金 令,徐升橋,鄒永偉,高靜青

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 工程概況

河北省懷來縣城市道路工程(沙城-東花園)，是連接沙城與東花園的主要通道之一，是懷來縣城市道路網基礎設施的重要組成部分。道路起點位于G110國道，下穿京包鐵路，跨越官廳水庫，下穿京張鐵路，與康祁公路相接，全長8.418 km。官廳水庫特大橋是其控制性工程，大橋跨越官廳水庫，橋位距上游京包鐵路橋[1]70 m，距下游京藏高速公路橋[2]1 750 m、京張高鐵鐵路橋[3]1 680 m，幾座橋梁走向基本一致，見圖1。

圖1 官廳水庫橋位示意

官廳水庫是新中國成立后建設的第一座大型水庫，屬永定河水系，目前為北京市備用水源地，一級水源保護區(qū)[4]，國家濕地公園。庫區(qū)周圍環(huán)境優(yōu)美，為京西旅游景點，2019年位于水庫東北角的延慶曾舉辦世界園藝博覽會。

2 工程技術特點與創(chuàng)新

官廳水庫特大橋是懷來城市道路的控制性工程，連接了水庫兩岸北京與張家口兩市，是我國北方地區(qū)中少有的大型地錨懸索橋，該工程具有以下技術特點。

(1)官廳水庫為一級水源保護地，環(huán)境保護要求極高。

(2)橋址位于旅游區(qū)，國家濕地公園內，曾舉辦過世園會，對橋梁景觀有著高要求。

(3)地處峽谷平湖，橋址環(huán)境多風沙。

(4)作為懷來城市道路工程，由縣級政府投資建設、運營管理。

在橋梁設計過程中，圍繞這些工程特點開展了研究和技術創(chuàng)新。

(1)加勁梁鋼結構創(chuàng)新應用免涂裝耐候鋼，避免了油漆涂裝施工和維修對水庫水體的污染。

(2)采用新型多縱梁抗風主梁，利用多片縱梁作為穩(wěn)定板，既改善了結構的抗風特性，又提高了主梁的復合承載能力。

(3)為避免初期橋面雨水和意外泄露的污染物污染水質，采用長壽命設計的新型橋面雨水收集系統(tǒng)。

(4)考慮到縣一級政府的養(yǎng)護維修力量和資金有限，針對性開展了低維護設計，著力降低鋼結構和橋面鋪裝的維護保養(yǎng)頻次。

3 主要技術標準

(1)道路等級：城市主干路；

(2)設計行車速度：60 km/h；

(3)橫斷面布置：雙向四車道，兩側設置非機動車道、人行道；預留雙向六車道；

(4)設計荷載：汽車荷載—城-A級，非機動車與人群荷載按CJJ11-2011《城市橋梁設計規(guī)范》取值；

(5)設計基準期：100年；

(6)設計洪水頻率：300年一遇；

(7)抗震設防標準：地震基本烈度8度；地震動峰值加速度0.2g；

(8)設計基本風速：標準高度10 m，平均時距10 min，重現期100年，設計基本風速為V10=26.3 m/s。

4 總體設計

4.1 總體設計

官廳水庫特大橋與既有京包鐵路并行跨越官廳水庫，一跨跨越官廳水庫水面，橋梁全長1 988 m。大橋分為單跨懸索橋主橋、兩岸引橋，見圖2。

枯水期水庫水面寬度650 m，將2個主塔墩置于岸上減少基礎施工對水環(huán)境的影響，據此確定主橋跨度為720 m。橋型方案為單跨雙鉸懸索橋，主纜跨徑為(210+720+210) m，橋面總寬33.6 m；在設計成橋狀態(tài)下，中跨理論矢跨比為1/9.5；全橋共2根主纜，主纜橫向間距為25.8 m，吊索縱向間距15 m；邊跨無吊索；主塔高107.8 m，主塔基礎采用鉆孔灌注樁；錨碇采用重力式沉井基礎[5]。

圖2 主橋立面布置(單位：m)

南北岸引橋各布置7聯(lián)3×30 m預應力混凝土連續(xù)小箱梁，橋面寬度30.5 m，梁高1.6 m，每孔由10片小箱梁組成，橋墩采用雙柱式橋墩，基礎采用鉆孔灌注樁基礎，兩岸引橋總長1 268 m。

4.2 橋面布置

所屬道路為城市主干路，雙向四車道，行車道布置為2×(3.5+3.75) m，預留六車道通行條件。橋面兩側防撞護欄外緣間距25 m，中央分隔帶寬1.0 m，行車道與非機動車道之間不設固定護欄，兩側防撞護欄外側設2.5 m人行道，人行道下布置線纜槽。

橋面總寬33.6 m，吊桿橫向間距25.8 m，橋面鋪裝采用50 mm厚改性瀝青SMA-13+熱灑布改性瀝青防水黏結層[6]，橋面布置兼顧近期及遠期，具體見圖3。

圖3 橋面布置(近期)(單位：cm)

5 結構設計

5.1 主塔

主塔采用鋼筋混凝土框架結構，南北主塔結構一致，塔柱全高(從塔座頂至鞍座底)107.8 m，分別由上、中、下塔柱及上、下橫梁組成。

索塔橫橋向為門式框架結構，兩塔柱間的橫向中心距，塔頂為25.8 m，塔底為39.60 m，橫向呈1∶15.623的坡度。塔柱為箱形截面，對下塔柱截面進行了特殊設計，將外緣截面過渡為三角形(壁厚從邊緣向中間逐漸加厚)而形成六邊形截面；上、中塔柱為了減小風阻系數、抗震性能及景觀效果，截面四周切60 cm×60 cm的直角。

塔柱為鋼筋混凝土結構，塔柱頂截面6.5 m×4.5 m，塔底截面8.5 m×6.1 m，壁厚1.2～2 m，在交界部位一定范圍內壁厚逐漸加厚。上、下橫梁為預應力混凝土結構。下橫梁高7 m，橫橋向長32.08 m，順橋向寬6.6 m，頂、底、腹板厚度均為0.8 m。上橫梁橫向設置為下置K形，高度由中間的5 m向兩側漸變至8 m，橫橋向長約21.6 m，順橋向寬5.1 m，采用單箱單室截面，頂、底、腹板厚度均為0.8 m。具體構造見圖4。

圖4 主塔構造(單位：cm)

主塔基礎采用分離式，每個塔柱對應1個承臺，每個承臺平面尺寸為22.2 m×19.8 m，承臺厚5 m，每個承臺設23根直徑1.8 m鉆孔灌注樁；承臺與塔柱之間設塔座，塔座高度為3 m。

5.2 加勁梁

本橋對兩種加勁梁方案進行了比選，以確定主橋加勁梁推薦方案，一種是常規(guī)的扁平鋼箱梁，另一種是鋼—混組合結構加勁梁。

(1)鋼箱梁方案(圖5)

加勁梁采用扁平鋼箱梁，單箱多室截面，中心處梁高3.0 m，頂底板采用正交異形板，為封閉式箱體結構。為保證結構受力，沿吊索位置設有縱向腹板。橋面采用6 cm厚環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝[7]。

主梁標準節(jié)段長15 m，箱體總寬33.6 m，吊索橫橋向間距25.8 m?？v橋向每隔3 m設置1道橫隔板，端部特殊節(jié)段橫隔板間距2.3 m。正交異性鋼橋面頂板厚12 mm，縱向加勁肋采用U形肋，橋面設2%雙向橫坡，通過箱體橫截面變化實現。

加勁梁為單跨簡支結構。在主塔下橫梁頂設置橫向擋塊及阻尼器以抵抗風力和地震力的作用[8]。

圖5 鋼箱梁橫斷面

(2)鋼-混組合結構方案(圖6)

加勁梁采用由鋼縱橫梁—混凝土橋面板組合成的結合梁，中心梁高3.03 m，頂板為20 cm厚鋼筋混凝土板，支撐結構由鋼主梁和鋼橫梁組成，其中鋼主梁高2.477 m，橫梁高2.735 m(跨中)[9]。橋面鋪裝為5 cm厚SMA-13改性瀝青混凝土，單層結構。

主梁標準節(jié)段長15 m，對應吊索位置設兩片主梁，中心距為25.8 m。吊索錨點設在主梁腹板正上方，兩錨點之間設有加強橫梁?？v橋向每隔3 m設置1道普通橫梁，端部特殊節(jié)段橫梁間距2.3 m，除端橫梁采用箱形截面外，其余橫梁均采用工字形截面，橋面橫坡通過變化橫梁梁高實現。

由于組合梁為開放式截面風穩(wěn)性能較弱，需要設置額外的抗風措施，而地方政府希望盡可能減少橋面以上抗風設施以便運營維護，為此專門設計了兩道縱梁兼做梁底穩(wěn)定板的加勁梁型，配合主梁外側的風嘴，滿足了結構的抗風性能要求，也提高了主梁的復合承載能力，同時養(yǎng)護的需求降低了。

混凝土橋面板全寬為25.0 m，鋼筋混凝土結構。預制橋面板上橋前存放6個月以減少收縮徐變，后澆帶部分通過剪力釘與鋼格子梁結合后共同受力[10]。

圖6 鋼-混組合梁橫斷面

吊索與加勁梁的連接通常有錨后承壓式和吊耳銷接式兩種。錨后承壓式需將吊索錨點設置在加勁梁的內部，由于結構空間的限制，吊索的安裝及維護較為困難。吊耳銷接式在加勁梁頂面上設置耳板，通過銷軸與吊索叉耳連接，便于安裝和維護。本橋兩種加勁梁方案均采用吊耳銷接方式，在吊索位置縱向隔板(鋼箱梁方案)/鋼主梁(組合梁方案)穿過頂板形成吊耳，作為吊索錨點。每處吊點設有2個備用銷孔，以方便吊索的安裝和更換。吊索錨點構造見圖7。

圖7 吊索錨點構造(單位：mm)

(3)加勁梁方案比選

兩種方案技術上均可行，組合梁比鋼箱梁結構自重增加約33%，會造成下部結構與纜索費用增加，但節(jié)約加勁梁用鋼3 000余t，經測算總體造價相當。然而，鋼箱梁方案采用的環(huán)氧瀝青鋪裝，造價約3 500萬元；若采用結合梁方案，橋面鋪裝采用SMA改性瀝青即可，造價約1 000萬元。目前，國內鋼橋面的瀝青鋪裝普遍壽命較短[11]，相比組合梁方案的橋面鋪裝耐久性更好、重鋪次數更少，且SMA單次鋪裝費用遠較環(huán)氧瀝青低，估算在橋梁壽命期內僅橋面鋪裝后期維護費用一項，組合梁方案僅為鋼箱梁方案的1/5，維修量預計約為1/2。通過綜合考慮，兩種方案雖然造價相當，結合梁方案運營期維護費用低，同時可基本避免鋼箱梁正交異形板病害隱患，因此采用結合梁方案為推薦方案。

(4)耐候鋼應用

鋼材的腐蝕是影響鋼結構橋梁壽命的主要因素。為了防止鋼材的腐蝕，需要對鋼橋表面涂覆防護涂層，不但耗費資金，同時會產生較大污染。由于涂層壽命有限，還需定期清理銹跡和舊涂層，用新的涂層替代，這將不可避免對周圍環(huán)境和水體產生污染。耐候鋼，即耐大氣腐蝕鋼，是指含少量合金元素在大氣中具有良好耐蝕性的一類低合金高強度鋼，主要合金元素有Cu、P、Cr、Ni、Si、Mn、V、RE等。耐候鋼在使用過程中表面會逐步形成一層致密的、附著牢固的腐蝕產物保護膜，阻止大氣中的氧、水及其他腐蝕性介質對基體進一步腐蝕，其耐蝕性是普通碳素鋼的4～8倍[12-13]，并且由于其具有較高強度，且價格遠較不銹鋼合理。由于官廳水庫為北京市備用水源，應在建設及日后維護期間考慮盡可能減少對水源保護區(qū)的污染、保護環(huán)境，同時減輕縣級管理機構后期運營養(yǎng)護壓力。結合較為干燥清潔的使用環(huán)境，本橋加勁梁著重研究了免涂裝高性能耐候橋梁鋼技術路線，認為可行。經濟分析顯示雖然初期建設費用采用耐候鋼增加約600萬元，但與普通低合金橋梁鋼+涂裝相比，省去了后期涂裝維護費用4 000余萬元，節(jié)約了全壽命周期成本，有利于節(jié)能減排，最終選擇Q345qENH耐候鋼，免涂裝使用，耐大氣腐蝕指數I≥6.0，鋼板以TMCP狀態(tài)交貨，焊接敏感性指數Pcm≤0.20。為減少初期銹水、使外觀均勻，耐候鋼外露表面要求預先進行銹層穩(wěn)定化處理[14]。見圖8。

圖8 現場灑水處理后的免涂裝耐候鋼加勁梁節(jié)段

5.3 主纜

全橋共2根主纜，預制平行索股，每根主纜由91根索股組成，采用PPWS法施工。每束索股由127根φ5.25 mm的平行高強鋼絲組成，鋼絲標準抗拉強度1 770 MPa，主纜截面如圖9所示。

圖9 主纜截面(單位：mm)

由于本方案主梁采用鋼-混凝土結合梁，與鋼箱梁主梁相比，結合梁主梁結構自重較大，結構恒活比大，因而主纜應力驗算安全系數取值應根據實際情況，在參考國內外的工程實例的基礎上予以調整，以體現經濟適用的設計原則。下面對本方案主纜應力驗算安全系數取值作一簡要論述。

式中σb——主纜鋼絲公稱抗拉強度，MPa；

σ——主纜鋼絲計算應力，MPa。

該取值是參考國內、外實橋采用值，結合我國設計、施工的實際情況規(guī)定的[15-16]。設計者亦可根據鍍鋅鋼絲的抗拉強度、活載拉力的比重等因素及橋梁結構設計的實際狀況，選用合理可靠的安全系數。表1列出國內外多座懸索橋主纜安全系數值。

表1 已建橋梁主纜強度安全系數

綜合考慮，本橋主纜安全系數取值為2.5。

5.4 吊索系統(tǒng)

目前，吊索主要有鋼絲繩吊索和平行鋼絲吊索兩種，二者應用都較成熟。隨著預制平行拉索技術的不斷進步，采用平行鋼絲吊索具有強度高、吊索截面小、防腐性能好、與主梁的連接構造簡單等優(yōu)勢，因而吊索采用高強平行鋼絲。

吊索縱向間距15 m，橫向間距25.8 m，每個吊點均設置2根吊索；吊索采用銷接式，吊索上端通過耳板與索夾連接，下端通過叉形耳板與主梁上的錨板連接。吊索采用預制平行鋼絲束，鋼絲束外擠包雙互層PE進行防護，鋼絲采用直徑為5 mm的鍍鋅高強鋼絲，鋼絲標準抗拉強度不小于1770 MPa，每根吊索139絲。吊索構造見圖10。

5.5 索鞍

(1)主索鞍

為支承主纜并將主纜所受豎向力傳給主塔，主塔塔頂設有鞍座，鞍座采用鑄焊組合形式[17-18]。為方便索股定位及傳力需要，在鞍槽壁與隔墻之間、隔墻與隔墻之間設置豎向隔片，在索股全部就位后并調股后，在頂部用鋅塊填平，再將鞍槽側壁用螺桿夾緊。為減輕運輸吊裝重量，施工時將中塔主鞍鞍體分成兩半，吊至塔頂后用高強螺栓拼接起來。

塔頂主鞍座預偏量1.025 m，設置預偏頂推臨時裝置。主塔索鞍構造如圖11所示。

圖10 吊索構造

圖11 主塔索鞍構造(單位：mm)

(2)散索鞍

為便于主纜錨固，主纜于錨碇前設置起支承轉向作用的散索裝置。國內外常見的散索裝置有兩種：散索鞍和散索套，二者均有較成熟的技術。當主纜在散開過程中需要向下轉角時，常采用散索鞍，否則可直接采用散索套。相對于散索鞍，散索套工程量小，制造加工相對簡單，維護工作量少，工程造價相對節(jié)省。本方案由于主纜入錨時需要轉角，采用散索鞍結構。散索鞍如圖12所示。

5.6 主纜錨固系統(tǒng)

目前，主纜常用的錨固體系有鋼支架體系[19]及預應力體系[20]兩種。

鋼支架錨固體系：錨固系統(tǒng)采用雙股錨和單股錨相結合，錨桿均為焊接H形鋼制桿件(單束錨桿前端過渡為箱形)，錨桿上端伸出錨體混凝土外，與主纜索股相連，下端與錨梁連接，錨梁則埋在錨體混凝土的后端。為保證鋼支架定位準確，施工時需在錨體內設置鋼結構定位架。

預應力鋼絞線錨固體系：主纜絲股與錨體前面的鋼制拉桿相連，拉桿通過連接平板、連接套筒及預應力鋼絞線錨固在錨體上。錨固系統(tǒng)采用雙股錨和單股錨相結合，鋼絞線采用環(huán)氧鋼絞線，采用真空壓漿技術，保證壓漿的密實性。

兩種錨固體系受力均較為明確，施工難度不大，工程造價也相差不大，但是預應力鋼絞線錨固體系是采用夾片錨固方式，使用壽命有限，后期需要更換，更換的難度較大，費用也較高，而鋼支架錨固體系為全壽命設計，后期不需要更換，養(yǎng)護維修費用低，因而推薦采用鋼支架錨固體系。具體構造見圖13。

圖12 散索鞍構造(單位：mm)

圖13 主纜錨固系統(tǒng)構造(單位：cm)

5.7 錨碇

錨體在平面上呈K形，尾部橫橋向寬55 m，前端分離，錨體順橋向全長50.051 m。在錨塊和壓重塊之間設置有1.5 m寬的后澆段，錨塊和鞍部之間設置有1.5 m寬的后澆段，后澆段內用微膨脹混凝土澆筑。室側墻厚70 cm，前墻厚50 cm，錨室頂蓋板厚20 cm。錨體外側及后端設置有裝飾塊，其與錨體主體結構澆筑為一體。構造見圖14。

圖14 錨碇構造(單位：cm)

根據錨碇區(qū)的地質情況，錨碇基礎選擇采用沉井基礎。沉井采用矩形結構，錨碇沉井鋼筋混凝土沉井平面分為16個井孔，底節(jié)沉井設鋼刃腳。南北錨碇沉井縱橋向長度50 m，橫橋向寬度56 m；錨碇沉井井壁與隔墻間的倒角為1.5 m×1.5 m，隔墻與隔墻間的倒角為0.6 m×0.6 m。沉井頂板厚6～10 m；封底混凝土厚6 m；為保證沉井結構受力合理，遠離主橋側8個隔艙填充C20混凝土壓重。具體構造見圖15。

圖15 沉井基礎構造(單位：cm)

北錨碇選擇粗砂層為持力層，沉井基礎埋深32 m，沉井基底高程為443.3 m。南錨碇持力層為卵石土層，沉井基礎埋深33 m，沉井基底高程為442.3 m。沉井頂面高程為475.3 m。

6 結語

官廳水庫特大橋是目前我國華北地區(qū)最大跨度的地錨懸索橋，針對橋址環(huán)境和工程特點進行了大量設計研究和科研攻關，在耐候鋼應用、加勁梁結構、雨水與污染物處理等方面開展了多項技術創(chuàng)新。大橋設計充分關注橋梁景觀融入環(huán)境，最大限度減輕了大橋建造與運營養(yǎng)護對一級水源地的污染，同時考慮縣一級的養(yǎng)護維修力量盡可能采用低維護設計。免涂裝耐候橋梁鋼在該橋的廣泛應用，將有力推動耐候鋼技術在國內橋梁領域的發(fā)展，對北方地區(qū)同類橋梁建設具有借鑒意義。官廳水庫特大橋主橋已于2019年貫通，于2020年通車。本橋的建設將大大改善懷來城區(qū)和東花園之間的交通狀況，使懷來與北京的聯(lián)系更加緊密，促進懷來經濟文化發(fā)展。