哇加滩黄河特大桥选型与设计研究

任　蒙，黄古剑，彭元诚

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北　武汉　430056)



哇加滩黄河特大桥选型与设计研究

任蒙，黄古剑，彭元诚

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430056)

文章针对哇加滩黄河大桥所在桥位处交通运输不便、水深较大的特点，提出主跨560 m斜拉桥与主跨200 m刚构-连续梁两种桥型方案并进行比选分析，确定采用主跨560 m的双塔双索面开口截面组合梁斜拉桥方案，同时针对组合梁钢结构疲劳问题，对组合梁截面进行优化，为山区等交通不便地区的桥梁建设提供借鉴。

深水基础；斜拉桥；开口截面组合梁；疲劳强度；抗风抗震

0　引言

随着中国西部高速公路的不断发展，出现了越来越多在交通运输能力较差区域修建大跨度桥梁的情况；针对交通运输不便的情况，以往桥梁建设多采用混凝土桥、钢桁梁桥等桥型，通过小批量、小构件运输来解决交通不便问题。开口截面组合梁斜拉桥以其制造简单、运输方便、经济性较好的特点，在国内得到广泛应用。本文结合背景工程处地形地貌特点，研究了开口截面组合梁斜拉桥方案在交通不便区域的适用性，同时针对组合梁钢结构疲劳问题，对组合梁截面进行优化，为推广开口截面组合梁斜拉桥技术在西部山区等交通不便地区桥梁建设中的应用提供借鉴。

1　工程背景

哇加滩黄河特大桥是青海省牙什尕至同仁高速公路跨越黄河的控制性工程，与京藏、连霍两条国家高速相接，是青海省高速公路网“三纵、四横、十联”中的纵线之一。桥址位于青海省东部的黄南藏族自治州的化隆哇加滩。桥址区为构造剥蚀中山地貌，沿山麓坡脚展布，跨越黄河，地形高程一般为2 002.0～2 150.8 m，最大地形相对高差约49.2 m，地形起伏较大，牙什尕岸(黄河左岸)坡度较缓，隆务峡岸(黄河右岸)处地势稍陡，自然坡度约20°～65°，植被稍发育。黄河左岸通省道S203，路宽8.5 m，交通条件一般；黄河右岸为隆务峡，无公路存在，交通条件较差。

大桥所在河段，属于公伯峡水电站水库库区，坝址处多年平均流量为717 m3/s，航道等级为Ⅵ级，双向通航宽度为60 m。大桥在水电站拦河大坝上游约18.5 km跨越黄河，桥位跨河断面为典型“U”字型，常水位下，水面宽度约620 m，最大水深48～50 m。牙什尕至同仁高速公路设计行车速度为80 km/h，汽车荷载等级为公路Ⅰ级，双向四车道，整体式路基宽24.5 m。桥址区设计基本地震加速度值为0.10 g，Ⅶ度区，第三组，属地震活动基本稳定区，但场地属于抗震不利地段。受西北气流影响，区内冬春季多风，春季为最；风向以西风为主，最大风速达19.7 m/s，设计风速按照28.6 m/s控制。

2　方案比选

依据桥址处地形地貌、地质等因素，针对哇加滩黄河特大桥桥址处交通不便，难以进行大规模运输，以及库区黄河水深较大，深水基础施工难度较大的特点，提出两种跨度方案进行比选研究：方案一采用主跨560 m斜拉桥方案，基础避开深水区；方案二采用主跨200 m连续梁方案，尽管基础在深水区，但200 m为连续刚构及连续梁最有竞争力跨径。本文针对这两种跨径适用的桥型和方案，进行了深入研究和比选。

2.1主跨560 m斜拉桥方案

桥位处水面宽620 m左右，河底地势较为平坦。从避开深水基础来说，主跨采用600 m左右最为合适，但考虑到路线起终点衔接隧道与互通，平面线形受限制较多，经多种主跨比较，采用560 m主跨；避开了深水基础，主塔处最大水深≤10.0 m，通过围堰法或筑岛法施工基本不存在难度。

相较于悬索桥，主跨在500～1 000 m之间，斜拉桥经济性更好。目前，国内最大跨径混凝土斜拉桥已达480 m，但随着钢材技术的成熟和发展，对于400 m以上斜拉桥国内主流采用钢结构或钢混组合结构斜拉桥。由于桥址现场缺乏合适的水运和陆运条件，钢箱加劲梁无法运输；现场必须采用小构件进行拼装。目前，为方便运输，山区斜拉桥主要采用钢桁梁斜拉桥；如新疆果子沟大桥、贵州鸭翅河大桥等。考虑到钢桁梁斜拉桥杆件较多，现场工作量同样较大，推荐采用开口截面组合梁斜拉桥，构造简单，同时相较于钢桁梁，构件数量减少，运输更便利。桥塔处水深约10.0 m，上覆土层约30.0 m，主要为角砾、细砂及卵石；下伏基岩为板岩、砂岩及构造角砾岩，中风化板岩及砂岩饱和单轴抗压强度达20 MPa以上，主塔基础采用12根φ2.8m的嵌岩端承桩群桩基础，桩底进入中风化岩层。

经综合比选，斜拉桥跨径组成为(104+116+560+116+104)m，桥型布置图见图1。该方案主要优点是避免了深水基础，同时开口截面组合梁构造简单，便于运输。

图1　哇加滩黄河特大桥-斜拉桥方案桥型布置图(单位：m)

2.2主跨200 m刚构-连续梁方案

采用了多个主跨方案(120m、150、180、200m)进行深入对比，从控制深水基础数量方面考虑，最终主桥采用(110+3×200+110)m预应力混凝土连续刚构-连续梁组合方案，全长820m，桥型布置图见下页图2。其中两中墩与主梁固结，两次中墩释放；所有墩柱均采用群桩基础，主墩基础为2个40m左右水深基础，边墩释放墩所在位置水深10.0m以下，墩柱桩基采用填土筑岛法或钢板桩围堰法施工。

图2　哇加滩黄河特大桥-连续梁方案桥型布置图(单位：m)

根据桥位水文情况，结合国内类似工程施工经验，本桥深水主墩大直径钻孔桩采用浮式平台+浮吊方案施工；通过浮式平台完成钢护筒施工后，以钢护筒为基础形成稳定的施工平台。大体积承台采用钢吊箱围堰施工；钢吊箱围堰采用工厂加工，运至现场在墩位平台上拼装，吊机下沉，水下混凝土封底；最终完成承台大体积混凝土浇筑。本工程深水施工，共投入浮式平台、围堰、浮吊、塔吊、浮桥等大型临时结构及设备，工艺复杂，施工风险较大。

该方案主要优点是结构造型简单；主要不足是存在深水基础施工、大吨位支座运输及安装较为困难。

2.3方案比选及小结

两种方案在技术和施工方面均是成熟可行的；基于工程经济性、施工风险性以及景观效果进行了深入比选。

两个方案的建设规模非常接近，斜拉桥方案全桥长1 741m，刚构-连续梁方案全桥总长1 735m。刚构连续梁方案，主体为混凝土结构，后期维修主要体现为大吨位支座的更换；斜拉桥方案钢主梁、斜拉索、索塔钢锚梁等不仅需要日常防腐维护，同时需要考虑结构的相关构件的更换，斜拉桥方案造价略高。

斜拉桥方案最大墩高39.5m，最大塔高193.6m。由于斜拉桥高墩塔施工控制技术的日益成熟，其施工风险相对较低。两岸塔墩均位于岸边，存在部分水下基础，最大水深7m左右，采用钢板桩围堰施工。总体来说，该方案施工难度主要体现在组合梁钢梁、预制桥面板的制作、安装上，整体难度可控。施工工期为34个月。

刚构-连续梁桥方案最大墩高37m，20m以上水深基础2个，最大水深48.9m。由于连续刚构及连续梁双悬臂浇筑施工工艺在中国的广泛使用，其施工风险可控。本方案的最大难点在深水基础的施工，施工花费昂贵、施工时间长、不可控因素多。另一大难点是大跨连续梁悬浇时墩梁需要固结，大吨位支座的运输、安装均较为复杂。总体来说，该方案施工难度主要体现在深水基础的施工上，整体难度大、不可预见因素多。施工工期为36个月。

刚构-连续梁桥方案造型简洁，与桥位地形、地貌配合基本协调，但桥面到水面高度仅40多米左右，梁高12.5m，墩高35.0m，梁高与墩高比例不协调，景观效果一般。斜拉桥方案桥塔挺拔而不失秀美，同时梁体纤细，具有独特的视觉效果，景观效果好。

综合比较，两个跨度方案的建设规模相当；连续刚构-连续梁方案经济性稍优，但刚构-连续梁方案存在深水基础，施工难度巨大，不确定因素多，施工费用不可控，同时景观效果一般，后期易出现跨中下挠；考虑到该项目的实际情况及工程的经济性，推荐560m跨斜拉桥方案作为哇加滩黄河特大桥建设方案。

3　方案设计

比选后，青海哇家滩黄河特大桥采用(104+116+560+116+104)m双塔双索面组合梁斜拉桥。主塔采用H型，平行索面结构，索梁锚固采用锚拉板、索塔锚固采用钢锚梁结构。

考虑到本桥边中跨比较低，为避免运营过程中边跨桥墩处支座脱空的情况，边中跨组合梁混凝土桥面板采用不同厚度；即中跨组合梁桥面板取28cm，边跨梁端120m范围内采用60cm；同时对辅助墩和过渡墩处梁端进行局部永久压重。

3.1组合梁加劲梁设计

传统的斜拉桥加劲组合梁，钢梁部分一般由双边主梁、横梁、小纵梁及检修道或人行道挑梁组成；本项目，对应于平行索面、工字钢截面边主梁，索梁锚固采用锚拉板结构，构造简单，施工方便。考虑到索梁锚固部位疲劳应力较大，疲劳细节设计非常重要。工字形钢板梁顶板与锚拉板之间连接一般采用T字形或十字形全熔透对接焊缝；根据公路钢结构桥梁设计规范，十字形和T字形接头，全熔透对接焊缝的焊趾，在斜拉桥锚拉板处对应于2.0×106次常幅疲劳循环的疲劳正应力强度仅为40～50MPa[4]，疲劳应力强度较低，为全桥的薄弱环节。为提高锚拉板与主梁连接处的焊缝疲劳强度，本桥对边主梁工字钢进行了一定的优化，形成了上字形边主梁。即工字钢腹板延伸，连续通过工字钢顶板，直接与锚拉板采用全熔透对接焊缝连接；腹板高度方向上，边主梁腹板与顶板的对接焊缝接头避开腹板与锚拉板的T字形焊接接头；顶板在边主梁腹板外侧部分取消；形成的上字形边主梁见图3。采用全熔透对接焊缝，且焊缝沿锚拉板受力方向打磨平齐后，锚拉板与腹板的横向对接焊缝，其疲劳细节类别可达110[4]，疲劳强度大幅提高。

优化后，加劲主梁采用双边“上”字形钢主梁结合混凝土桥面板的整体断面，边主梁横向中心距26m，桥梁全宽28m，路线中心线处梁高3.76m，边主梁中心线处梁高3.5m。钢梁主体采用Q390E，检修道等辅助设施采用Q345E，桥面板采用C60高性能混凝土。

标准梁段长度12.0m，最大吊装重量43.4t；辅助跨标准梁段长度8.0m，最大吊装重量29.1t。12.0m标准节段由二根上字形边主梁、3根间距4.0m的工字形钢横梁、3根工字型小纵梁组成平面框架，平面钢框架边主梁、横梁、小纵梁之间在现场采用高强螺栓连接；钢框架与预制桥面板及现浇混凝土湿接缝通过剪力钉连接组成组合梁体系，共同受力。

3.2塔墩及基础设计

主塔采用“H”形主塔，下塔肢向内收拢，采用整体式承台群桩基础，单个主塔基础共24根钻孔桩，桩径2.8m，为与桥塔景观效果一致，辅助墩与过渡墩均采用门式墩。

索塔锚固采用钢锚梁形式，钢锚梁支承在钢牛腿上，钢牛腿与混凝土塔壁之间通过剪力栓钉连接。钢锚梁与钢牛腿采用Q345E钢材；索塔锚固区主塔采用U型预应力钢束加固。

图3　哇加滩黄河特大桥桥梁标准横断面图(单位：cm)

3.3动力设计

哇家湾黄河特大桥采用半漂浮体系，过渡墩、辅助墩处均采用纵向滑动，横向约束的球钢支座；塔梁交界处竖向支承采用纵横向皆可滑动的球钢支座，横向约束采用横向抗风盆式橡胶支座；桥塔与辅助墩处各设置2套阻尼装置。

纵向漂浮体系，属于长周期结构，结构抗震有利；阻尼器约束了罕遇地震下的梁体位移，能够确保罕遇地震(E2地震)作用下，桥梁不经修复或经简单修复即可正常使用。

开口式组合梁构造简单，施工便利，但梁体本身扭转刚度较小，同时H形索塔和平行索面提供的结构整体抗扭刚度较小，抗风不利。风洞试验证明[2]，不采取气动措施的情况下，大桥临界颤振风速>60m/s，即大桥不会发生颤振等发散性自激振动；但可能出现涡激共振等限幅振动；采用封闭栏杆、减小结构宽高比以及加设中央稳定板等气动措施，可有效改善抗风性能。

每个主塔布置22对斜拉索，所有斜拉索两端在斜拉索套筒内均设置内置减振橡胶块。采用外置机械阻尼器和PE护套表面设置双螺旋线的气动减振措施来抑制风雨激振。

4　结语

哇加滩黄河特大桥作为青海跨越黄河的一座桥梁，针对桥址处地形条件和交通不便因素，比选了大跨斜拉桥方案和连续刚构-连续梁方案，尽管两种方案均具有可行性，考虑到连续钢构方案涉及到两个40m深的水下深基础，工艺复杂，投入设备量较大，同时梁高与墩高比例不协调，景观效果较差，推荐采用开口截面组合梁斜拉桥方案。

哇家滩黄河特大桥索梁锚固采用锚拉板结构，锚拉板焊缝处疲劳应力幅较大，疲劳设计非常重要。设计采用延伸加劲梁边主梁，腹板与锚拉板直接采用全熔透对接焊缝连接，避开边主梁顶板与腹板的焊接接头方法，形成了上字形边主梁，提高了锚拉板焊缝的

[1]黄古剑，邓淑飞，等.青海哇家滩黄河大桥主桥上部结构设计[J].公路交通科技应用技术版，2016，133(1)：229-231.

[2]李加武，等.哇加滩黄河特大桥模型风洞试验及抗风性能报告[R].西安：长安大学，2013.

[3]British Standard.Eurocode 3：Design of steel structures-Part1-9：Fatigue(EN 1993-1-9：2005)[S].London：BSI，June 2006.

[4]JTG D64-2015，公路钢结构桥梁设计规范[S].

[5]吴冲.现代钢桥[M].北京：人民交通出版社，2006.

[6]严国敏.现代斜拉桥[M].成都：西南交通大学出版社，1996.

[7]范立础.桥梁抗震[M].上海：同济大学出版社，1997.

Study on the Type Selection and Design of Wajiatan Yellow River Bridge

REN Meng，HUANG Gu-jian，PENG Yuan-cheng

(CCCC Second Highway Consultant Co.，Ltd.，Wuhan，Hubei，430056)

Aiming at characteristics that Wajiatan Yellow River Bridge is located at the place with transportation inconvenience and greater water depth，this article compared and analyzed two bridge schemes of main-span 560m cable-stayed bridge and main-span 200m rigid-continuous beam，and determined the selection of main-span 560m dual-tower double-cable open cross-section composite beam stayed-cable bridge scheme，then regarding the steel structure fatigue problem of composite beams，it optimized the section of composite beams，thereby providing the reference for the bridge construction in mountainous area and other inaccessible areas.

Deep-water foundation；Cable-stayed bridge；Open cross-section composite beam；Fatigue strength；Wind and seismic resistance

U442.5+4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.08.015

1673-4874(2016)08-0056-04

2016-06-05

任蒙(1984—)，硕士研究生，工程师，研究方向：大跨桥梁设计及抗震抗风研究；

黄古剑(1979—)，硕士研究生，高级工程师，研究方向：大跨桥梁设计；

彭元诚(1964—)，博士研究生，教授级高工，研究方向：大跨桥梁设计。