康 煒

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 工程概況

銀川機(jī)場(chǎng)黃河特大橋處于銀川至西安高鐵銀川至吳忠段，位于銀川市東南方向、銀川河?xùn)|機(jī)場(chǎng)西側(cè)，為跨黃河、京藏高速公路等道路及灌溉渠而設(shè)，為銀西線重點(diǎn)控制性工程。橋址距離機(jī)場(chǎng)不到2 km，處于銀川市的門戶地帶，是銀川對(duì)外展示城市新形象的窗口。

橋梁全長(zhǎng)13 814 m，其中主橋長(zhǎng)度1 200 m，孔跨布置為1孔96 m簡(jiǎn)支鋼桁梁+2聯(lián)(3×168) m連續(xù)鋼桁柔性拱+1孔96 m簡(jiǎn)支鋼桁梁，平立面布置分別如圖1、圖2所示。

圖1 主橋橋址平面(單位：cm)

圖2 主橋立面布置 (單位：cm)

橋址區(qū)覆蓋第四系地層，厚度大于120 m。黃河河谷區(qū)以細(xì)顆粒沖積層為主，地層上部主要為第四系全新統(tǒng)沖積的粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂，下部為上更新統(tǒng)沖積的粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂，局部夾細(xì)圓礫土、粗圓礫土透鏡體。大橋設(shè)計(jì)基本風(fēng)速14.3 m/s。橋址處地震烈度8度，設(shè)計(jì)動(dòng)峰值加速度0.2g，特征周期0.7 s。橋址屬西北寒冷地區(qū)，極端最低氣溫-23.7 ℃，橋址處凌汛水位高，冬季冰凌現(xiàn)象嚴(yán)重，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。

橋梁設(shè)計(jì)活載為ZK活載，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km，雙線有砟軌道，線間距4.6 m。本橋在高鐵中首次采用了3孔一聯(lián)等跨連續(xù)鋼桁柔性拱結(jié)構(gòu)，主橋最顯著的特點(diǎn)為采用3孔一聯(lián)等跨度連續(xù)鋼桁柔性拱結(jié)構(gòu)，主河槽多跨等跨布置滿足了防洪要求，很好地適應(yīng)了黃河主槽位置經(jīng)常發(fā)生左右擺動(dòng)的情況。主橋中墩處采用了V撐加勁，而目前國(guó)內(nèi)建成的大跨度鋼桁柔性拱結(jié)構(gòu)均為主跨加拱、邊跨為平行弦鋼桁結(jié)構(gòu)[1-5]。

2 孔跨及橋式方案選擇

防洪評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：橋位與主河道應(yīng)保持正交，在主河槽范圍內(nèi)橋梁跨徑需加大至120 m以上。橋位處主河槽寬度約1 200 m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況綜合考慮主橋的孔跨布置為1-96 m+6×168 m+1-96 m。

由于橋址處地震烈度高、場(chǎng)地地質(zhì)條件差，且存在地震液化，橋梁宜采用自重較小的鋼結(jié)構(gòu)。適用于3×168 m的鋼結(jié)構(gòu)形式主要有4種：平行弦連續(xù)鋼桁梁，變高弦連續(xù)鋼桁梁，平行弦連續(xù)鋼桁梁加拱，加勁弦連續(xù)鋼桁梁加拱(中支點(diǎn)處設(shè)V撐變高)。對(duì)4種橋式方案進(jìn)行了比選分析，分析結(jié)果如表1所示。根據(jù)比選結(jié)果本橋主跨推薦采用加勁弦連續(xù)鋼桁梁加拱的結(jié)構(gòu)形式，即采用連續(xù)鋼桁柔性拱并在中墩處采用V撐加勁的結(jié)構(gòu)。

表1 主橋橋式方案比選

3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 整體構(gòu)造

3×168 m連續(xù)鋼桁柔性拱結(jié)構(gòu)，主桁采用華倫桁式，計(jì)算跨度3×168 m，全長(zhǎng)506 m，桁高12.8 m，節(jié)間長(zhǎng)度11，12 m。拱肋采用二次拋物線線形，矢高受河?xùn)|機(jī)場(chǎng)凈空所限采用28 m(上弦以上)，矢跨比1/4.714。上弦及拱肋設(shè)置縱向聯(lián)結(jié)系，橫橋向每隔22～24 m設(shè)置1道橫向聯(lián)接系。為加大結(jié)構(gòu)剛度，減小主梁分擔(dān)彎矩，在中墩設(shè)置加勁V撐，加勁V撐高14 m，結(jié)構(gòu)立面構(gòu)造如圖3所示。

圖3 連續(xù)鋼桁柔性拱結(jié)構(gòu)立面構(gòu)造(單位：mm)

1-96 m簡(jiǎn)支鋼桁梁，為平行弦華倫桁下承式結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨度96 m，全長(zhǎng)97.4 m，桁高12.8 m，節(jié)間長(zhǎng)12 m，結(jié)構(gòu)立面構(gòu)造如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)支鋼桁梁立面(單位：mm)

3.2 橋面布置

橋面系采用正交異性板鋼橋面，縱向設(shè)置U形加勁肋及板式加勁肋，橫向除端橫梁采用箱形橫梁外，余均采用倒T形橫梁及橫肋。結(jié)構(gòu)橫斷面如圖5所示。

圖5 鋼桁梁結(jié)構(gòu)橫斷面(單位：mm)

3.3 主桁構(gòu)造

主桁桿件主要采用箱形，個(gè)別受力較小桿件采用H形。主桁、橋面板及橫梁均采用Q370qE鋼材，橋門架及聯(lián)結(jié)系采用Q345qE鋼材。桿件具體尺寸如表2所示。

3.4 橋面鋪裝

鋼橋面板與道砟之間采用輕質(zhì)墊層體系，其組成為甲基丙烯酸甲酯(MMA)高性能防水體系及厚度為60 mm的CAP高粘著輕質(zhì)保護(hù)墊層，立面鋪設(shè)如圖6所示。2.4 mm厚的MMA樹脂防水體系由下到上由底涂、防水層、有色陶瓷顆粒硬骨料防滑層組成，見圖7。

3.5 吊桿設(shè)計(jì)

一聯(lián)連續(xù)鋼桁柔性拱結(jié)構(gòu)共設(shè)62根吊桿，吊桿間距邊跨11 m、中跨12 m，采用剛性吊桿，與上弦及拱肋采用外拼式螺栓連接。為消除可能出現(xiàn)的吊桿風(fēng)振危害，參考國(guó)內(nèi)的研究成果[6-14]，吊桿截面采用八角形截面，截面內(nèi)寬1 000 mm、高800 mm，切角為200 mm×200 mm(圖8)。

表2 桿件尺寸 mm

圖6 橋面鋪裝示意

圖7 MMA樹脂防水體系

圖8 吊桿截面(單位：mm)

4 橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

橋墩均采用直坡的雙柱式橋墩，主墩墩柱縱橋向6.5 m，橫橋向5.0 m，邊墩墩柱縱橋向5.5 m，橫橋向5.0 m。墩柱中心距13.8 m(與鋼桁中心距同寬)，墩頂設(shè)置高4 m、長(zhǎng)8.8 m的橫梁。由于橋址處黃河段冬季冰凌現(xiàn)象嚴(yán)重，每年12月初至來年2月底為凌汛期，凌汛期時(shí)間長(zhǎng)。為確保結(jié)構(gòu)安全，橋墩迎水側(cè)設(shè)置三角形的混凝土破冰凌椎體，椎體前端包裹耐候鋼板，椎體頂面高程比冰凌水位高1 m。主墩承臺(tái)均采用矩形承臺(tái)，主墩承臺(tái)長(zhǎng)寬高采用18.95 m×25.2 m×5.0 m，邊墩承臺(tái)采用13.7 m×25.2 m×5.0 m。主墩采用20φ2 m鉆孔摩擦樁，樁長(zhǎng)76～81 m，邊墩采用15φ2 m鉆孔摩擦樁，樁長(zhǎng)65～80 m。

5 抗震設(shè)計(jì)

該橋位于8度區(qū)，地震烈度高，聯(lián)長(zhǎng)大，且墩高較低，根據(jù)地震安評(píng)報(bào)告，橋址區(qū)在多遇地震、設(shè)計(jì)地震、罕遇地震下的特征周期分別為0.45，0.7，0.9 s，結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)顯著。本橋主橋?qū)儆诳缭酱蠼蠛?，且技術(shù)復(fù)雜、修復(fù)困難的特殊結(jié)構(gòu)橋梁。由于本橋結(jié)構(gòu)的特殊性及重要性，要求采用罕遇地震標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)防。

為滿足抗震設(shè)防要求，并節(jié)省工程投資，本橋采用目前最常用的液體黏滯阻尼器來減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。綜合考慮減震效果、阻尼器制作工藝要求，以及減震裝置的布置空間，黏滯阻尼器速度的指數(shù)α均取常用的0.3，阻尼器噸位均為300 t。3×168 m連續(xù)鋼桁柔性拱每個(gè)主墩設(shè)置4個(gè)黏滯阻尼器，阻尼系數(shù)C取4 000 kN/(m/s)0.3；3×168 m連續(xù)鋼桁柔性拱邊墩每個(gè)橋墩處設(shè)置2個(gè)黏滯阻尼器，阻尼系數(shù)C取4 000 kN/(m/s)0.3；1-96 m簡(jiǎn)支鋼桁梁對(duì)應(yīng)每個(gè)橋墩處設(shè)置2個(gè)黏滯阻尼器，阻尼系數(shù)C取3 500 kN/(m/s)0.3。為能同時(shí)控制罕遇地震下結(jié)構(gòu)縱橫向的最大位移，阻尼器與縱橋向成45°角布置。

圖9給出了11號(hào)橋墩墩頂設(shè)置黏滯阻尼器前后，墩梁相對(duì)位移的對(duì)比情況。由圖9可知，設(shè)置阻尼器后很好地控制了結(jié)構(gòu)罕遇地震下的位移，縱向相對(duì)墩梁位移可以控制在15 cm以內(nèi)，減震效果明顯。

圖9 罕遇地震有無阻尼器11號(hào)墩頂墩梁相對(duì)位移對(duì)比

6 主要計(jì)算結(jié)果

6.1 靜力計(jì)算結(jié)果

采用Midas/Civil 2015建立結(jié)構(gòu)的全橋模型，考慮結(jié)構(gòu)施工過程、體系轉(zhuǎn)化、結(jié)構(gòu)次內(nèi)力等各種影響因素，計(jì)算得到主桁桿件的控制應(yīng)力如表3所示。

表3 主桁桿件控制應(yīng)力

由表3可知，桿件各工況的最大應(yīng)力均在允許范圍之內(nèi)，并有一定的安全儲(chǔ)備。主橋采用正交異性鋼橋面，橋面系的檢算為結(jié)構(gòu)的重要計(jì)算內(nèi)容。通過建立空間模型檢算橋面系的強(qiáng)度、穩(wěn)定以及疲勞，橋面系總體檢算結(jié)果如表4所示，橋面各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表4 橋面系總體檢算結(jié)果

6.2 剛度條件

根據(jù)計(jì)算，梁體的豎向撓度52 mm，梁端豎向轉(zhuǎn)角1.92‰，梁體橫向變形1/6 010，均滿足規(guī)范要求。

6.3 動(dòng)力仿真分析結(jié)果

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了車橋耦合動(dòng)力仿真分析，國(guó)產(chǎn)CRH2及CRH2動(dòng)力分散式車組以速度80～300 km/h運(yùn)行時(shí)，橋梁振動(dòng)性能良好，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi)，保證了高速列車的行車安全。CRH2動(dòng)車組以速度80～300 km/h通過3×168 m連續(xù)鋼桁柔性拱橋時(shí)，豎向舒適性均達(dá)到“優(yōu)”，橫向舒適性當(dāng)車速80～225 km/h時(shí)達(dá)到“優(yōu)”，當(dāng)車速250～300 km/h時(shí)達(dá)到“良”。 在CRH3動(dòng)車組以速度80～300 km/h通過時(shí)，動(dòng)車、拖車的豎向和橫向運(yùn)行舒適性均達(dá)到“優(yōu)”。

6.4 吊桿風(fēng)振試驗(yàn)結(jié)果

在西南交大風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行了吊桿風(fēng)振試驗(yàn)。試驗(yàn)顯示，吊桿渦激振動(dòng)最小起振風(fēng)速35 m/s，增大風(fēng)速到17 m/s左右，吊桿模型并未出現(xiàn)馳振現(xiàn)象，吊桿采用八角形截面后，抗風(fēng)穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 鋼梁架設(shè)示意(一)

7 支座設(shè)計(jì)

支座為橋梁的重要傳力構(gòu)件，負(fù)責(zé)將上部結(jié)構(gòu)荷載順利傳遞到橋墩基礎(chǔ)。本橋支座噸位大，為滿足支座承載、傳力、耐久及抗震等眾多技術(shù)要求，對(duì)本橋支座采用了特殊設(shè)計(jì)，支座設(shè)計(jì)中采用了眾多關(guān)鍵技術(shù)。采用的主要關(guān)鍵技術(shù)有：支座的滑板材料采用承載力和磨耗性能優(yōu)異的超高分子量聚乙烯滑板；單向活動(dòng)球型鋼支座上增設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)套；鋼桁拱支座倒置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；鋼桁拱支座抗剪裝置設(shè)計(jì)。

8 螺栓防落設(shè)計(jì)

延遲斷裂是高強(qiáng)度螺栓連接常見病害之一， 這種情況在20世紀(jì)80年代以前建造的鋼橋較為普遍， 在后來的鋼橋建設(shè)中，通過對(duì)高強(qiáng)螺栓的深入研究，高強(qiáng)螺栓斷裂率有明顯下降。然而近年來施工的鋼橋中，高強(qiáng)度螺栓延遲斷裂的現(xiàn)象仍偶有發(fā)生，螺栓斷裂時(shí)會(huì)因?yàn)閺?qiáng)大的崩斷力四處散落，服役期間高強(qiáng)度螺栓的延遲斷裂危及橋梁結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全，尤其是下承式鋼橋的上平縱聯(lián)跨中采用高強(qiáng)螺栓連接時(shí)，此處高強(qiáng)螺栓位于線路中心上方，當(dāng)列車尤其是高速列車通過時(shí)，此處螺栓發(fā)生斷裂掉落會(huì)危及行車安全，造成不可挽救的后果。為減小螺栓斷裂可能對(duì)行車的危害，根據(jù)國(guó)內(nèi)已有的研究成果[15-17]，本橋?qū)ι舷移铰?lián)的螺栓采取了防斷裂措施。具體措施為，平聯(lián)螺栓在滿足受力前提下，預(yù)緊力降低20%使用，M24螺栓的材質(zhì)由常用的20MnTiB改為35VB。

9 鋼梁架設(shè)

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)橋梁，架設(shè)方案不僅會(huì)影響施工工期及施工安全，架設(shè)期間的最大桿件力可能會(huì)對(duì)鋼構(gòu)件的截面尺寸設(shè)計(jì)起控制作用，合理的架設(shè)方案對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也很重要。主橋原設(shè)計(jì)施工工期30個(gè)月，受客觀條件所限，需14個(gè)月施工完成，施工工期極其有限。2016年9月施工進(jìn)場(chǎng)，按照先基礎(chǔ)橋墩后鋼梁的常規(guī)施工方法，即使橋墩按照冬季施工考慮，仍難以滿足工期要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，參考同類橋梁的施工經(jīng)驗(yàn)[18-21]，與建設(shè)各方結(jié)合協(xié)商，提出了連續(xù)鋼桁柔性拱結(jié)構(gòu)每聯(lián)采用多臨時(shí)墩從中間往兩側(cè)懸臂拼裝、96 m簡(jiǎn)支鋼桁滿堂支架的施工方案。兩聯(lián)以同樣的方法同步進(jìn)行，以13號(hào)～16號(hào)墩為例對(duì)施工方案進(jìn)行說明。

便橋施工完成后，先施工14號(hào)與15號(hào)墩之間的拼裝支架鋼管樁基礎(chǔ)，期間主橋的樁基礎(chǔ)與臨時(shí)墩同時(shí)開工建設(shè)。拼裝支架基礎(chǔ)及上部平臺(tái)完成施工后，在平臺(tái)上拼裝4個(gè)節(jié)間的鋼梁平弦。完成后上弦處一側(cè)安裝1臺(tái)架梁吊機(jī)，向左右兩側(cè)懸拼鋼梁平弦，如圖10所示。

鋼梁平弦懸拼通過14與15號(hào)主墩后，增設(shè)1臺(tái)架梁吊機(jī)進(jìn)行中跨拱肋拼裝，原有兩臺(tái)吊機(jī)繼續(xù)向前懸拼鋼梁平弦，如圖11所示。鋼梁平弦完成施工后，3臺(tái)吊機(jī)同時(shí)拼裝邊跨拱肋。連續(xù)鋼桁柔性拱結(jié)構(gòu)施工期間，進(jìn)行96 m簡(jiǎn)支鋼桁的施工。

圖11 鋼梁架設(shè)示意(二)

采用本架設(shè)方案，主橋樁基礎(chǔ)與拼裝平臺(tái)同時(shí)開工，鋼梁懸拼期間進(jìn)行主墩的承臺(tái)及橋墩建設(shè)，橋墩避開了冬季施工，確保了施工質(zhì)量。從中跨向兩側(cè)懸拼作業(yè)，每聯(lián)同時(shí)開了3個(gè)工作面，施工效率高。懸拼作業(yè)一直到邊墩截止，避免了鋼橋合龍問題，降低了現(xiàn)場(chǎng)施工難度。采用本創(chuàng)新性的施工作業(yè)方案，主橋可節(jié)省工期150 d左右。經(jīng)檢算，施工中的最大桿件力小于成橋運(yùn)營(yíng)階段，本施工方案不控制桿件的設(shè)計(jì)?？⒐ず蟮膶?shí)橋照片如圖12所示。

圖12 銀川機(jī)場(chǎng)黃河特大橋主橋?qū)嵕?/p>

10 結(jié)語

銀川機(jī)場(chǎng)黃河特大橋主橋?yàn)榭缭近S河而設(shè)，結(jié)構(gòu)形式新穎，橋址建設(shè)條件特殊，在設(shè)計(jì)上采用了一系列關(guān)鍵技術(shù)，施工上對(duì)工法進(jìn)行了優(yōu)化，為本橋按期保質(zhì)完成建設(shè)打好了基礎(chǔ)。本橋于2016年9月開工，2016年底按照計(jì)劃開始架設(shè)鋼梁， 2017年9月底主體工程竣工。本橋的如期建成為鋼結(jié)構(gòu)橋梁的快速建設(shè)積累豐富的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，也為銀川市的東大門增添了一道亮麗的風(fēng)景線。