银西高铁银川机场黄河特大桥主桥总体设计

康 炜

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 工程概况

银川机场黄河特大桥处于银川至西安高铁银川至吴忠段，位于银川市东南方向、银川河东机场西侧，为跨黄河、京藏高速公路等道路及灌溉渠而设，为银西线重点控制性工程。桥址距离机场不到2 km，处于银川市的门户地带，是银川对外展示城市新形象的窗口。

桥梁全长13 814 m，其中主桥长度1 200 m，孔跨布置为1孔96 m简支钢桁梁+2联(3×168) m连续钢桁柔性拱+1孔96 m简支钢桁梁，平立面布置分别如图1、图2所示。

图1 主桥桥址平面(单位：cm)

图2 主桥立面布置 (单位：cm)

桥址区覆盖第四系地层，厚度大于120 m。黄河河谷区以细颗粒冲积层为主，地层上部主要为第四系全新统冲积的粉质黏土、粉土、粉砂、细砂，下部为上更新统冲积的粉质黏土、粉土、粉砂、细砂，局部夹细圆砾土、粗圆砾土透镜体。大桥设计基本风速14.3 m/s。桥址处地震烈度8度，设计动峰值加速度0.2g，特征周期0.7 s。桥址属西北寒冷地区，极端最低气温-23.7 ℃，桥址处凌汛水位高，冬季冰凌现象严重，持续时间长。

桥梁设计活载为ZK活载，设计时速250 km，双线有砟轨道，线间距4.6 m。本桥在高铁中首次采用了3孔一联等跨连续钢桁柔性拱结构，主桥最显著的特点为采用3孔一联等跨度连续钢桁柔性拱结构，主河槽多跨等跨布置满足了防洪要求，很好地适应了黄河主槽位置经常发生左右摆动的情况。主桥中墩处采用了V撑加劲，而目前国内建成的大跨度钢桁柔性拱结构均为主跨加拱、边跨为平行弦钢桁结构[1-5]。

2 孔跨及桥式方案选择

防洪评价结果显示：桥位与主河道应保持正交，在主河槽范围内桥梁跨径需加大至120 m以上。桥位处主河槽宽度约1 200 m，根据现场具体情况综合考虑主桥的孔跨布置为1-96 m+6×168 m+1-96 m。

由于桥址处地震烈度高、场地地质条件差，且存在地震液化，桥梁宜采用自重较小的钢结构。适用于3×168 m的钢结构形式主要有4种：平行弦连续钢桁梁，变高弦连续钢桁梁，平行弦连续钢桁梁加拱，加劲弦连续钢桁梁加拱(中支点处设V撑变高)。对4种桥式方案进行了比选分析，分析结果如表1所示。根据比选结果本桥主跨推荐采用加劲弦连续钢桁梁加拱的结构形式，即采用连续钢桁柔性拱并在中墩处采用V撑加劲的结构。

表1 主桥桥式方案比选

3 上部结构设计

3.1 整体构造

3×168 m连续钢桁柔性拱结构，主桁采用华伦桁式，计算跨度3×168 m，全长506 m，桁高12.8 m，节间长度11，12 m。拱肋采用二次抛物线线形，矢高受河东机场净空所限采用28 m(上弦以上)，矢跨比1/4.714。上弦及拱肋设置纵向联结系，横桥向每隔22～24 m设置1道横向联接系。为加大结构刚度，减小主梁分担弯矩，在中墩设置加劲V撑，加劲V撑高14 m，结构立面构造如图3所示。

图3 连续钢桁柔性拱结构立面构造(单位：mm)

1-96 m简支钢桁梁，为平行弦华伦桁下承式结构，计算跨度96 m，全长97.4 m，桁高12.8 m，节间长12 m，结构立面构造如图4所示。

图4 简支钢桁梁立面(单位：mm)

3.2 桥面布置

桥面系采用正交异性板钢桥面，纵向设置U形加劲肋及板式加劲肋，横向除端横梁采用箱形横梁外，余均采用倒T形横梁及横肋。结构横断面如图5所示。

图5 钢桁梁结构横断面(单位：mm)

3.3 主桁构造

主桁杆件主要采用箱形，个别受力较小杆件采用H形。主桁、桥面板及横梁均采用Q370qE钢材，桥门架及联结系采用Q345qE钢材。杆件具体尺寸如表2所示。

3.4 桥面铺装

钢桥面板与道砟之间采用轻质垫层体系，其组成为甲基丙烯酸甲酯(MMA)高性能防水体系及厚度为60 mm的CAP高粘着轻质保护垫层，立面铺设如图6所示。2.4 mm厚的MMA树脂防水体系由下到上由底涂、防水层、有色陶瓷颗粒硬骨料防滑层组成，见图7。

3.5 吊杆设计

一联连续钢桁柔性拱结构共设62根吊杆，吊杆间距边跨11 m、中跨12 m，采用刚性吊杆，与上弦及拱肋采用外拼式螺栓连接。为消除可能出现的吊杆风振危害，参考国内的研究成果[6-14]，吊杆截面采用八角形截面，截面内宽1 000 mm、高800 mm，切角为200 mm×200 mm(图8)。

表2 杆件尺寸 mm

图6 桥面铺装示意

图7 MMA树脂防水体系

图8 吊杆截面(单位：mm)

4 桥墩基础设计

桥墩均采用直坡的双柱式桥墩，主墩墩柱纵桥向6.5 m，横桥向5.0 m，边墩墩柱纵桥向5.5 m，横桥向5.0 m。墩柱中心距13.8 m(与钢桁中心距同宽)，墩顶设置高4 m、长8.8 m的横梁。由于桥址处黄河段冬季冰凌现象严重，每年12月初至来年2月底为凌汛期，凌汛期时间长。为确保结构安全，桥墩迎水侧设置三角形的混凝土破冰凌椎体，椎体前端包裹耐候钢板，椎体顶面高程比冰凌水位高1 m。主墩承台均采用矩形承台，主墩承台长宽高采用18.95 m×25.2 m×5.0 m，边墩承台采用13.7 m×25.2 m×5.0 m。主墩采用20φ2 m钻孔摩擦桩，桩长76～81 m，边墩采用15φ2 m钻孔摩擦桩，桩长65～80 m。

5 抗震设计

该桥位于8度区，地震烈度高，联长大，且墩高较低，根据地震安评报告，桥址区在多遇地震、设计地震、罕遇地震下的特征周期分别为0.45，0.7，0.9 s，结构的地震效应显著。本桥主桥属于跨越大江大河，且技术复杂、修复困难的特殊结构桥梁。由于本桥结构的特殊性及重要性，要求采用罕遇地震标准进行抗震设防。

为满足抗震设防要求，并节省工程投资，本桥采用目前最常用的液体黏滞阻尼器来减小结构的地震反应。综合考虑减震效果、阻尼器制作工艺要求，以及减震装置的布置空间，黏滞阻尼器速度的指数α均取常用的0.3，阻尼器吨位均为300 t。3×168 m连续钢桁柔性拱每个主墩设置4个黏滞阻尼器，阻尼系数C取4 000 kN/(m/s)0.3；3×168 m连续钢桁柔性拱边墩每个桥墩处设置2个黏滞阻尼器，阻尼系数C取4 000 kN/(m/s)0.3；1-96 m简支钢桁梁对应每个桥墩处设置2个黏滞阻尼器，阻尼系数C取3 500 kN/(m/s)0.3。为能同时控制罕遇地震下结构纵横向的最大位移，阻尼器与纵桥向成45°角布置。

图9给出了11号桥墩墩顶设置黏滞阻尼器前后，墩梁相对位移的对比情况。由图9可知，设置阻尼器后很好地控制了结构罕遇地震下的位移，纵向相对墩梁位移可以控制在15 cm以内，减震效果明显。

图9 罕遇地震有无阻尼器11号墩顶墩梁相对位移对比

6 主要计算结果

6.1 静力计算结果

采用Midas/Civil 2015建立结构的全桥模型，考虑结构施工过程、体系转化、结构次内力等各种影响因素，计算得到主桁杆件的控制应力如表3所示。

表3 主桁杆件控制应力

由表3可知，杆件各工况的最大应力均在允许范围之内，并有一定的安全储备。主桥采用正交异性钢桥面，桥面系的检算为结构的重要计算内容。通过建立空间模型检算桥面系的强度、稳定以及疲劳，桥面系总体检算结果如表4所示，桥面各项指标均满足规范要求。

表4 桥面系总体检算结果

6.2 刚度条件

根据计算，梁体的竖向挠度52 mm，梁端竖向转角1.92‰，梁体横向变形1/6 010，均满足规范要求。

6.3 动力仿真分析结果

对结构进行了车桥耦合动力仿真分析，国产CRH2及CRH2动力分散式车组以速度80～300 km/h运行时，桥梁振动性能良好，脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标均在限值以内，保证了高速列车的行车安全。CRH2动车组以速度80～300 km/h通过3×168 m连续钢桁柔性拱桥时，竖向舒适性均达到“优”，横向舒适性当车速80～225 km/h时达到“优”，当车速250～300 km/h时达到“良”。 在CRH3动车组以速度80～300 km/h通过时，动车、拖车的竖向和横向运行舒适性均达到“优”。

6.4 吊杆风振试验结果

在西南交大风洞试验室进行了吊杆风振试验。试验显示，吊杆涡激振动最小起振风速35 m/s，增大风速到17 m/s左右，吊杆模型并未出现驰振现象，吊杆采用八角形截面后，抗风稳定性满足设计要求。

图10 钢梁架设示意(一)

7 支座设计

支座为桥梁的重要传力构件，负责将上部结构荷载顺利传递到桥墩基础。本桥支座吨位大，为满足支座承载、传力、耐久及抗震等众多技术要求，对本桥支座采用了特殊设计，支座设计中采用了众多关键技术。采用的主要关键技术有：支座的滑板材料采用承载力和磨耗性能优异的超高分子量聚乙烯滑板；单向活动球型钢支座上增设转动套；钢桁拱支座倒置结构设计；钢桁拱支座抗剪装置设计。

8 螺栓防落设计

延迟断裂是高强度螺栓连接常见病害之一， 这种情况在20世纪80年代以前建造的钢桥较为普遍， 在后来的钢桥建设中，通过对高强螺栓的深入研究，高强螺栓断裂率有明显下降。然而近年来施工的钢桥中，高强度螺栓延迟断裂的现象仍偶有发生，螺栓断裂时会因为强大的崩断力四处散落，服役期间高强度螺栓的延迟断裂危及桥梁结构和运营安全，尤其是下承式钢桥的上平纵联跨中采用高强螺栓连接时，此处高强螺栓位于线路中心上方，当列车尤其是高速列车通过时，此处螺栓发生断裂掉落会危及行车安全，造成不可挽救的后果。为减小螺栓断裂可能对行车的危害，根据国内已有的研究成果[15-17]，本桥对上弦平联的螺栓采取了防断裂措施。具体措施为，平联螺栓在满足受力前提下，预紧力降低20%使用，M24螺栓的材质由常用的20MnTiB改为35VB。

9 钢梁架设

对于钢结构桥梁，架设方案不仅会影响施工工期及施工安全，架设期间的最大杆件力可能会对钢构件的截面尺寸设计起控制作用，合理的架设方案对结构的设计也很重要。主桥原设计施工工期30个月，受客观条件所限，需14个月施工完成，施工工期极其有限。2016年9月施工进场，按照先基础桥墩后钢梁的常规施工方法，即使桥墩按照冬季施工考虑，仍难以满足工期要求。根据现场条件，参考同类桥梁的施工经验[18-21]，与建设各方结合协商，提出了连续钢桁柔性拱结构每联采用多临时墩从中间往两侧悬臂拼装、96 m简支钢桁满堂支架的施工方案。两联以同样的方法同步进行，以13号～16号墩为例对施工方案进行说明。

便桥施工完成后，先施工14号与15号墩之间的拼装支架钢管桩基础，期间主桥的桩基础与临时墩同时开工建设。拼装支架基础及上部平台完成施工后，在平台上拼装4个节间的钢梁平弦。完成后上弦处一侧安装1台架梁吊机，向左右两侧悬拼钢梁平弦，如图10所示。

钢梁平弦悬拼通过14与15号主墩后，增设1台架梁吊机进行中跨拱肋拼装，原有两台吊机继续向前悬拼钢梁平弦，如图11所示。钢梁平弦完成施工后，3台吊机同时拼装边跨拱肋。连续钢桁柔性拱结构施工期间，进行96 m简支钢桁的施工。

图11 钢梁架设示意(二)

采用本架设方案，主桥桩基础与拼装平台同时开工，钢梁悬拼期间进行主墩的承台及桥墩建设，桥墩避开了冬季施工，确保了施工质量。从中跨向两侧悬拼作业，每联同时开了3个工作面，施工效率高。悬拼作业一直到边墩截止，避免了钢桥合龙问题，降低了现场施工难度。采用本创新性的施工作业方案，主桥可节省工期150 d左右。经检算，施工中的最大杆件力小于成桥运营阶段，本施工方案不控制杆件的设计。竣工后的实桥照片如图12所示。

图12 银川机场黄河特大桥主桥实景

10 结语

银川机场黄河特大桥主桥为跨越黄河而设，结构形式新颖，桥址建设条件特殊，在设计上采用了一系列关键技术，施工上对工法进行了优化，为本桥按期保质完成建设打好了基础。本桥于2016年9月开工，2016年底按照计划开始架设钢梁， 2017年9月底主体工程竣工。本桥的如期建成为钢结构桥梁的快速建设积累丰富的设计施工经验，也为银川市的东大门增添了一道亮丽的风景线。