郑州陇海路高架160m特大连续梁桥设计

郭 忆

（同济大学 建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

1 工程背景及概况

1.1 工程背景

郑州市陇海路高架跨南水北调特大桥（见图1），跨越南水北调总干渠工程和贾鲁河倒虹吸工程，分为南辅道、北辅道、高架南幅、高架北幅4部分。其中跨径最大的为南辅道主桥，跨径组合为:94m＋160m＋94m。北辅道、高架南幅、高架北幅跨径组合均为90m＋150m＋90m。

1.2 南水北调及贾鲁河倒虹吸工程概况

南水北调中线工程总干渠在本桥位处的横断面布置如图2所示，根据南水北调相关部门的意见，总干渠堤岸区为87.74m（本工程与总干渠斜交38.1°，斜交后111.5m），范围内不能立墩，施工期间不允许搭设支架。贾鲁河与总干渠的交叉建筑物为贾鲁河倒虹吸工程，根据水利部门意见，倒虹吸工程泄水口内不得立墩。

1.3 陇海路高架南水北调段道路总体设计

本工程为陇海路高架快速通道工程中的一个节点，因此道路平面、纵断面、横断面均与陇海路高架快速通道的布置保持一致。主线高架和地面辅道通常采取的纵坡为1.2%～1.5%，竖曲线半径为5 000～6 000m。陇海路跨渠大桥的横断面总布置（见图3）组合为:18.5m南辅道＋1m隔离净空＋25.5m主线高架＋1m隔离净空＋18.5m北辅道，共计64.5m。

2 桥梁方案选型

根据总干渠堤岸区范围不能立墩及施工期间不允许搭设支架的实际情况，在初步设计阶段考虑了梁桥、拱桥、斜拉桥方案。综合比较如表1所示。

图1 郑州市陇海路高架跨南水北调特大桥工程地理位置

图2 南水北调总干渠断面（单位：m）

图3 横断面总布置面（单位：m）

考虑到本桥位于西三环以西，地理位置偏僻，在满足交通功能的前提下应尽量减少投资规模。梁桥方案可保证桥梁施工和南水北调总干渠的施工不冲突，造价最经济，施工方法工艺成熟，国内施工单位具有丰富的施工经验，经初步设计专家评审选定为最终的桥型方案。

3 特大跨连续梁设计

3.1 桥梁上部结构设计

本桥按照道路横断面布置，结构分为四幅桥面。由于篇幅限制，本文以南辅道桥为例介绍桥梁的结构设计。

表1 方案综合比较表

南辅道主桥跨径布置:94m＋160m＋94m＝348m，桥宽为18.5m。如图4所示。

上部结构支点梁高11m，为跨径的1／14.5，跨中梁高3.8m，为跨径的1／42.1。箱梁全宽为18.3m，梁底宽12.5m，悬臂长2.9m；横断面为单箱双室，顶板设置2.0%单向横坡，根据横向框架计算，确定顶板的厚度为28cm，跨中底板厚度为32cm，支点的底板厚度为100cm；腹板中距为6m，腹板宽度为50～90cm。

上部结构纵向为全预应力混凝土结构。横向桥面板及横梁为钢筋混凝土构件，腹板为部分预应力A类构件，箱梁断面如图5所示。

3.2 主桥结构静力分析

箱梁为全预应力结构，采用C55砼，主要计算荷载为恒载、公路－I级及人群荷载。预应力布置按照悬臂施工的配束方式。

3.2.1 上部纵向计算结果

主要计算结果如表2所示 （表中正号为压应力，负号为拉应力）。

图4 南辅道桥总布置面（单位：m）

图5 箱梁断面（单位：mm）

表2 上部结构主要计算结果MPa

从表2可知，各项计算结果均满足规范要求。另外，考虑到桥梁的重要性和施工情况的复杂性，除按规范进行计算外，还考虑了砼超方5%，砼少方5%，铺装超厚2.3cm，预应力超张拉6%，预应力少张拉6%等工况，计算结果均满足规范要求。

3.2.2 上部横向计算结果

取纵向为1m长的箱梁进行横向框架计算（见图6），横向按实际位置加载恒载、活载，并考虑箱室内外温差8°及底板处纵向预应力的下蹦力。不同腹板宽度取最高、最矮的断面进行计算，共计算6个断面。

顶底板按钢筋混凝土构件计算，最大裂缝宽度为0.18mm，小于0.2mm，满足规范要求。腹板按A类预应力构件计算，主要计算结果如表3所示，均满足规范要求。

图6 横向框架计算模型

表3 上部结构横向腹板主要计算结果 MPa

3.2.3 下部计算结果

短期效应（仅考虑结构自重及汽车人群荷载）下，主墩单桩轴向设计最大荷载为15 298kN，单桩轴向受压承载力容许值为17 730kN；短期效应（永久作用于可变作用组合）下，主墩单桩轴向设计最大荷载为19 244kN，单桩轴向受压承载力容许值为22 162kN，满足规范要求。

3.3 抗震设计和计算分析

根据静力计算，本桥的中墩选用竖向承载力为80 000kN的支座，边墩选用竖向承载力9 000kN的支座，如采用常规支座进行抗震计算，在E1地震下，主墩支座的水平力已经达到竖向承载力的35%，边墩达到60%；在E2地震下，主墩支座的水平力已经达到竖向承载力的52%，边墩达到86%；对墩柱截面及桩基进行验算，显示采用常规支座桩基无法满足规范对结构的抗震设防要求，因此本桥需进行减隔震设计。

本桥选用摩擦摆式减隔震支座，经多次计算后，选定支座参数如表4所示。

表4 摩擦摆式减隔震支座参数表

采用减隔震支座后，通过E1和E2两个水准地震时程分析，在E1和E2的水准地震作用下，桥墩及桩基抗弯强度都能够满足预期的抗震性能要求；支座位移在纵桥向最大位移为106mm，在横桥向最大位移为118mm。采用减隔震支座后，横桥向设置抗震挡块，纵桥向在主梁与引桥箱梁间设置橡胶块，以缓解地震时的撞击作用和限制梁的位移。

3.4 特大跨连续梁设计的主要难点和解决措施

与常规连续梁相比，特大跨连续梁桥存在的主要问题有两方面:一是按常规梁高，由于采用全预应力结构，截面开裂弯矩值较大，大部分断面需增加大量普通钢筋，满足正截面抗弯承载能力设计值大于正截面开裂弯矩值，达到规范最小配筋率要求；二是由于结构自重大，中支点附近的剪力很大，需要加大腹板尺寸才能满足截面的抗剪构造要求。

因此本桥的加大支点梁高达为11m，高跨比为1／14.5，能够满足规范的构造要求；同时减小跨中梁的高为3.8m，高跨比为1／42，以减轻跨中部分的自重，减小支点附近剪力。

4 特大跨径连续梁施工要点

1）主桥连续梁采用分段悬臂浇筑施工，对称平衡施工张拉预应力，两端悬臂上荷载的实际不平衡偏差不大，超过当前浇筑节段砼重量的10%。达到最大悬臂时，先浇筑边跨合龙段再解除相应桥墩的临时支撑，最后主跨合龙，完成体系转换；

2）施工过程中对C55高性能混凝土严格控制质量，对配合比、粗细集料、水泥、水、外加剂、掺合料等均需进行严密把控；

3）混凝土龄期达到10d，且强度和弹性模量达到设计值的100%后方可张拉该节段的预应力；

4）在施工过程中需进行线形和应力监控。

5 结 论

经业主、设计、施工、监理、监控各方的共同努力，郑州市陇海路高架跨南水北调特大桥已于2015年1月建成通车。根据成桥检测报告，当试验荷载达到控制荷载时，桥梁测试截面的挠度均小于相应的理论值，桥梁测试截面应变测点校验系数的均值小于1，桥梁上部结构整体刚度及承载能力满足公路—I级规范要求。在特大跨径连续梁桥设计和施工中应注意和解决以下问题:

1）箱梁适当增加支点梁高，减小跨中梁高，以满足规范的构造要求；

2）箱梁除按规范要求计算外，还应考虑超方、少方、超铺装、超张拉、少张拉等工况，确保大桥安全，箱梁除进行纵向计算外，还应进行横向框架计算，确定合理的顶底板尺寸及竖向预应力规模；

3）由于上部质量大，地震效应大，应进行抗震设计；

4）在施工过程中应进行线形和应力监控。

［1］ 鲍卫刚，周泳涛.预应力混凝土梁式桥梁设计施工技术指南［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］ 项海帆.高等桥梁结构理论［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［3］ 张志刚，肖盛燮.某三跨连续梁桥静动载试验分析［J］.交通科技与经济，2014，16（2）:66－70.

［4］ JTGD62－2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［5］ JTGD63－2007 公路桥涵地基与基础设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2007.