三门峡黄河公铁两用大桥总体设计及创新

2019-01-10刘俊锋宁伯伟李华云

铁道标准设计 2019年1期

刘俊锋，宁伯伟，李华云

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉 430056)

1 工程概述

三门峡黄河公铁两用大桥是蒙西至华中地区铁路煤运通道(以下简称“蒙华铁路”)、预留运城至三门峡铁路(以下简称“运三铁路”)及运三高速公路跨越黄河的共用桥梁，桥位距下游G209线三门峡黄河公路大桥约8.4 km，距下游三门峡坝址约28.9 km。

蒙华铁路为双线I级重载铁路，设计速度120 km/h，设计活载为ZH活载(z=1.2)。

运三铁路为双线I级铁路，设计速度160 km/h，设计活载为中-活载。运三高速公路为双向6车道，公路桥面宽32 m，设计速度100 km/h，设计荷载为公路-Ⅰ级的1.3倍。

2 主要建桥条件

2.1 河道及水文

桥址区黄河较为顺直，黄河水流呈由西南向东北方向，主河槽靠南岸边，宽约1 050 m，南岸有防护工程，北岸有宽约2 200 m的河滩地带。

大桥位于三门峡水库内，根据水库的运用方式，汛期按“318 m”控制运用，非汛期最高运用水位不超过318 m(大沽高程，1985黄海高程=大沽高程-1.192 m)；汛期洪水敞泄(入库流量大于1 500 m3/s，敞泄运用，反之，控制坝前水位不高于305 m)。因此，在汛期和非汛期水位高差一般在13 m。

在发生300年一遇的洪水时，最大流量33 400 m3/s；桥位处最高洪水位为328.31 m(大沽高程)。

根据防洪影响评价研究结论，桥址区主河槽有向北岸发展的趋势，为了防止河势演变所产生的冲刷危及桥梁安全，主河槽以北至沿黄旅游公路之间约900 m范围的滩地冲刷按主河槽考虑。

2.2 环境敏感区

本桥穿越3处敏感区，分别为2处自然保护区(河南黄河湿地国家级自然保护区、运城湿地省级自然保护区)、1处水产种植自然保护区(黄河中游国家级水产种植资源保护区)。

2.3 工程地质

桥址区为新生界第四系地层，土层主要由黄土、粉土、砂类土及粉质黏土组成。

2.4 气象

项目地区属暖温带大陆性气候。气候总的特征是：四季分明，春秋短而冬夏长，春季干燥多大风，夏季炎热多雨水，秋季温和湿润，冬季雨雪少且冷。极端最高气温43.2 ℃，极端最低气温-19.1 ℃。7月份最热，平均气温是26.5 ℃；1月份最冷，平均气温为-0.5 ℃。

2.5 地震

桥址区地震动峰值加速度为0.18g，场地类别为Ⅲ类。

2.6 航运

桥址区黄河段为国家Ⅳ级通行航道，要求通航净空为8 m，最高通航水位为326 m(大沽高程)。

3 桥梁总体布置

3.1 桥梁平面布置

蒙华铁路位于下游侧，预留运三铁路位于上游侧。主桥位于直线段，运三铁路与蒙华铁路在主桥段线间距9.5 m，出主桥后，北岸布置半径1200 m曲线，南岸布置半径800 m曲线，使运三铁路逐渐与蒙华铁路分离。

从经济性方面考虑，为了节省投资，公铁应尽快分离，因此，运三高速公路出主桥后即在北岸和南岸分别设置半径1 005.946 m和1 000 m平曲线逐渐弯出与铁路分离。公铁分离后，北岸公路位于铁路下游侧，南岸公路位于铁路上游侧。

平面布置示意见图1。

图1 线路平面总布置示意

3.2 桥梁纵断面布置

桥梁纵断面主要受两岸地形及蒙华铁路限制纵坡等因素控制，桥面较高，主河槽处铁路桥面距河床面约79 m。桥梁纵断面(蒙华铁路)布置见图2。

图2 桥梁纵断面布置(单位：m)

3.3 桥梁横断面布置

本桥为四线铁路与6车道高速公路合建的桥梁，公铁合建的横断面布置可分为：上下层布置和平层布置两大类形式。主桥跨越黄河主河槽，如采用平层布置的方式，则桥梁宽度太宽(60 m左右)，对黄河行洪影响较大。因此采用常规的公路在上，铁路在下的上下层布置形式。

3.4 跨度和墩位布置

3.4.1 桥梁跨度确定

桥位位于潼关-孟津河段，根据黄河水利委员会黄建管[2007]48号文的要求，主桥净跨要求≥80 m，滩地引桥跨度≮40 m。

(1)主桥跨度选择

桥轴线法线与水流夹角约7°，则主跨长度L=80 m(净孔跨)/cos7°+36.6 m(墩宽)×tan(7°)+10.6 m(墩厚)≈95.7 m；参考桥位附近的既有及在建黄河桥，96 m主跨对河道防洪影响较大，防洪影响评价分析表明不宜采用。因此，设计过程中仅对108 m及大于108 m的主跨方案进行综合经济技术比选。

(2)引桥跨度选择

根据黄建管[2007]48号文要求，滩地引桥跨度应大于40 m，并经过多方案综合比选，确定为40 m跨。陆地引桥采用经济性好的32 m跨。

3.4.2 主桥长度确定

根据防洪影响评价专题研究成果，主槽摆动范围为1 050 m。

主桥长度应覆盖主槽摆动范围，同时避免在其护岸工程上、河边抢险公路上设置桥墩，同时从经济角度考虑尽量减少主桥长度。因此主桥长度按照1 100 m左右考虑。

3.4.3 主桥孔跨布置、墩位布设

根据桥位处河槽现状及防洪影响评价结论，从对南岸七里防冲护岸工程的安全影响、主槽摆动范围影响以及工程抢险及桥梁施工等方面综合考虑，将南岸边墩设置在沿河抢险公路南侧，边跨跨越沿河抢险公路，南侧第一个主跨跨越七里防浪防冲工程，然后向主河槽内布置其他主墩。

4 桥式方案设计

4.1 全桥桥式布置

如图3所示，全桥由北至南桥式布置为：54-40 m简支箱梁+(40.7+60+40.7) m连续箱梁(跨沿黄公路)+22-40 m简支箱梁(含8孔公铁合建段)+(84+9×108+84) m连续钢桁结合梁(跨黄河主河槽)+11-32 m简支T梁(含9孔公铁合建段)+(55+82+55) m连续箱梁(跨G310线、地下管线)+5-32 m简支T梁+1-24 m简支T梁+16-32 m简支T梁[1-5]。桥梁全长5 663.754 m，其中公铁合建段长1 762.733 m，蒙西与运三合建总长2 266.083 m。

图3 桥跨布置示意(单位：m)

4.2 主桥

4.2.1 结构设计

主桥采用(84+9×108+84) m连续钢桁结合梁，桥长1 142.5 m，为一联布置。桥式立面布置见图4。

图4 主桥桥式布置(单位：m)

钢桁梁为3片主桁结构，中边桁中心距13.6 m，每片主桁均采用无竖杆的三角形桁架，桁高15 m，节间长12 m。铁路桥面上游侧布置运三铁路双线，线间距4.2 m，下游侧布置蒙华铁路双线，线间距4 m。蒙华铁路与运三铁路在主桥段线间距9.5 m[6-9]。主梁横断面布置见图5。

图5 主桥横断面布置(单位：cm)

主桁上下弦杆均采用箱形截面，腹杆截面采用箱形及H形两种类型。主桁节点采用焊接的整体节点，各主桁杆件于工地采用高强螺栓及拼接板连接[10-11]。铁路桥面采用正交异性整体钢桥面板[12]。公路桥面采用混凝土桥面板与上弦杆及横梁相结合的组合结构[13-15]。桥面板全宽32 m，标准板厚300 mm。每个节间12 m范围设置4道公路横梁，横梁间距3 m。主桁、铁路桥面及公路桥面钢构件的材质采用Q370qE。

主桥桥墩均采用圆端形门式空心墩。基础均采用钻孔灌注桩基础，桩径为2.0 m。

4.2.2 抗震设计

为满足抗震要求，主墩墩顶设置双曲面减隔震支座[16-17]，支座球心距7 m，摩擦系数0.03。

多遇地震和设计地震作用下，桥墩与基础结构保持在弹性工作范围；罕遇地震作用下，双曲面球形减隔震支座发挥作用，墩身纵向、横向均可能进入塑性屈服阶段。桥梁基础、盖梁、梁体作为能力保护构件[18]，即保证在桥墩出现塑性铰时能力保护构件不发生破坏；墩柱按延性构件设计。

4.2.3 施工方案

(1)连续钢桁梁采用顶推法施工[19-20]，由南岸向北岸单向顶推。钢桁梁顶推安装平台设在与主桥相接的南引桥4孔32 m梁范围内，顶推导梁长72 m。主桥顶推施工见图6。

图6 主桥钢桁梁顶推施工

(2)公路混凝土桥面板提前预制，并放置300 d以上。钢桁梁顶推到位后，再进行公路混凝土桥面板结合施工。为增加墩顶负弯矩区混凝土板内的预压应力，提高混凝土板的安全度和耐久性，采用跨中部分混凝土与钢主桁先结合，再起顶单墩支点，将当前支点区域混凝土与钢主桁结合，最后将支点回落，逐墩进行顶落梁作业，直至结合完成。

4.3 公铁合建段引桥

公路出主桥后即设置平曲线逐渐弯出与铁路分离，因此公铁合建段引桥均为公铁分岔的异型区段，主梁及桥墩的布置均较复杂。

北岸、南岸公铁合建段引桥下层铁路分别采用40 m和32 m预应力混凝土简支箱梁[21]；上层公路分别采用40.7 m和32.7 m预应力混凝土连续箱梁，为曲线梁。桥墩整体上采用框架结构，下层铁路墩身采用门式空心墩，上层公路墩采用两柱或三柱式框架墩，帽梁为预应力结构。基础均采用钻孔桩基础。公铁合建段引桥典型横断面见图7。

图7 公铁合建段引桥典型横断面(单位：cm)

梁和桥墩的布置原则为：下层铁路墩顺桥向中心线位置由蒙华铁路简支梁的布置确定；运三铁路简支梁正常布置；上层公路框架墩顺桥向中心线与下层墩一致；公路连续梁根据线路平面布置，与墩身斜交；为方便施工，公路箱梁的横梁仍沿线路径向设置。

4.4 铁路引桥

北岸铁路引桥除跨沿黄旅游公路采用(40+60+40) m连续梁外，其余均采用40 m预应力混凝土简支箱梁。南岸引桥除跨G310采用(55+82+55) m连续梁外，其余均采用32 m或24 m预应力混凝土简支T梁。桥墩均采用圆端形空心墩或圆端形实体墩，基础均采用钻孔灌注桩基础，桩径为2.0、1.8、1.5 m及1.25 m。

4.5 环保措施

本桥穿越3处自然保护区，为了深入贯彻绿色环保的理念，本桥在设计上采取了一系列环保措施，主要措施有：①在桥面两侧设置遮光声屏障，减少列车通过时噪声和光照对湿地鸟类的不利影响；②在铁路桥面和挡砟墙内侧设置道砟垫，以降低列车通过时的钢梁振动；③桥面排水采用两级排水系统，实现清污分流，避免桥面车辆有毒有害液体泄露时直接排入河内。