黄河下游大跨钢混组合梁斜拉桥设计与施工

徐召

【期刊名称】《《广东公路交通》》

【年(卷),期】2019(045)005

【总页数】6页(P74-78,88)

【关键词】黄河下游; 钢混组合梁; 斜拉桥; 设计; 施工

【作 者】徐召

【作者单位】山东省交通规划设计院 济南250000

【正文语种】中 文

【中图分类】U448.27

0 概述

黄河中下游分界点位于河南省郑州市的桃花峪，下游河道为 1855 年(清咸丰五年)黄河在河南省兰考县瓦厢决口，夺大清河改道后形成，由西向东流经华北平原，长约786km，在东营市垦利县入海。其中河南段长约165km，山东河南交界段长约205km，山东段长约415km；河道落差94m，比降上陡下缓，平均为1/10 000。黄河下游河道如图1所示。

图1 黄河下游河道

黄河是世界闻名的多沙河流，下游河道长期处于强烈的淤积抬升状态，河床平均每年抬高0.08～0.10m，河床一般高出堤外两岸地面4～6m，最大高出10m以上，形成典型的“地上悬河”(图2)。

图2 河道横断面

目前，黄河下游(山东段)河道按其特性可分为四段(图1)：(1)河南山东交界处至高村河段，长约40km，两岸一般堤距5～14km，河宽水散，冲淤变化剧烈，主流摆动频繁，为典型的游荡性河段；(2)高村至陶城铺河段，长约165km，堤距1.5～8.5km，一般在3～4km之间。主槽摆幅及速率较游荡性河段小，属于由游荡性向弯曲性转化的过渡性河段，通过河道整治，主流已趋于稳定；(3)陶城铺至利津河段，长约310km，堤距0.4～3km，两岸险工、控岛工程较多，防护段占河长的70%，河势已得到基本控制，属于弯曲型窄河段，局部河道没有右岸大堤，由3～5km的滩地作为滞洪区；(4)利津以下为河口段，长约104km，河口段泥砂逐年淤积，年平均造陆面积约25～30km2。

1 钢混组合梁斜拉桥的设计及施工要点

1.1 综述

现代钢混组合梁斜拉桥的概念是德国著名桥梁专家莱昂哈特(Leonhardt)教授于1982年在佛罗里达州跨越坦帕湾的日照桥(Sunshine skyway)的投标方案中提出的，利用廉价的混凝土板代替昂贵的正交异性钢桥面板，通过剪力连接件将钢梁和混凝土桥面板组合而成。其最大的特点是桥面板参与主梁的整体受力并且避免了正交异性钢桥面板疲劳开裂的世界性难题。由于组合梁斜拉桥具有跨越能力大、施工方便、综合效益高等优点，自上世纪90年代初上海南浦大桥建成后，在我国得到迅速发展，先后建成了10余座大跨径的钢混组合梁斜拉桥。近年来大跨度桥梁的发展表明，主跨在300～700m之间时，组合梁斜拉桥方案逐渐成为竞争力最强的桥型方案。

1.2 钢混组合梁斜拉桥设计要点

1.2.1 合理成桥状态的确定

所谓合理成桥状态是指斜拉桥在施工完成后，在所有恒载作用下，受力满足某种理想状态，如梁、塔中弯曲应变能最小。合理成桥状态的确定通常可以不考虑施工过程，只根据成桥状态的受力图式来计算，如刚性支承连续梁法、最小弯曲应变能法等；而合理的施工状态是指为了按拟定的施工工序施工成桥后达到合理成桥状态的各施工状态，主要控制参数为斜拉索张拉索力和主梁立模标高。一旦施工工序确定好后，合理施工状态理论上是唯一的。

钢混组合梁斜拉桥不同于混凝土主梁斜拉桥，其成桥状态不利组合下主梁桥面板只在部分区段出现拉应力，不像混凝土主梁斜拉桥主梁需全桥配置纵向预应力，合理的斜拉索初张力及工序是主梁内力控制及预应力束布置的关键。

1.2.2 混凝土桥面板抗裂控制

加拿大安纳西斯桥钢混组合梁斜拉桥运营一段时间后，出现四类明显的裂缝：横贯桥面的横桥向裂缝、斜拉索与桥面相接区域的裂缝、锚箱及锚板区域的砼环状裂缝、桥面板纵桥向裂缝。

针对不同的裂缝型式，主要采取了以下桥面板裂缝控制措施：

(1)在跨中和边跨尾端桥面板设置纵向预应力，使桥面板有一定的压应力储备。

(2)采用预制高强度混凝桥面板，并存放一定时间，减小混凝土的收缩效应及受压后的徐变效应。

(3)主梁拉索锚固结构优先采用钢锚箱的结构形式。

(4)横梁反顶或者配置桥面板横桥向预应力，增强混凝土桥面板的横桥向压应力储备。

近几年修建的钢混组合梁斜拉桥在采取上述相应措施后，桥面板的前三类裂缝己经基本避免。第四类裂缝经过几年的运营后还有不同程度的存在，但较前期修建的桥梁，近期修建的组合梁裂缝已有很大改善。

1.3 钢混组合梁斜拉桥常规施工工艺

钢混组合梁斜拉桥主梁一般由钢主梁和桥面板通过剪力钉结合而成，合理的施工工序是保证钢与混凝土发挥各自受力优点的关键。早期的钢混组合梁由于大型设备较少，一般采用“化整为零”的悬拼施工方式，将主梁分为边主梁、横梁及桥面板的方式进行悬拼施工。近年来，大型设备的出现给钢混组合梁的施工提供了更多的施工技术，可以采用带混凝土桥面板的整梁段吊装施工，如东海大桥主航道桥、南京第五长江大桥主桥就是采用该技术；也可以采用钢主梁整体吊装，桥面板分块预制后吊装施工，如青兰高速公路黄河大桥主桥。

顶推施工由于需要大量的临时设施，施工成本相对较大。采用带桥面板的顶推方式时，桥面板的抗裂控制是关键，往往需要设置大量的临时墩来降低临时墩顶处桥面板的拉应力，造价相对较高。不带桥面板的钢主梁顶推施工目前还未见施工案例，在特殊条件下是钢混组合梁斜拉桥可行的施工方式之一。

2 齐河黄河公路大桥主桥设计与施工

2.1 工程概况

齐河黄河公路大桥位于济南市槐荫区与德州市齐河县交界处，在黄河下游济南段北店子浮桥附近，于黄河右岸大堤桩号K9+326、左岸大堤桩号K115+330处跨越黄河。主桥采用双塔斜拉桥，桥跨布置为40m+175m+410m+175m+40m，桥梁立面布置如图3所示。

图3 齐河黄河公路大桥桥跨布置(单位：m)

主梁采用了双边钢箱钢混组合梁断面，如图4所示，由边钢箱主梁、钢横梁、小纵梁、预制桥面板组成。组成主梁的各构件均采用工厂化制造、现场吊装安装的方式施工。

图4 桥梁标准断面 (单位:m)

2.2 主桥设计

2.2.1 钢主梁

边钢箱宽2.8m，高3.0～3.056m，根据受力区域不同，顶板厚度为25mm，底板厚度为35～45mm，腹板厚30mm。为提高其整体和局部稳定性，设置一定数量的水平、竖向加劲肋。

横梁采用工字型断面。标准横梁宽600mm，顶板厚度25mm，底板厚度30～36mm；腹板厚16～20mm。

2.2.2 混凝土桥面板

桥面板采用C60高性能混凝土，厚度为26cm，分为预制板及现浇湿接缝两部分，通过布置在边钢箱、钢横梁及小纵梁顶的剪力钉与钢梁结合。为减少后期收缩徐变的影响，要求预制板放置时间不少于6个月。

为了提高桥面板的抗裂性能，在边跨尾索区域及中跨跨中段设置了桥面板纵桥向预应力，采用7φs15.2mm高强度低松弛钢绞线；桥面板均设置有横桥向预应力，采用3φs15.2mm高强度低松弛钢绞线。

2.2.3 桥塔

桥塔采用双柱式(图5)，内侧直立，外侧倾斜。桥塔塔身由塔柱及上下横梁组成，塔柱为钢筋混凝土结构，上下横梁为预应力混凝土结构。济南侧桥塔高135.5m，齐河侧桥塔高140m。

图5 桥塔立面布置(单位：m)

2.2.4 斜拉索

斜拉索呈空间扇形分布，两侧双索面布置。塔端锚固于上塔柱内的钢锚梁上，梁端锚固于主梁外的钢锚箱上。每个塔柱布置16对斜拉索，梁上索距为12m，塔上标准索距为2.5m。

钢丝标准强度1 670MPa。共采用7种型号：151φ7、187φ7、211φ7、241φ7、283φ7、313φ7、337φ7。

2.3 主桥施工

2.3.1 大跨度钢混组合梁悬拼控制

本桥桥位处河道较窄，防洪及排凌压力较大。设计时充分考虑了各项控制因素，主梁选取了由边钢箱、钢横梁、小纵梁及预制桥面板组成的钢-混组合梁结构体系。主梁各构件采用工厂预制现场吊装的施工方式，钢构件间采用高强螺栓连接，无需工地焊接即可完成钢构件的架设。预制桥面板与钢梁通过剪力钉及湿接缝连接，吊机吊装钢构件最大重量约45t，单块桥面板最大重量约23t。

施工时没有架设联通黄河两岸的临时栈桥，而是在两个桥塔处设置吊装平台，采用65t龙门吊将钢构件吊至平台，桥面运梁车再将其运至安装位置(图6)。

图6 齐河黄河公路大桥悬拼施工

2.3.2 大跨度钢混组合梁塔梁同步施工

根据齐河黄河公路大桥总体工期要求，采取索塔-钢混组合梁同步施工的方案，即在索塔塔柱施工过程中同步进行钢梁节段拼装、斜拉索挂张、桥面湿接缝浇筑等工序。

具体实施时，桥塔竖向一共分为25个节段。索塔施工第13、14节段时，同步进行主梁0#段钢梁支架搭设工作；索塔施工15、16节段时，进行主梁1#梁段的拼装，并安装桥面吊机；索塔施工19、20节段时，进行1#斜拉索的张拉；后续桥塔施工时同步开展主梁的悬拼工作。

2.3.3 基于BIM技术的钢梁虚拟拼装

本桥主梁钢结构采用节段预制现场用高强螺栓连接的施工方式，并按切线施工的方法来实现主梁的目标线型。对钢结构的制造精度要求高，合理的钢结构出厂尺寸是桥梁施工质量的重要保障。

具体实施时，主梁钢结构放样之前，根据钢梁加工制作节段建立精细化BIM模型及纵、横梁精细化BIM模型。在虚拟模型空间进行预拼装，同步校核图纸“错、漏、碰”等问题，最终得到准确、高精度的钢梁BIM模型。对加工制作完成的钢梁节段及纵、横梁构件采用激光扫描(三维数字摄影)技术进行实体尺寸扫描，获取高精度的数字模型，制作模拟构件，然后通过仿真检测技术将模拟构件与精细化BIM标准模型进行复模，检验构件加工偏差，进行辅助加工质量复核。

通过上述BIM技术，在钢结构制造厂、施工单位及监控单位的共同努力下，全桥实现了高强螺栓“零”扩孔，中跨两侧梁段在高差3mm的情况下完成合龙。

3 青兰高速公路黄河大桥主桥设计与施工

3.1 工程概况

国高青兰线黄河大桥起点位于济南市平阴县，终点位于聊城市东阿县，桥梁全长3.916km。根据防洪评价报告，大桥桥位河段为工程控制较好的弯曲性河道，河势较稳定，主河槽宽度870m。根据黄河河务部门的相关规定，桥位处主河槽内桥梁跨径不小于180m，同时桥墩布置应避开桃园工程；跨越大堤处桥梁跨径应不小于120m，而斜拉桥辅助跨跨径一般在50～100m范围内，不满足相关规定。因此，本工程通过多方案比选后最终采用三跨双塔斜拉桥跨越主河槽和连续钢桁梁桥跨越大堤。

主河槽宽度及布跨控制因素如图7所示。主桥采用跨径布置为180m+430m+180m的双塔单索面钢—混组合梁桥跨越主河槽，2×180m=360m的连续钢桁架桥跨越大堤，如图8所示。

图7 主河槽宽度及布跨控制因素

图8 桥梁总体布置(单位：m)

3.2 主桥设计

3.2.1 主梁型式的选取

430m主跨的斜拉桥主梁采用钢混组合截面是经济合理的，目前常用的组合梁型式有双边工字钢组合梁、双边钢箱组合梁等。由于本桥边跨缺少辅助跨，整体刚度较弱，如采用双边工字钢组合梁和双边钢箱组合梁，活载下边跨挠跨比不足1/320，边跨刚度不满足规范要求。因此，本桥最终采用抗弯刚度较大的大悬臂箱型钢—混组合梁截面，活载下边跨挠跨比1/475、主跨挠跨比1/975，满足规范要求的1/400。

主梁由顶板、底板、腹板、横隔板及挑梁通过焊接形成钢构架，其上架设预制桥面板，现浇混凝土湿接缝，与钢梁顶板上的剪力钉形成整体，组成钢-混组合箱型梁。箱梁采用单箱三室断面，全宽35.5m，悬臂长4.75m，截面中心梁高4.0m，标准横断面如图9所示，主梁标准梁段长8m。

图9 标准横断面(单位：cm)

桥面板采用C60预应力混凝土，分为预制板及现浇湿接缝两部分。箱室内桥面板标准厚度28cm，钢混结合处加厚至55cm。

大悬臂箱型钢—混组合梁箱室位于截面中部，截面两端无纵梁，拉索索力无法传递，因此，本桥斜拉索采用双索面布置，呈平面扇形分布。拉索横向中心距2.0m，拉索锚固区设置于箱室，锚固于两侧中纵隔板上。拉索索力由锚箱传递至箱梁纵隔板和顶底板，再扩散至全断面，受力明确，传力途径清晰。

桥面板横向呈悬臂受力方式，主桥桥面板均采用横向预应力，配合钢挑梁、钢横隔板，横向形成钢—预应力混凝土组合截面型式。

3.2.2 主梁抗倾覆设计

索面斜拉桥主梁抗倾覆能力较弱。为提高抗倾覆能力，本桥首创性地在桥塔处采用外伸钢横梁以加大支座横向间距，同时在外伸钢横梁端部设置竖向限位装置。

本桥在标准断面情况下支座横向间距19.4m，采用外伸钢横梁后支座横向间距加大至26.4m。通过计算分析表明，加大主梁支座横向间距，可有效减小支反力，降低支座型号。如在横向偏载作用下，最大支反力减少约26.6%；加大了支反力作用点间距，有效地改善桥塔下横梁受力，桥塔下横梁跨中最大弯矩值约为原来的68.5%。同时在最不利偏载作用下，加大横向间距可增加支反力富裕度，不易出现负反力，增加抗倾覆能力。横梁端部设置竖向限位装置可在极端情况下阻止主梁扭转和侧倾。

图10 桥塔支座处主梁横断面

3.2.3 桥塔设计

为匹配主梁索面设置方式，桥塔拉索锚固区域宜采用整体式断面。本桥桥塔最终采用宝瓶型钢筋混凝土塔，钢筋混凝土结构。桥塔上塔柱高58.22m，中塔柱高60.78m，下塔柱高19.0m，总高138.0m。

桥塔下横梁采用单箱单室截面，为A类预应力混凝土结构。桥塔拉索锚固区采用钢锚梁构造，塔壁四周布置少量预应力粗钢筋。钢锚梁为箱形结构，由锚垫板、加劲板、侧拉板、顶板、底板及横隔板等组成。

桥塔塔座高2m，桥塔基础采用钻孔灌注桩加承台。承台厚6m，承台下设50根桩，桩基直径为2.2m。

3.3 主桥施工

本桥采用悬臂拼装法施工(图11)，施工流程如下：

桥塔及共用墩施工→搭设支架安装0号块→塔梁临时固结→安装桥面吊机→逐段拼装各梁段并张拉相应拉索→搭设支架拼装边跨梁段→边跨合龙→中跨单悬臂拼装→合龙中跨→成桥。

传统的施工工艺为悬拼一段钢梁后挂篮前移，吊装该梁段处的桥面板，现浇湿接缝，养护到达强度后再进行下一节段的施工。本桥悬臂施工节段25段，节段数较多，若采用传统施工工艺，悬臂施工时长约10个月。

本桥为国高青兰线泰安至东阿段的重要组成部分，为全线施工工期的控制性工程。本桥的建成通车对国高青兰线的早日贯通、服务于周边地区，提前产生经济效益有着非常重要的作用，因此，本桥设计时对施工工序进行优化，在保证结构受力合理、施工安全的前提下，采用悬拼3～4段钢梁后，再同时吊装两段桥面板一并浇筑湿接缝，养护达到强度后再进行下一步骤的施工方案。该方案可缩短一倍的桥面板养护周期，悬臂施工时长仅需6个月，缩短了工期，提高了工程效益。

图11 青兰高速公路黄河公路大桥悬拼施工

钢主梁标准节段长8m，重约100t，场地焊接成整体，利用施工栈桥运输至吊装位置。采用旋转桥面吊机吊装，与前一梁段焊接后进行第一次拉索张拉，张拉索力仅用来平衡梁段自重，桥面吊机前移进行下一节段钢梁吊装。吊装钢梁的同时吊装桥面板，每两节段钢梁浇筑并养护一次桥面板湿接缝。每节段桥面板重约300t，为了减小桥面板自重对钢梁的影响，同时为了避免拉索水平向分力全部作用于钢梁上，致使钢梁压应力过大、桥面板压应力不足、不符合材料特性等问题，本桥设计时两对拉索按不同工序进行第二次张拉，得到了较好的钢梁应力及桥面板应力分布结果，也避免了后期斜拉索第三次甚至更多次张拉。

4 结语

近年来，钢混组合梁斜拉桥在国内得到了快速发展，先后修建了多座不同结构型式的组合梁斜拉桥，有力地推动了钢混组合梁技术的进步。随着社会经济的快速发展，黄河下游河段黄河桥的建设需求也在不断增加，钢混组合斜拉桥在300～700m跨径范围内具有较大的优势，适合于黄河下游河道地质条件相对较差的建设条件。可以预见，未来还需建造更多的跨黄河桥梁，桥位密集段桥梁的跨径将会不断增加，建设更加经济、美观、耐久的桥梁既是桥梁工程师的使命，更是国家发展对公路行业提出的新要求。

参考文献：

【相关文献】

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