黄河三峡大桥桥型方案比选.pdf

桥梁建设2023年第53卷第S1期(总第283期)Bridg e Co nst ruc t io n,Vo l.53,No.SI,2023(To t al l y No.283)134文章编号：1003-4722(2023)Sl-0134-06 DOI：10.20051/j.issn.1003-4722.2023.SI.019黄河三峡大桥桥型方案比选薛有利1,何博文2,林 阳2(1.河南省济新高速公胳有限公司，河南郑州450046；2.中交第二公胳勘察设计研究院 有限公司，湖北 武汉430056)摘要：黄河三峡大桥为河南省济源至新安高速公路的控制性工程。综合考虑地形、地质和环 保等方面，提出单跨跨径510 m的双塔悬索桥、主跨510 m独塔回转缆悬索桥(桥塔置于南岸、主 缆在北岸锚碇处通过转索鞍回转锚固)及计算跨径435 m中承式钢管混凝土拱桥3个方案，并对受 力性能、建设规模、环境影响、施工难度等进行比较。结果表明：3个方案静、动力性能均能满足规 范要求，独塔回转缆悬索桥经济性不占优势，但施工难度最低、工期可控，且该方案在北岸仅设置覆 表式重力锚，取消了桥塔，很好地解决了地质遗迹保护区环保要求高、构造物设置受限的问题，与隧 道衔接性好，作为推荐方案。关键词：独塔回转缆悬索桥;覆表式重力锚；桥型方案；受力性能；有限元法；桥梁设计 中图分类号：U44&25；U442.5 文献标志码：ABridge Type Selection for Yellow River Three Gorges BridgeXUE You-li1,HE Bo-wen2,LIN Yang2(1.Henan Jix in Ex p ressway Co.,Lt d.,Zh eng zh o u 450046,Ch ina；2.CCCC Sec o nd Hig h way Co nsul t ant s Co.,Lt d.,Wuh an 430056,Ch ina)Abstract:Th e Yel l o w River Th ree Go rg es Bridg e is a c o nt ro l p ro j ec t o f t h e Jiy uan-Xin/an Ex p ressway in Henan Pro vinc e.To ac c o mmo dat e t h e sp ec ific t o p o g rap h ic and g eo l o g ic al c o ndit io ns at t h e bridg e sit e as wel l as t h e enviro nment al p ro t ec t io n req uirement s,t h ree bridg e t y p es were p ro p o sed,inc l uding t h e t wo-t o wer susp ensio n bridg e wit h a main sp an o f 510 m and wit h h ang er c abl es arrang ed o nl y in main sp an,o ne-t o wer susp ensio n bridg e wit h a main sp an o f 510 m(wh ere t h e t o wer is l o c at ed at t h e so ut h bank,t h e main c abl es are anc h o red t o t h e no rt h-bank anc h o rag e in a l o o p ing manner via a deviat io n saddl e),and a h al f-t h ro ug h c o nc ret e-fil l ed st eel t ubul ar arc h bridg e wit h a c al c ul at ed main sp an l eng t h o f 435 m.Th e t h ree o p t io ns were c o mp ared fro m p ersp ec t ives o f l o ad bearing p erfo rmanc e,c o nst ruc t io n sc o p e,enviro nment al imp ac t and c o nst ruc t io n c h al l eng es It is sh o wn t h at al l t h e t h ree o p t io ns meet t h e st at ic and dy namic p ro p ert y req uirement s in t h e c o de.Th e o ne-t o wer susp ensio n bridg e wit h l o o p-anc h o red main c abl es ex h ibit s p o o r ec o no my,but wins o ver t h e o t h er t wo o p t io ns in t erms o f easier c o nst ruc t io n and c o nt ro l l abl e c o nst ruc t io n sc h edul e,in addit io n,t h e o ne t o wer so l ut io n req uires o nl y a sh al l o w g ravit y anc h o rag e o n Jiy uan bank,making a g o o d rec o nc il iat io n wit h t h e c rit ic al enviro nment al p ro t ec t io n req uirement s and t h e l imit ed c o nst ruc t io n sp ac e at t h e bridg e sit e.Mo reo ver,t h e o ne-t o wer susp ensio n bridg e so l ut io n al so c reat es smo o t h c o nnec t io n t o t h e ac c ess t unnel,t h us being t h e final rec o mmended so l ut io nKey words:o ne-t o wer susp ensio n bridg e wit h l o o p-anc h o red main c abl e;sh al l o w g ravit y anc h o rag e;bridg e t y p e;mec h anic al p ro p ert y；finit e el ement met h o d;bridg e desig n收稿日期收稿日期=2022-08-18基金项目：国家自然科学基金面上项目(52278309)General Pro g ram o f Nat io nal Nat ural Sc ienc e Fo undat io n o f Ch ina(52278309)作者简介:薛有利，高级工程师,E-mail:87407145q q.c o mo研究方向：高速公路建设管理。黄河三峡大桥桥型方案比选 薛有利，何博文，林阳1351工程概况黄河三峡大桥为河南省高速公路网规划(20212035)中济源至新安高速公路的控制性工 程，项目起于济源市邵原镇，南接荷宝高速公路，向 南跨越黄河，经新安县石井镇西、北冶镇西、青要山 镇东、石寺镇西，于铁门镇北与连霍高速交叉。1.1建设条件(1)地形、地质。该桥位于洛阳市新安县黄河 三峡风景区内，桥位处两岸岸坡峭立,桥轴纵断面地 面线为薄峰山脊与沟壑交错的小间距、大高差锯齿 状，横断面地面线横坡陡峻，济源(北)岸紧邻八角山 隧道。桥位两岸地层均为寒武系白云质灰岩夹泥灰 岩。北岸山脊宽度较窄，岸坡稳定性较差，工程地质 条件复杂;新安(南)岸基岩完整、岸坡稳定性较好，物探测线范围内基本排除大溶洞发育可能m。(2)气象、水文。桥址区属北温带大陆性季风气 候。大桥于黄河小浪底库区跨越黄河,河面宽340 400 m,U形河谷，桥位距下游水坝15 km。库区水位 每年呈周期性变化,7 9月为腾出库容，水位标高在+250 m以下;12月至次年2月丰水期最高蓄水位标 高可达+270 m,对应水深约50 m。(3)防洪、通航。河道内淤积层厚度最大约 55 m,水中立墩安全风险大。且为避免水中墩对小 浪底排沙产生影响，库区内不宜设墩。桥位河段 规划为内河IV级航道，通航界限8 mX90 m3.(4)环保。两岸均为国家级崖壁保护区，其中 北岸为一级、南岸为三级，对构造物设置规模有严格 的要求，崖壁的环保要求极高。1.21.2主要技术标准该公路等级为高速公路,设双向6车道;设计行 车速度为100 km/h；荷载等级为公路一I级；通航 等级为规划内河N级航道;项目区地震基本烈度为 皿度,基本地震加速度值为0.10g,地震反应谱特征 周期为0.4 s。2桥型方案根据桥位地形和地质情况，结合水深、对库区排 沙的影响等相关因素，该桥采用一跨跨越黄河较为 合适。根据U形河谷宽度，桥梁主跨宜为415 520 m.由于主跨已突破梁桥的合理经济跨径，且 北岸紧邻八角山隧道，边跨布置受限,因此可行的桥 型方案主要为悬索桥与拱桥*旳。综合以上考虑，提 出了双塔悬索桥、独塔回转缆悬索桥及中承式钢管 混凝土拱桥3个方案。2.1双塔悬索桥方案双塔悬索桥方案主桥采用单跨双较简支结构体 系，跨径510 m,桥宽34.7 m。悬索桥两岸桥塔均 位于平缓台地处,只在中跨设置加劲梁，加劲梁采用 带竖杆华伦式钢桁梁主缆跨度布置为(120+510+115)m,边中跨比为0.235(北岸)和0.225(南 岸)。北岸采用隧道锚，南岸采用重力锚凶。边跨 引桥为预制梁结构，采用跨径布置为2X40 m的预 应力混凝土 T梁，节约造价的同时可以更好地与八 角山隧道衔接。双塔悬索桥方案立面布置见图1。擠源匕)箭如卸图1双塔悬索桥方案立面布置Fig.1 Elevation View of Two-Tower Suspension Bridge主缆中跨矢高56.66 m,垂跨比1/9。主缆由91 股127丝總5 mm钢丝组成，抗拉强度标准值为 1 960 MPa。吊索采用61-卯.0 mm高强平行钢丝，上、下两端均采用销接式，吊索纵向标准间距15.0 m。桥塔采用门式框架结构,仅设置1道上横梁。桥塔塔 柱由底部到顶部为直立等截面,采用空心薄壁矩形截 面，截面尺寸纵向为5.5 m,横向为4.5 m,壁厚 1.0 桥塔基础采用分离式承台+群桩基础，单个 承台平面尺寸为16.5 mX18.2 m、高5 m,单个承台 下设9根(3X3)直径2.8 m钻孔灌注桩基础。2.22.2独塔回转缆悬索桥方案主跨510 m悬索桥可考虑采用独塔结构，考 虑到黄河北岸属于一级地质遗迹保护区，为降低土 石方开挖，减少对环境的破坏，将桥塔置于南岸，在 北岸仅设置锚碇结构。创新性地提出独塔地锚回转 缆悬索桥新桥型，主缆在北岸锚碇处回转锚固，不需 要单独散开，取消了锚固系统,从而最大程度优化锚 碇结构尺寸、节约空间。回转缆是指主缆由一岸锚碇始发，绕过对岸锚 碇后返回并锚固于始发岸锚碇的一种主缆布置方式(图2)。主缆索股在回转锚碇处连续通过,利用回 转索鞍系统实现索股回转锚固、取代传统的断开分 散锚固方式,充分利用了主缆的恒载自平衡特性、优 化了锚固构造及锚碇结构讪。136桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)苗強f北)新安(南北岸锚碇采用一种适用于回转缆的新型覆表式 重力锚，采用转索鞍实现主缆在锚碇内的连续转向。锚碇主体纵向长60 m,横向宽50 m,靠边跨侧髙 32 m,靠主跨侧高24 m,底面设计为齿块状，以更好 地适应地形条件，保证结构稳定。覆表式重力锚三 维结构见图3。图3覆表式重力锚三维结构Fig.3 Three-Dimensional Shallow Gravity Anchorage该方案主桥主跨跨径510 m,桥宽34.7 m.桥 塔位于南岸,加劲梁采用带竖杆华伦式钢桁梁。主 缆跨度布置为(60+510+160)m,计算跨度570 m,边中跨比0.314,中跨矢高35.625 m,垂跨比1/16。北岸采用覆表式重力锚，南岸采用重力式嵌岩锚。引桥采用4X40 m预应力混凝土 T梁桥。独塔回 转缆悬索桥方案立面布置见图4。主缆由91股127丝05.8 mm钢丝组成，抗拉 强度标准值1 960 MPa。吊索采用61-07.0 mm高&L0.十.160 H 275.0(计水)-普/，；n图4独塔回转缆悬索桥方案立面布置Fig.4 Elevation View of One-Tower Suspension Bridge with Loop-Anchored Main Cable 强平行钢丝，上、下两端均采用销接式，吊索纵向 标准间距15.0 m.桥塔采用门式框架结构，仅设 置1道上横梁。塔柱由底部到顶部为直立等 截面，采用空心薄壁矩形截面，截面尺寸纵向为 6.0m,横向为5.0 m,壁厚1.2 m。桥塔采用分离 式承台+群桩基础，单个承台平面尺寸17.2 mX 20 m、高5 m,单个承台下设9根(3 X 3)直径 3.0 m钻孔灌注桩基础。2.3中承式钢管混凝土拱桥方案考虑到桥位为典型山间U形河谷地形,可采用 有推力拱桥方案，依据设计线位和合理拱轴线相对 位置关系、拱座位置处地形地质条件等，采用计算跨 径435 m中承式拱桥较为合适。对于计算跨径 435 m的中承式有推力拱桥，混凝土箱拱施工安全 风险大，钢箱拱和钢桁架拱的经济性较钢管混凝土 拱差，因此推荐中承式钢管混凝土拱桥方案E1112中承式钢管混凝土拱桥方案桥跨布置为(4X 30+452+30)m,桥宽 2 X 16.75 m,计算跨径 435 m,矢高95 m,矢跨比1/4.58,拱轴线采用悬链 线，拱轴系数1.55,吊杆间距14 m,桥面系采用纵横 向格子梁式组合梁两岸引桥均采用预制T梁。中承式钢管混凝土拱桥方案立面布置见图5。图5中承式钢管混凝土拱桥方案立面布置Fig.5 Elevation View of Half-Through Concrete-FilledSteel Tubular Arch Bridge3桥型方案比选该桥设计控制因素较为复杂，需对不同设计方 案的受力性能、经济性、对环境的影响及施工难度进 行综合比较分析，从而确定最优桥型方案。3.1受力性能建立3个方案的空间有限元模型(图6)进行分 析，模型中桥面板采用板单元模拟，主缆和吊索采用 索单元模拟，钢管混凝土拱桥吊杆采用只受拉桁架 单元模拟，其他构件均采用梁单元模拟。双塔悬索桥和钢管混凝土拱桥方案均为常规桥 型，跨度适中，成熟案例较多,计算结果均满足规范黄河三峡大桥桥型方案比选 薛有利，何博文，林 阳137图6各方案空间有限元模型Fig.6 Spatial Finite Element Models of Three Proposed Options要求。而独塔回转缆悬索桥桥型新颖、创新性高、结 构受力复杂，因此设计时进行了详细计算分析。独 塔回转缆悬索桥方案基本组合下主缆及吊索内力包 络图见图7,图中以受拉为正。由图7可知：基本组 合下,主缆最大拉力3.35 X 105 kN,吊索最大拉力 4.60X103 kN,符合规范要求。.:L咖 X少R1 ix-l5 乩 IJJD-HJHIi-2-苗 4:!.憫 D 2,5I&2.敝 2.DeiL：KHn 侧口+|芮 用l u+U帖 Re+0 倆6=ic-+ril 5 SJMOiK1乩：吃芮 Idc+l Il Xn:晁u+l l l昉 別吋III方 苗ci+i隔(b)吊當|4-02 乳I泅 乂 7753”汕先-2.-2.歸 12.122I.TOhlL2An 札脚轧 564：阴+003 TO(?+0iM:Wu+rii IWv+Ui l ific+OIXi 阳呼0fi3 IXl c-+(l l：1 l i5e+ril 2 Wio+(ii*2 iviuHHl氓 P：k、；图7基本组合下主缆及吊索内力包络图Fig.7 Internal Force Envelope of Main Cable and Hanger Cables under Basic Load Combinations独塔回转缆悬索桥位移见图8。由图8及相关 计算可知:钢桁加劲梁各杆件应力及刚度均满足规 范要求，竖向挠跨比为1/512,横向挠跨比为1/735,满足规范要求。(a)4廂宿戟垃大向下製向化移吧凤尚敦城火横向仇I?图8独塔回转缆悬索桥位移Fig.8 Displacement of One-Tower Suspension Bridge with Loop-Anchored Main Cable结构抗风、抗震及稳定性分析结果表明：3个方 案的动力性能良好，结构整体及局部杆件稳定性均 能满足规范要求。从静、动力特性分析结果可知设计提出的3个 方案均可行,结构受力可以满足规范要求，不是方案 比选的决定性因素。3.2建设规模与工程经济性悬索桥方案跨径均为510 m,相比拱桥方案规 模大，造价偏高，但桥塔位于较为平缓的岸坡上，施 工难度低。拱桥方案跨度相对较小,但拱座基础位 于陡崖上,施工难度较大，施工安全风险高，对环境 破环严重。通过计算，3个方案的造价分别为6.4,6.2,5.9亿元。建设规模与工程经济性方面拱桥方 案具备一定的优势。3.3环境影响与景观性双塔悬索桥方案北岸桥塔、锚碇及施工便道施 工对地质遗迹保护区影响较大，且桥塔低矮,高宽比 不协调，景观效果一般。相比双塔悬索桥方案，独塔回转缆悬索桥方案 在北岸地质遗迹区仅设置回转缆用覆表式重力锚,取消了桥塔。北岸覆表式重力锚土石方量小，利用 隧道中导洞施工，无需单独设置施工便道，对地质遗 迹保护区影响最小。从环境影响及土石方开挖方量 角度分析，独塔回转缆悬索桥方案均较优。拱桥方案拱座采用扩大基础，南岸需要放坡开 挖,对山体破坏相对较大，施工用缆索吊及扣塔锚碇 数量多，对黄河崖壁及自然环境影响严重，且拱座后 方边坡防护工程规模大。拱座基础施工开挖量较 大，缆索吊地锚、扣塔锚碇及施工便道施工对地质遗 迹保护区影响较大。拱桥方案与峡谷地形契合度 高，桥型景观效果较好，但因拱座基础开挖施工破坏 了黄河崖壁景观，整体景观性较差。3.4施工难度与工期双塔悬索桥方案北岸隧道锚需开凿一定量的施138桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)工便道，需搭设隧道锚施工平台后方可施工,隧道锚 与主线隧道洞室存在一定影响,施工难度较大，安全 风险高;南岸重力锚施工需要开挖高边坡，边坡防护 施工难度大，安全风险高匸辺。两岸均需要单独修筑 施工便道、斜井才能到达，尤其是北岸施工环境较为 恶劣，目前无法到达。桥塔施工便道开筑难度大。工期容易受到两岸施工便道修筑情况的制约。独塔回转缆悬索桥方案北岸不需要单独修筑施 工便道，借助施工完后的八角山隧道进行锚碇施工。北岸锚碇采用覆表式重力锚，取消了桥塔，可较好地 与隧道衔接，施工安全风险和施工难度低。但回转 鞍架设属于新工艺,对施工水平要求高。拱桥方案北岸拱座基础需开凿大量的施工便道 后方可施工，陡崖崖壁上施工拱座难度极大;南岸拱 座需要开挖一定量山体,施工风险高。通过计算,3个方案的工期分别为46,40,45个 月。独塔回转缆悬索桥方案施工难度相对较低，工 期最短，施工难度和工期也最可控。3.5综合比选对3个方案进行综合对比可知，3个方案结构 静、动力性能均能满足设计要求;虽然独塔回转缆悬 索桥相比于拱桥经济性不占优势，但其对地质遗迹 保护区影响最小、施工难度最低，工期最短。综合比 较，推荐独塔回转缆悬索桥方案。4结语通过对黄河三峡大桥地形地质、气象水文、防洪 通航以及地质遗迹、崖壁保护区等建设条件的综合 分析,提出了 3个桥型设计方案，经过受力性能、建 设规模与工程经济性、环境影响与景观性、施工难度 与工期的比选，最终推荐独塔回转缆悬索桥方案。桥型方案的比选过程需综合考虑各项控制因素，梳 理出主、次因，抓主放次，该技术路线可作为合理桥 型方案设计的技术依据。独塔回转缆悬索桥是在回 转缆自锚式悬索桥的基础上，对地形地质适宜桥址 区大跨径地锚式悬索桥的延伸和拓展,对桥隧相连、不具备展布边跨的地形条件具有很好的适应性，该 桥型具备进一步研究推广的前景。该桥2022年7月开工，预计2025年12月建成 通车。黄河三峡大桥效果图见图9。参考文献(References):1中交第二公路勘察设计研究院有限公司.河南省济源图9黄河三峡大桥效果图Fig.9 Rendering of Yellow River Three Gorges Bridge至新安高速公路两阶段初步设计Z.武汉,2021.(CCCC Sec o nd Hig h way Co nsul t ant s Co.,Lt d.Prel iminary Desig n o 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