贾亚光

摘要 郑洛高速后寺河特大桥跨越V形峡谷，地势起伏较大，沟深谷陡，自然坡度40～85°。综合考虑地形、地质、水文等条件，选取梁桥、拱桥、悬索桥、斜拉桥等多种桥型进行比选，最终确定采用2×193 m独塔双索面预应力混凝土斜拉桥。主梁采用肋板式混凝土主梁，索塔采用“A”型混凝土索塔，拉索采用平行钢丝成品索，基础采用嵌岩桩基础。工程采取前支点挂篮悬臂施工方案，运用有限元软件对该桥进行结构计算，结果表明各项指标均满足规范要求，桥梁方案的设计构思可为类似工程提供参考。

关键词 V形峡谷；独塔斜拉桥；曲线梁；高墩

中图分类号 U442.5+3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）12-0099-03

0 引言

近年来，随着经济的高速发展和路网密度的不断提升，高速公路等基础设施建设逐步向山区延伸。山区的地形地质特点主要表现为地形高差大、冲沟发育、沟深谷陡，岩溶、滑坡、不稳定边坡、崩塌落石、陡崖、采空区等不良地质。山区桥梁的方案是否合理可行，将直接影响整个项目的工程质量。由于高速公路线性指标高、环保要求高，为跨越山区深切峡谷，通常需要设置高墩大跨度桥梁，而桥梁方案的选择要综合考虑经济性、施工条件、环保要求等多种要素，对梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等各种桥型进行充分比选，进而确定出最为适宜的桥型方案。

1 工程概况

后寺河特大桥是郑洛高速控制性工程，位于巩义市东南约5 km处后寺河水库下游。桥位处属典型“V型”河谷，起终点分别和应天寨隧道（约350 m）、青龙山隧道（约2.3 km）衔接，无路基段过渡。桥高110 m左右。因长隧道须采用分离式断面，该桥相应采用分幅布置，单幅桥面净宽15.5 m，两幅间净距约37 m。受两岸地形及隧道布设限制，该桥平面位于R=3 600 m的圆曲线上。桥位处地形地貌如图1所示。

2 主要建设条件

2.1 工程地质

桥位区地貌单元属中起伏中低山地貌，地形起伏较大，河谷两侧为陡坡岩壁。小里程桥台的自然坡度为40～50°，大里程桥台的自然坡度为70～85°，两岸里程桥台浅表层为强—中风化灰岩基岩出露，大里程桥台坡体岩层竖向节理发育，易出现小型崩塌等不良地质现象。

2.2 水文

该桥跨越后寺河，位于后寺河水库下游约600 m处。后寺河属黄河流域伊洛河支流，主河槽紧贴大桩号侧山体，河槽宽35 m，河道300年一遇设计流量为1 076 m3/s，设计水位为274.93 m。

3 主要技术标准

①公路等级：双向六车道高速公路，路基宽度34.5 m。②设计速度：100 km/h。③汽车荷载等级：公路－Ⅰ级。④设计洪水频率：1/300。⑤抗风设计标准：郑州站基本风速V10=26.9 m/s，风场场地地表类别为D类，换算到桥位的基本风速为15.17 m/s，主梁成桥状态设计基准风速28.7 m/s，主梁施工状态设计基准风速25.2 m/s，桥塔成桥状态设计基准风速33.9 m/s。⑥抗震设防标准：设防烈度Ⅶ度（0.1 g），主桥设防类别A类，引桥设防类别B类，抗震措施等级三级。主桥E1地震作用采用100年超越概率10%，E2地震作用采用100年超越概率4%。

4 总体方案

4.1 该桥跨径布置的限制因素

①地形复杂，桥梁布跨主要受地形限制。桥梁两侧均直接与隧道连接，施工条件受限。沟底道路路况较好，具备一定的运输条件。②大里程侧坡体较陡，且坡体竖向节理裂隙较为发育，存在崩塌落石风险。桥墩布设应尽量远离大桩号侧坡脚。③因后寺河行洪需要，桥墩应避开河道布设。

4.2 适用性比选

从桥长、跨径等技术角度分析，梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥等均可行。下面对各种桥型的适用性予以比选。

4.2.1 梁桥方案

受两岸地形限制，两岸山坡陡峭、坡体破碎，无法布墩，桥墩需要布置在谷底，因此适宜做成T构。目前国内混凝土T构的最大跨径为132 m，而该桥T构的布跨需要做到193 m，采用混凝土梁是不可行的，需采用钢—混凝土混合梁[1]，但存在悬臂过长、钢混结合段受力复杂、钢梁吊装困难等问题，技术风险和施工难度较大。

4.2.2 拱桥方案

考虑V形河谷地形和桥面位置，拱桥采用上承式拱桥，跨径为180 m，但存在如下问题：

①大桩号侧岩体破碎，拱脚布设存在边坡稳定性问题。②大桩号拱脚难以到达，且需先行架设缆索吊、扣塔等临时设施，施工条件较差。

4.2.3 悬索桥方案

传统地锚式双塔悬索桥，主缆跨径达640 m，经济性差，且桥面与缆索高差大。考虑采用单跨自锚体系，但存在如下问题：

①大桩号侧自锚体运输、吊装缺乏条件，施工困难。②桥面分幅设置，经济性差，桥面窄抗风稳定性差。③平面为R=3 600 m圆曲线，单幅需要加宽桥面4.5 m。

4.2.4 斜拉桥方案

结合该桥的建设条件，为便于施工并减少对两岸山体扰动，索塔布设于谷底，两岸边坡不再设置桥墩，采用主跨193 m独塔斜拉桥。

综上所述，该桥推荐采用经济性好、景观效果好、对山体扰动小、施工便捷的独塔斜拉桥方案。

5 結构设计

该桥采用分幅设计，左幅总长387 m，桥跨布置为2×193 m独塔双索面预应力混凝土斜拉桥；右幅总长417 m，桥跨布置为30 m装配式预应力混凝土简支T梁+2×193 m独塔双索面预应力混凝土斜拉桥。

采用墩塔梁固结体系，不设辅助墩。单幅桥面全宽为19.5 m，为1.46 m（拉索锚固区）＋0.54 m（护栏）+15.5 m（行车道）+0.54 m（护栏）＋1.46 m（拉索锚固区）。主塔纵向为单柱型，桥面以上塔柱横向为A型塔，主梁采用肋板式混凝土主梁，斜拉索采用平行钢丝成品索。

5.1 主梁设计

基于该桥的跨径及桥宽，主梁对混凝土梁和钢混组合梁进行比选[2]。从受力角度，采用组合梁，主梁自重可减少48%，考虑护栏等二期荷载重量后，主梁自重减少39%，但因该桥索塔高度高、地质条件好，主梁总体占比较小，对主塔及规模影响较小。从抗风性能角度，混凝土主梁自重大、阻尼比高，具有更优的动风性能。从施工角度，混凝土主梁施工误差容许度高，易纠偏。从经济性角度，混凝土主梁可节省造价约15%。因此，主梁采用混凝土主梁。

主梁采用肋板式混凝土主梁，梁高2.4 m，桥面宽19.5 m，肋板中心距（即横向索距）18 m；主梁梁肋宽度为变化值，标准节段梁肋宽度为1.8 m，靠近橋塔和边支点附近线性过渡加厚，桥塔处肋宽由1.8 m渐变至2.5 m，边支点处由1.8 m渐变至2.8 m。

主梁顶板宽19.5 m，厚0.28 m，设单向横坡2%；横梁顺桥向间距4 m，高度2.0 m，厚度0.3 m，横梁均设有预应力钢绞线。主塔与主梁连接处固结。

主梁0号块长18 m，采用墩顶拖架现浇；悬浇段采用前支点挂篮施工，共22个8 m梁段，合龙段2 m，边跨现浇段5.7 m。

5.2 索塔设计

索塔是斜拉桥的重要构件，除在结构受力上至关重要外，也是桥梁景观中的关键因素[3]，其造型往往是视觉的焦点，结合该桥墩高、曲线特点，索塔桥面以上横向采用“A”型索塔以提高横向受扭性能[4]，桥面以下为独柱式，钢筋混凝土结构，塔高为207.5 m（左幅）、211 m（右幅）。索塔下塔柱自承台顶至下、中塔柱转折点为91.5 m（左幅）、95 m（右幅），下塔柱横桥向的斜率为1∶50，顺桥向斜率为1∶40；中塔柱从中、下塔柱转折点至桥面中心，高度为20 m，上塔柱从桥面中心至塔顶，高度为93 m，纵桥向竖直向上，横桥向内收呈A字形。

由于该桥位于平曲线上，恒载作用下索塔横向即存在较大的不平衡弯矩[5]，因此采取了索塔中塔柱横向轴线偏移的构造措施，即在中塔柱20 m高度范围内索塔轴线向曲线内侧偏移60 cm，此时恒载下索塔塔底截面横向弯矩减少约50%。

塔柱采用矩形空心截面。下塔柱在顺桥向宽度由塔底的11.075 m（左幅）、11.25 m（右幅）按直线变化到6.5 m，横向宽度由塔底的13.66 m（左幅）、13.8 m（右幅）按直线变化到10.0 m，壁厚为1.30 m（顺桥向）和1.5 m（横桥向）。中塔柱顺桥向宽度为6.5 m，横向宽度由中塔柱底的10 m按直线变化到横梁中心处的26.01 m，变化高度17.3 m，而后截面收窄至桥面中心处的25.49 m，变化高度2.7 m，壁厚为1.30 m（顺桥向）和2.5 m（横桥向）。上塔柱的断面3.5 m（横桥向）×6.5（顺桥向），壁厚为1.20 m（顺桥向）和0.80 m（横桥向）。

在上塔柱锚索区，塔柱内壁设置拉索锚块。为平衡斜拉索的水平分力，在锚索区范围内布置环向预应力钢束。

塔柱共设上、下两道横梁，为全预应力混凝土结构，其中下横梁也属中塔柱的一部分。上横梁采用箱形断面，上横梁断面外轮廓尺寸为4 m（高）×5.3 m（宽），在四角设置半径为0.3 m的圆角。下横梁断面轮廓尺寸为5 m（高）×6.5 m（宽），顶、底板壁厚1 m，两侧板壁厚1.3 m。上下横梁均为预应力混凝土结构。

索塔承台平面尺寸为24.6 m（横桥向）×20.4 m（顺桥向），厚度为6 m。基础采用钻孔灌注桩，索塔下布置30根直径为2.0 m的钻孔桩，为嵌岩桩，桩长25 m。

5.3 斜拉索设计

斜拉索采用平行钢丝成品索，扇形索面。单幅桥共22对，梁上标准间距8.0 m，塔轴线处拉索间距1.7 m。斜拉索在主梁上采用梁底齿块锚固，在索塔上采用侧壁齿块锚固，张拉端设置在塔端。

6 计算分析

6.1 计算模型

应用Midas Civil软件建立有限元模型，主梁和索塔采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟，全桥共划分为433个单元，435个节点。主要划分为以下施工阶段：

阶段1：基础、索塔及0号块施工。

阶段2：主梁1～23号块悬臂浇筑及挂索张拉施工。

阶段3：主梁合拢。

阶段4：成桥调索。

阶段5：施工二期。

6.2 主要计算结果

6.2.1 主梁

主梁挠度采用有限元方法计算，车辆荷载应采用不计冲击力的汽车车道荷载频遇值，频遇值系数为1.0。主梁跨中汽车荷载作用下计算挠度为172 mm

386 mm，满足规范要求。

在承载能力极限状态最不利荷载作用下，主梁最大弯矩发生在1/4跨附近，为153 894 kN·m<承载力设计值227 425 kN·m，主梁最大剪力发生在边支点处，为14 213 kN

<承载力设计值29 089 kN，均满足规范要求。

在正常使用极限状态最不利荷载作用下，主梁上缘最大应力?0.34 MPa，下缘最大应力?0.15 MPa，均未出现拉应力；主梁下缘最小应力?17.6 MPa，下缘最大应力?17.5 MPa，均满足规范要求。

6.2.2 索塔

选取最不利荷载工况验算索塔截面承载力，即恒载+温度+汽车荷载+W1风和恒载+温度+W2风的最大值。根据索塔截面变化情况，自下而上选取6个截面进行验算，各截面的基本组合下内力及承载力如表1所示，均满足规范要求。

6.2.3 斜拉索

承载能力极限状态最大应力出现在15号拉索，为964 MPa<1 005 MPa，满足规范要求。

6.3 整体稳定性分析

相比于成桥状态，施工最大双悬臂状态更为不利，稳定性分析考虑恒载+风荷载工况，一阶失稳模态为索塔纵向失稳，稳定系数为9.1，满足要求。

6.4 抗风性能分析

该桥穿越V形峡谷地貌且桥面距地面约110 m，结构抗风性能是控制性因素之一。风荷载响应时域分析表明，成桥状态主梁最大竖向位移为9.46 cm，桥塔塔顶最大横桥向位移为17.9 cm。

通过对桥面行车风环境数值模拟，大桥风天安全通行风速仅有6级风，考虑合适的风障工程措施后，可以将上游桥面侧偏失稳临界状态对应的10 m高度标准气象站风速从原来的7级风提升为9级风，提升了两个等级。

7 结语

山区V形峡谷地形桥梁的设计应充分考虑地形、地质、水文等建设条件，基于经济性、施工难度、景观、环保、后期维养等方面进行多桥型综合比选，最终确定经济合理、施工便捷、景观优美的桥型方案[6]。郑洛高速后寺河特大桥采用主跨193 m独塔双索面预应力混凝土斜拉桥，主梁采用肋板式混凝土主梁，悬臂浇筑施工。大桥已于2023年2月开工建设，目前索塔下部基桩已施工完毕，预计2025年建成通车。

参考文献

[1]邓文中， 代彤. 重庆石板坡长江大桥复线桥总体设计[J]. 桥梁建设， 2006（6）： 28-32.

[2]邵长宇. 索承式组合结构桥梁[M]. 北京：人民交通出版社， 2017.

[3]杨鸿波， 张秋信， 杨健， 等. 平塘特大桥总体设计[J]. 公路， 2019（9）： 8-12.

[4]宗昕， 吴游宇. 斜拉桥A形塔的建造要点[J]. 中外公路， 2009（4）： 128-129.

[5]汪子涵. π型主梁曲线斜拉桥若干设计参数研究[D]. 成都：西南交通大学， 2017.

[6]王小飞， 张杰， 周继， 等. 山区铁路跨越V形峡谷桥梁方案比选研究[J]. 铁道标准设计， 2022（3）： 89-94.