【摘要】临猗黄河大桥主桥为（112＋14×128）m＋（14×128＋120）m等高度连续钢箱组合梁桥，最大联长1912m。主梁为整幅长挑臂闭口钢箱组合梁，全宽26m，中心梁高6.0m，标准梁段钢梁顶板宽11.6m、底板宽11.2m，通过外挑横梁和斜撑实现7.5m大悬臂；桥面板采用28cm厚C50混凝土板，设置横向预应力；中支点两侧20m范围内在钢梁底板上浇筑混凝土，形成“双结合”构造，与底板结合后共同承压；桥墩采用矩形变截面薄壁空心墩，最大墩高99m；基础采用钻孔灌注桩基础，最大桩长92m。
采用有限元软件建立该桥整体及局部模型进行结构静力分析；基于CFD数值模拟与风洞试验相结合的方法对主桥结构抗风性能进行研究；运用非线性时程分析法对大桥进行了地震响应分析，结果均满足规范要求。主桥上部结构采用无临时墩顶推法施工，钢梁顶推到位后安装桥面板。
【关键词】连续梁桥；钢箱组合梁；外挑横梁；斜撑；“双结合”构造；受力性能；顶推施工；桥梁设计
1 工程概况
临猗黄河大桥位于山西省运城市，是国家高速公路网G3511济广高速公路菏泽至宝鸡联络线上跨越黄河小北干流禹门口至潼关河段的特大型桥梁。大桥穿越多个生态敏感区，桥位建设条件较复杂，以百米桥高跨越近6km的黄河河道，处于强风、强冲刷、不良地质、强震环境。
1.1 桥位风环境
为获取桥址实际的风场参数，开展了桥位风观测专题研究，桥址现场设立风观测塔，采集到2012年6月～2016年6月共4年的风观测数据。研究表明，桥位基本风速（10m高度、10min平均时距、100年重现期）为29.6m/s，桥面高度处的设计风速为44.8m/s。主梁施工期设计基准风速为39.4m/s。风剖面指数取0.17。
1.2 河道水文
临猗黄河大桥桥址河段河道宽浅，水流散乱，属于强烈堆积的游荡性河道。桥位河道全宽约3.6km，河道纵向河势平缓，纵向比降3.5；滩槽分界不明显，水面宽约1200m，水深小于3m。主河槽最大冲刷水深32m，河滩最大冲刷水深26.8m。河道中桥墩承台顶面要求在现状河床高程4m以下。
1.3工程地质
桥址处地质主要表现为黄河沉降带，地质构造稳定，未见断层。地质钻孔深度150m，除陕西岸侧在100m深度以下存在少量泥岩、砂岩，大部分地层未见基岩。河道表层覆盖可液化细砂层，液化深度为9.5～20m，其下为粉质黏土层。阶地表层为湿陷性粉土，具有负摩阻效应。
1.4地震
桥址区属于Ⅲ类场地，设计基本地震加速度0.15g，地震基本烈度Ⅶ度。由于场地覆盖土层较厚，地震反应放大效应十分显著，E2地震工况下场地特征周期最大达1.3s，远大于按规范查取周期0.55s，导致反应谱峰值平台段延长，谱值下降段不仅出现较晚而且下降缓慢。
专题研究表明：河道场地E2安评谱1s以后的长周期谱值大致相当于基本地震动峰值加速度0.15g标准谱谱值的2倍，基本地震动峰值加速度0.2g标准谱谱值的1.5倍，与基本地震动峰值加速度0.4g标准谱谱值基本相当。
1.5生态敏感区
大桥穿越2个省级湿地保护区和2个国家级水产资源保护区。4个保护区相互叠加，总长为河道范围。环保要求黄河大桥防撞护栏上方加装不透光材质的双侧声屏障，设置范围为河道内桥梁。
2 方案比选
结合主桥跨径、施工方法及断面形式设计构思，综合考虑施工可行性、运营管养、经济性等因素，对桥梁方案进行比选。
在约3.6km宽的黄河河道段该桥平均高度97.5m，最大高度110m。河道主桥跨径主要考虑以下内容：
①规划通航Ⅳ（3）级通航净宽最小90m；
②防洪要求主河槽孔跨不应小于100m；
③地质条件差、冲刷深度大，较大跨径有利于减少基础规模；
④地震强度高、抗风难度大，较小跨径有利于抗震、抗风。该桥初步拟定重点研究跨径100～300m的桥梁方案。
施工方法的选择对该桥方案拟定影响较大，尤其上部结构施工方法关系到跨径、桥型、材质等设计。该桥桥位高、两岸相距远、桥下不通航是限制施工方法选择的主要因素。经初步分析，悬臂现浇、悬臂拼装和顶推法的可行性相对较高。
大桥高墩数量多，下部结构工程规模占比大，整幅式断面对减少下部结构工程规模十分有效，桥梁断面布置以整幅墩、整幅梁为优先原则。
综上研究，该桥可行的桥梁方案有等高度连续钢箱组合梁桥（方案1）、整幅式连续刚构桥（方案2）、连续钢桁梁桥（方案3）、工字钢组合梁独塔斜拉桥（方案4）。桥梁方案效果图如图1所示，桥梁方案综合对比如表1所示。
图1 桥梁方案效果图
表1 桥梁方案综合对比
由表1可知：4种方案的桥型均为技术成熟的桥型，桥梁长度基本相当，各施工方法相对成熟。
方案2边跨不满足100m跨径要求。
方案1～3对环境较友好，方案4对敏感区鸟类栖息、迁徙有一定影响，但景观效果好。各方案工期均在可控范围内，方案2～4采用悬臂施工，工期较短；方案1顶推施工里程长，工期相对较长。
对比钢结构桥型的方案1、3、4，方案1的经济性明显优于其它方案，且采用耐候钢后期维护成本低，降低了桥梁运营对环境的影响；
方案2较方案1突出的优点是造价低、养护量少，主要缺点是边中跨比小，跨径布设协调性差、高空悬浇施工安全风险较大，质量控制困难，下部基础建安费造价高，桩基承载效率低。
经综合比较，方案1具有材质均匀、质量稳定、易于工厂化制造、装配化施工、便于回收利用等优点，且连续钢箱组合梁结构材料利用率高，造价适中，同时满足河道防洪、通航及环保要求，该桥最终采用方案1。
3 总体设计
该桥采用双向4车道高速公路标准设计，设计速度100km/h，桥面全宽26m。
主桥为（112＋14×128）m＋（14×128＋120）m等高度连续钢箱组合梁桥（见图2），共分2联，最大联长1912m；山西侧引桥采用40×40m预应力混凝土连续T梁，桥梁全长5427m。
主桥平面为直线，纵向为1.3％的单坡。桥面横坡为双向2％，设计洪水频率1/300。
图2 临猗黄河大桥总体布置
3.1 主梁
主梁为整幅长挑臂闭口钢箱组合梁，桥面全宽26m，钢梁底板宽11.2m（含定位点外伸10cm）、中心高6m，通过设置外挑横梁和方钢斜撑，辅助桥面板实现7.5m大悬臂。
钢梁采用Q420qDNH免涂装耐候钢，标准梁段顶板宽11.6m，中支点梁段顶板宽12.6m，顶板厚16～60mm，腹板厚24～48mm，底板宽11.2m、板厚20～60mm。
顶板加劲肋形式按照受力大小分区段设置U肋、U肋间插板肋、密布板肋3种形式；底板肋形式按照受力大小分区段设置U肋、板肋2种形式；腹板布置4道T形纵向肋。
除支点断面采用实腹式隔板外，其余均采用桁式隔板。
中支点两侧20m范围内，在钢梁底板上浇筑40～60cm厚C50微膨胀混凝土，通过底板纵向加劲肋开孔连接形成“双结合”构造，充分发挥混凝土的抗压优势。
底板混凝土作为结构构件直接参与受力，有效降低钢箱梁底板压应力，减小钢板厚度；对底板进行局部约束，提高钢箱梁局部抗屈曲能力。
梁底板纵向加劲肋开孔穿入横向钢筋，形成剪力键，同时在底板和腹板相应位置焊剪力钉，保证混凝土与钢梁底板间的连接性能。
混凝土桥面板厚28cm，采用C50混凝土，设置横向预应力以改善横向受力。横向两侧外悬臂部分为预制板，中间范围内为现浇板。混凝土桥面板与钢梁之间通过布置于钢梁顶面的圆柱头焊钉连接。
主梁典型横断面如图3所示。
图3 主梁典型横断面
3.2 下部结构及支撑体系
桥墩采用矩形变截面空心薄壁墩，墩高53～99m，墩顶设置2.5m的实心段。为便于检查车通过，墩顶设置2m深槽口，槽口顶宽3.6m、底宽2m。
结合景观效果及合理受力需求，桥墩下段采用变截面形式，距墩顶9m处开始纵、横向坡率均为50:1；中段6.5m高度范围内截面尺寸采用直线渐变。墩身迎水面设置破冰体。
承台为矩形整体式结构，厚5m，下设24根φ2m钻孔灌注桩，最大桩长92m。为防止黄河泥沙冲刷桩基，在桩顶20m长度范围设永久性钢护筒。
主桥采用摩擦摆式减隔震支座，墩顶布置2个支座，每联中间4个桥墩设置固定支座，其余均为纵向滑动支座，位移量同时满足运营状态和地震2种工况的需求。利用摩擦摆减隔震支座大幅降低下部结构和基础的地震效应，减小了下部结构尤其是基础工程量。
4 主桥结构性能分析4.1静力性能
为全面了解桥梁结构的静力性能，检算结构在施工、运营过程中的整体安全性，采用MIDASCivil和FEA软件建立全桥空间有限元模型。全桥结构采用梁单元建模，组合梁截面采用双梁模型分别模拟混凝土板和钢箱梁。桩底采用固结约束，墩梁支座位置采用自由度耦合并释放转动自由度模拟，桥台位置仅约束竖向以及面外转动方向的自由度。为简化计算，整体计算建立两联模型。
由计算结果可知：
（1）考虑支点剪力滞效应，钢梁上翼缘最大拉应力259.7MPa（支点位置）、最大压应力233.8MPa（边跨跨中）；下翼缘最大拉应力212.3MPa（边跨跨中）、最大压应力274.7MPa（支点位置），应力指标均小于Q420qDNH抗拉强度设计值305MPa，钢梁承载力满足规范要求。
（2）车道荷载引起最大挠度在128m边跨跨中位置，最大挠度值为0.049m，小于规范规定限值128m/500＝0.256m。
（3）钢梁翼缘采用疲劳荷载模型Ⅰ进行疲劳验算，最大疲劳应力幅12MPa，小于规范考虑抗力分项系数折减应力幅38.2MPa；桁架式横隔板撑杆采用疲劳荷载模型Ⅲ对撑杆位置进行疲劳验算，最大疲劳应力幅15.63MPa，小于规范折减应力幅44.4MPa（疲劳细节类别选择70MPa作为钢箱梁疲劳等级）。
（4）顶推施工过程中，考虑剪力滞效应折减系数和局部稳定折减，钢梁上缘最大应力104MPa、下缘最大应力98.3MPa，均小于规范限值0.8fd＝244MPa（fd为钢材抗拉强度设计值）；顶推施工过程中，钢箱梁腹板稳定安全系数均大于1，腹板稳定性满足规范要求。
（5）基本组合下，桥面板顺桥向最大组合应力10.71MPa，小于C50混凝土轴心抗压强度设计值22.4MPa；横桥向最大弯矩值52.41kN·m，小于横向配筋截面承载力313.55kN·m，桥面板承载力满足规范要求。
桥面板最大裂缝宽度0.152mm，小于规范限值0.2mm。混凝土桥面板横向按A类构件验算，频遇组合下桥面板横向最大应力－0.617MPa［见图4（a）］，小于规范限值0.7ftk＝1.855MPa（ftk为混凝土抗拉强度标准值），桥面板主拉应力－1.267MPa［见图4（b）］，小于规范限值0.5ftk＝1.325MPa；准永久组合下桥面板横向最大应力－1.068MPa，小于规范限值0。
图4 桥面板内力计算结果
4.2抗风性能
利用风观测实测数据，采用CFD数值模拟与风洞试验相结合的方法，对主桥结构抗风性能进行研究。主梁节段模型风洞试验如图5所示。
图5 主梁节段模型风洞试验
主梁断面节段模型测振试验结果如表2所示。
表2 主梁断面节段模型测振试验结果
由表2可知：主梁在风攻角分别为0°、±3°时，成桥状态组合梁断面颤振临界风速大于颤振检验风速69.6m/s，施工状态颤振临界风速大于颤振检验风速61.2m/s，颤振稳定性均满足规范要求。成桥状态主梁振动位移响应如图6所示。
图6 成桥状态主梁振动位移响应
由图6可知：当风攻角分别为0°、±3°时，在试验风速范围内，主梁断面成桥状态未观测到明显的驰振现象，主梁断面驰振稳定性满足规范要求。在试验风速范围内，主梁断面施工状态未观测到明显的驰振现象。
4.3 抗震性能
按照《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T2231－01—2020）关于规则桥梁的定义，该桥不在限定范围内，属于非规则桥梁，设置了减隔震支座。
考虑地基土液化和冲刷影响，地震动输入基准面为河床面下20m处。采用非线性时程分析法对大桥进行了地震响应分析。
结果表明：在设计地震作用下，结构振动基频合理，振动模态符合桥梁基本振动形态；顺桥向地震＋竖向地震与横桥向地震＋竖向地震两种工况下，墩柱、桩基处于完全弹性状态，结构受力满足抗震性能目标要求。
5 顶推施工方案
钢梁采用步履式顶推工艺，无临时墩辅助。
在山西、陕西侧各设置1座钢梁拼装场，单元件运输至现场后，使用龙门吊机吊至顶推平台进行拼装定位、梁段接长施工。
在山西、陕西侧各设置1处顶推平台，山西侧顶推平台位于引桥段37～40号墩位置，平台长109m；陕西侧顶推平台位于主桥69号墩与合铜高速路基之间，平台长137m。
钢梁拼装至一定长度，加装导梁和吊索塔架对向顶推，第1联顶推长度为1904m，第2联顶推长度为1912m。
在55号墩处设置导梁拆除支架，钢梁顶推到位后利用塔吊进行导梁拆除。钢梁顶推到位后，落梁至设计标高，浇筑中支点底板混凝土，架设预制桥面板。现浇桥面板先浇筑正弯矩区域，待混凝土强度达到设计要求后，再浇筑负弯矩区域。主梁顶推施工布置如图7所示。
图7 主梁顶推施工布置
6 结语
针对强风、强冲刷、不良地质、强震等多种不利建设条件，临猗黄河大桥采用大跨长挑臂闭口钢箱组合梁，利用受压斜撑支撑桥面板以减少钢箱梁腹板数量，提高了钢材利用率；中支点两侧底板浇筑混凝土形成“双结合”构造，作为结构构件参与受力，有效降低了底板压应力。主桥结构静力性能、抗震性能、抗风性能均满足要求。
本文转自《世界桥梁》——临猗黄河大桥总体设计，作者韩锋，杨华
