裝耐候鋼,標準梁段頂板寬11.6m,中支點梁段頂板寬12.6m,頂板厚16~60mm,腹板厚24~48mm,底板寬11.2m、板厚20~60mm。

  頂板加勁肋形式按照受力大小分區(qū)段設(shè)置U肋、U肋間插板肋、密布板肋3種形式;底板肋形式按照受力大小分區(qū)段設(shè)置U肋、板肋2種形式;腹板布置4道T形縱向肋。

  除支點斷面采用實腹式隔板外,其余均采用桁式隔板。

  中支點兩側(cè)20m范圍內(nèi),在鋼梁底板上澆筑40~60cm厚C50微膨脹混凝土,通過底板縱向加勁肋開孔連接形成“雙結(jié)合”構(gòu)造,充分發(fā)揮混凝土的抗壓優(yōu)勢。

  底板混凝土作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件直接參與受力,有效降低鋼箱梁底板壓應力,減小鋼板厚度;對底板進行局部約束,提高鋼箱梁局部抗屈曲能力。

  梁底板縱向加勁肋開孔穿入橫向鋼筋,形成剪力鍵,同時在底板和腹板相應位置焊剪力釘,保證混凝土與鋼梁底板間的連接性能。

  混凝土橋面板厚28cm,采用C50混凝土,設(shè)置橫向預應力以改善橫向受力。橫向兩側(cè)外懸臂部分為預制板,中間范圍內(nèi)為現(xiàn)澆板?;炷翗蛎姘迮c鋼梁之間通過布置于鋼梁頂面的圓柱頭焊釘連接。

  主梁典型橫斷面如圖3所示。

  

  圖3 主梁典型橫斷面

  3.2 下部結(jié)構(gòu)及支撐體系

  橋墩采用矩形變截面空心薄壁墩,墩高53~99m,墩頂設(shè)置2.5m的實心段。為便于檢查車通過,墩頂設(shè)置2m深槽口,槽口頂寬3.6m、底寬2m。

  結(jié)合景觀效果及合理受力需求,橋墩下段采用變截面形式,距墩頂9m處開始縱、橫向坡率均為50:1;中段6.5m高度范圍內(nèi)截面尺寸采用直線漸變。墩身迎水面設(shè)置破冰體。

  承臺為矩形整體式結(jié)構(gòu),厚5m,下設(shè)24根φ2m鉆孔灌注樁,最大樁長92m。為防止黃河泥沙沖刷樁基,在樁頂20m長度范圍設(shè)永久性鋼護筒。

  主橋采用摩擦擺式減隔震支座,墩頂布置2個支座,每聯(lián)中間4個橋墩設(shè)置固定支座,其余均為縱向滑動支座,位移量同時滿足運營狀態(tài)和地震2種工況的需求。利用摩擦擺減隔震支座大幅降低下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的地震效應,減小了下部結(jié)構(gòu)尤其是基礎(chǔ)工程量。

  4 主橋結(jié)構(gòu)性能分析4.1靜力性能

  為全面了解橋梁結(jié)構(gòu)的靜力性能,檢算結(jié)構(gòu)在施工、運營過程中的整體安全性,采用MIDASCivil和FEA軟件建立全橋空間有限元模型。全橋結(jié)構(gòu)采用梁單元建模,組合梁截面采用雙梁模型分別模擬混凝土板和鋼箱梁。樁底采用固結(jié)約束,墩梁支座位置采用自由度耦合并釋放轉(zhuǎn)動自由度模擬,橋臺位置僅約束豎向以及面外轉(zhuǎn)動方向的自由度。為簡化計算,整體計算建立兩聯(lián)模型。

  由計算結(jié)果可知:

 ?。?)考慮支點剪力滯效應,鋼梁上翼緣最大拉應力259.7MPa(支點位置)、最大壓應力233.8MPa(邊跨跨中);下翼緣最大拉應力212.3MPa(邊跨跨中)、最大壓應力274.7MPa(支點位置),應力指標均小于Q420qDNH抗拉強度設(shè)計值305MPa,鋼梁承載力滿足規(guī)范要求。

 ?。?)車道荷載引起最大撓度在128m邊跨跨中位置,最大撓度值為0.049m,小于規(guī)范規(guī)定限值128m/500=0.256m。

 ?。?)鋼梁翼緣采用疲勞荷載模型Ⅰ進行疲勞驗算,最大疲勞應力幅12MPa,小于規(guī)范考慮抗力分項系數(shù)折減應力幅38.2MPa;桁架式橫隔板撐桿采用疲勞荷載模型Ⅲ對撐桿位置進行疲勞驗算,最大疲勞應力幅15.63MPa,小于規(guī)范折減應力幅44.4MPa(疲勞細節(jié)類別選擇70MPa作為鋼箱梁疲勞等級)。

 ?。?)頂推施工過程中,考慮剪力滯效應折減系數(shù)和局部穩(wěn)定折減,鋼梁上緣最大應力104MPa、下緣最大應力98.3MPa,均小于規(guī)范限值0.8fd=244MPa(fd為鋼材抗拉強度設(shè)計值);頂推施工過程中,鋼箱梁腹板穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1,腹板穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

  (5)基本組合下,橋面板順橋向最大組合應力10.71MPa,小于C50混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值22.4MPa;橫橋向最大彎矩值52.41kN·m,小于橫向配筋截面承載力313.55kN·m,橋面板承載力滿足規(guī)范要求。

  橋面板最大裂縫寬度0.152mm,小于規(guī)范限值0.2mm?;炷翗蛎姘鍣M向按A類構(gòu)件驗算,頻遇組合下橋面板橫向最大應力-0.617MPa[見圖4(a)],小于規(guī)范限值0.7ftk=1.855MPa(ftk為混凝土抗拉強度標準值),橋面板主拉應力-1.267MPa[見圖4(b)],小于規(guī)范限值0.5ftk=1.325MPa;準永久組合下橋面板橫向最大應力-1.068MPa,小于規(guī)范限值0。

  

  圖4 橋面板內(nèi)力計算結(jié)果

  4.2抗風性能

  利用風觀測實測數(shù)據(jù),采用CFD數(shù)值模擬與風洞試驗相結(jié)合的方法,對主橋結(jié)構(gòu)抗風性能進行研究。主梁節(jié)段模型風洞試驗如圖5所示。

  

  圖5 主梁節(jié)段模型風洞試驗

  主梁斷面節(jié)段模型測振試驗結(jié)果如表2所示。

  表2 主梁斷面節(jié)段模型測振試驗結(jié)果

  

  由表2可知:主梁在風攻角分別為0°、±3°時,成橋狀態(tài)組合梁斷面顫振臨界風速大于顫振檢驗風速69.6m/s,施工狀態(tài)顫振臨界風速大于顫振檢驗風速61.2m/s,顫振穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。成橋狀態(tài)主梁振動位移響應如圖6所示。

  

  圖6 成橋狀態(tài)主梁振動位移響應

  由圖6可知:當風攻角分別為0°、±3°時,在試驗風速范圍內(nèi),主梁斷面成橋狀態(tài)未觀測到明顯的馳振現(xiàn)象,主梁斷面馳振穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。在試驗風速范圍內(nèi),主梁斷面施工狀態(tài)未觀測到明顯的馳振現(xiàn)象。

  4.3 抗震性能

  按照《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(JTG/T2231-01—2020)關(guān)于規(guī)則橋梁的定義,該橋不在限定范圍內(nèi),屬于非規(guī)則橋梁,設(shè)置了減隔震支座。

  考慮地基土液化和沖刷影響,地震動輸入基準面為河床面下20m處。采用非線性時程分析法對大橋進行了地震響應分析。

  結(jié)果表明:在設(shè)計地震作用下,結(jié)構(gòu)振動基頻合理,振動模態(tài)符合橋梁基本振動形態(tài);順橋向地震+豎向地震與橫橋向地震+豎向地震兩種工況下,墩柱、樁基處于完全彈性狀態(tài),結(jié)構(gòu)受力滿足抗震性能目標要求。

  5 頂推施工方案

  鋼梁采用步履式頂推工藝,無臨時墩輔助。

  在山西、陜西側(cè)各設(shè)置1座鋼梁拼裝場,單元件運輸至現(xiàn)場后,使用龍門吊機吊至頂推平臺進行拼裝定位、梁段接長施工。

  在山西、陜西側(cè)各設(shè)置1處頂推平臺,山西側(cè)頂推平臺位于引橋段37~40號墩位置,平臺長109m;陜西側(cè)頂推平臺位于主橋69號墩與合銅高速路基之間,平臺長137m。

  鋼梁拼裝至一定長度,加裝導梁和吊索塔架對向頂推,第1聯(lián)頂推長度為1904m,第2聯(lián)頂推長度為1912m。

  在55號墩處設(shè)置導梁拆除支架,鋼梁頂推到位后利用塔吊進行導梁拆除。鋼梁頂推到位后,落梁至設(shè)計標高,澆筑中支點底板混凝土,架設(shè)預制橋面板。現(xiàn)澆橋面板先澆筑正彎矩區(qū)域,待混凝土強度達到設(shè)計要求后,再澆筑負彎矩區(qū)域。主梁頂推施工布置如圖7所示。

  

  圖7 主梁頂推施工布置

  6 結(jié)語

  針對強風、強沖刷、不良地質(zhì)、強震等多種不利建設(shè)條件,臨猗黃河大橋采用大跨長挑臂閉口鋼箱組合梁,利用受壓斜撐支撐橋面板以減少鋼箱梁腹板數(shù)量,提高了鋼材利用率;中支點兩側(cè)底板澆筑混凝土形成“雙結(jié)合”構(gòu)造,作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件參與受力,有效降低了底板壓應力。主橋結(jié)構(gòu)靜力性能、抗震性能、抗風性能均滿足要求。

  本文轉(zhuǎn)自《世界橋梁》——臨猗黃河大橋總體設(shè)計,作者韓鋒,楊華



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