金 令,徐升橋,徐旭東,任為東,殷曉波,彭嵐平,雷昕弋

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院,北京 100055； 2.河南城際鐵路有限公司,鄭州 450046)

1 概述

鄭濟高鐵是連接河南、山東兩個經(jīng)濟大省的區(qū)域干線鐵路，線路起自鄭州，經(jīng)新鄉(xiāng)、濮陽、聊城至濟南，途中兩跨黃河。其中，在鄭州市東北新建鄭州黃河特大橋，橋位位于京港澳高速公路劉江黃河大橋下游約3.5 km處?？紤]該河段橋位緊張，為充分利用橋位資源，節(jié)省工程總投資[1]，鄭州黃河特大橋采用公鐵共建形式，除鄭濟高鐵外，大橋還預留雙線市域鐵路和六車道城市快速路，以滿足河南省社會經(jīng)濟發(fā)展對未來交通的需求。其中公鐵共建長度12 180 m。

2 基礎資料

2.1 地形地貌

大橋與右岸黃河大堤立交進入主河道，以全橋跨形式跨越黃河、馬渡下延控導工程潛壩、防滾河壩，向左岸立交跨越黃河大堤。大橋在右岸位于京港澳高速公路黃河大橋下游約3.5 km處，在左岸則相距其約2 km，黃河主槽靠近右岸，兩岸大堤間距約11 km，橋軸線的法線方向與河道主流方向夾角為14°[2]。鄭濟高鐵黃河大橋橋址平面示意見圖1。

圖1 橋址平面

2.2 氣象條件

工程地處中緯度區(qū)，屬暖溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，氣候適宜，四季分明，雨量充沛。春季干燥多風，夏季炎熱多雨，秋季秋高氣爽，冬季寒冷干燥。年平均氣溫15.1 ℃，累年極端最低氣溫-11 ℃，極端最高氣溫42.5 ℃；年平均降水量614.8 mm；鄭州區(qū)域年最大風速15.1 m/s，主導風向為西；季節(jié)最大凍土深度0.23 m，最大積雪厚度0.32 m。

2.3 工程地質(zhì)

橋址區(qū)位于黃河沖積平原區(qū)，未發(fā)現(xiàn)斷裂構造，且區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層較厚，下伏地質(zhì)構造對橋梁工程影響較小。沿線所經(jīng)過的地層按其成因和時代分類主要有：第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)填土。第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al)粉土、粉細砂、中砂、粉質(zhì)黏土，第四系上更新統(tǒng)沖積層(Q3al)粉土、粉細砂、中砂、粉質(zhì)黏土。

2.4 地震

依據(jù)GB50111—2006《鐵路工程抗震設計規(guī)范》(2009版)，結合鉆孔自然地表下25 m范圍內(nèi)等效剪切波速192～231 m/s綜合判定：場地土類型屬中軟土，故此類場地類別為Ⅲ類。根據(jù)GB18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，鄭州高鐵黃河特大橋位于7度和8度震區(qū)[3]。

2.5 橋址水文及橋墩沖刷

大橋位于黃河下游典型的游蕩性河段。河道兩岸修有大堤，洪水完全靠兩岸大堤束范。灘地除有嫩灘和二級灘地外，受1855年蘭考銅瓦廂決口改道后溯源沖刷的影響，增加了一級高灘，即三級灘地。灘面向大堤和下游傾斜，堤根低凹，灘面橫比降大，洪水漫灘后，大堤根附近常集流成河，形成深槽，稱為順堤河，簡稱堤河。橋位上下游堤河、串溝明顯，一旦洪水漫灘順堤行洪，流速很大，將造成堤坡沖刷，嚴重威脅堤身安全。高灘上多已耕種，村莊眾多，并有不少集鎮(zhèn)。該河段由于堤距較寬，水面遼闊，因而溜勢分散，泥沙易于淤積，河道中沙洲密布，水流散亂，主溜擺動頻繁，新淤灘岸多為沙質(zhì)，抗沖能力弱，進一步加劇了主溜塌灘坐彎，極易形成橫河、斜河，頂沖大堤，威脅堤防安全，是歷史上決口頻繁河段。新中國成立后雖沒有發(fā)生決口，但是危及堤防安全的重大險情時有發(fā)生，因此本河段是歷年汛期防守的重點。擬建橋位橋式橋墩總沖刷深度計算結果見表1。

表1 擬建橋位橋式橋墩總沖刷深度計算結果 m

為保證橋梁安全，《防洪評價》建議從右岸馬渡下延工程潛壩中心線起，向左至生產(chǎn)堤連線約4 800 m的河寬范圍內(nèi)，在確定基礎埋置深度時，設防流量(22 000 m3/s)洪水總沖刷深度27.81 m，沖刷線高程63.03 m，左、右岸灘地沖刷深度13.17 m，沖刷線高程77.67 m，左岸堤河范圍內(nèi)總沖刷水深約為18.66 m考慮，沖刷線高程為72.18 m。

3 主要設計標準

(1)鄭濟高鐵主要技術標準

鐵路等級：高速鐵路

正線數(shù)目：雙線

設計速度：350 km/h

線間距：5.0 m

設計活載：ZK荷載；

(2)市域鐵路主要技術標準

鐵路等級：城際鐵路

正線數(shù)目：雙線

設計速度：160 km/h

設計活載：ZC荷載；

(3)公路主要技術標準

道路等級：城市快速路

車道數(shù)目：雙向六車道

設計速度：100 km/h

路面類型：瀝青混凝土

設計荷載：城—A級

公路橋梁總寬：32.5 m。

公路橋面布置見圖2。

圖2 公路橋面布置(單位：cm)

其余部分應滿足JTG B01—2014《公路工程技術標準》的有關規(guī)定。

(4)地震: DK374+964.76～DK385+500為8度區(qū)，根據(jù)場地類別調(diào)整后設計地震動峰值加速度0.2g，特征周期0.55s；DK385+500～393+484.34段為7度區(qū)，采用《新建鄭州至濟南鐵路鄭州至濮陽段重點工程場地地震安全性評價報告》提供的地震參數(shù)，設計地震動峰值加速度0.151g，特征周期0.5 s；DK393+484.34～DK409+286.86段為7度區(qū)，根據(jù)場地類別調(diào)整后設計地震動峰值加速度0.172 5g，特征周期0.55 s。

(5)通航標準：通航要求為規(guī)劃Ⅳ級通航標準，凈空高度為8 m。

(6)最高通航水位：采用2070年水平10年一遇的洪水位93.80 m。

(7)設防水位：采用2070年橋位處22 000 m3/s流量洪水位94.52 m。

4 主橋設計

根據(jù)防洪影響評價成果，橋位處黃河主槽擺動幅度為2 000 m，同時考慮本橋為公鐵合建，橋梁橫向較寬，確定主河槽內(nèi)跨度不小于112 m，主跨不小于168 m。據(jù)此，本橋跨越主河槽主橋分兩部分布置，第一部分采用1聯(lián)(112+6×168+112) m連續(xù)鋼桁梁橋，聯(lián)長1 232.0 m，第二部分采用7孔112 m簡支鋼桁梁橋，共長784.0 m，合計主橋總長2 016 m。

主橋第一部分1-(112+6×168+112) m連續(xù)鋼桁梁，計算跨度為(111.0+6×168+111.0) m，梁全長1 231.1 m。橋式為帶有豎桿的下弦加勁華倫式桁架，平行弦部分桁高15.0 m，中支點桁高加高15.0 m，通過調(diào)整加勁弦節(jié)點桁高使橋梁立面呈現(xiàn)連拱造型。鋼主梁采用三桁結構，桁寬(13.4+13.4) m，邊跨節(jié)間長10.5 m、12.0 m，中跨節(jié)間長度12.0 m[4]。

主橋第二部分7-112 m簡支鋼桁梁，采用帶豎桿華倫式桁架，平行弦布置，桁高15.05 m，節(jié)間長11.06 m。橫向布置為三片桁，橫向間距13.4 m+13.4 m。

鄭濟高鐵黃河特大橋主橋立面布置見圖3， 112 m鋼梁主橋立面布置見圖4， 連續(xù)鋼桁梁支點斷面布置見圖5。

圖3 鄭濟高鐵黃河特大橋主橋立面布置(單位：m)

圖4 112 m鋼梁主橋立面布置(單位：cm)

圖5 連續(xù)鋼桁梁支點斷面布置(單位：cm)

主桁弦桿均為箱形截面，腹桿采用箱形截面或工形截面，鐵路橋面為正交異性鋼橋面板，為增加承軌處剛度，軌下設有小縱梁[5-6]。

主桁鋼材采用Q370qE與Q420qE，頂面焊接，其余三面采用M30高強度螺栓拼接。橋面系與聯(lián)結系均采用Q370qE鋼，頂板焊接，腹板與底板采用M24高強度螺栓拼接。

由于列車運營速度達到300 km/h后，會導致道砟飛濺并加速道床粉化，加速車輛老化增加養(yǎng)護維修工作量，一般采用有砟軌道鋼橋設計速度不超過250 km/h[7-8]。為達到350 km/h設計速度，決定在本橋鋼結構主橋上鋪設無砟軌道。經(jīng)過研究，在正交異性鋼橋面板與軌道底座板之間設置混凝土板作為過渡措施，以加強橋面剛度，承受列車輪載作用沖擊，也為無砟軌道結構的銜接創(chuàng)造了有利條件[9-10]?；炷涟迮c整體鋼橋面間利用剪力釘聯(lián)結成整體，軌道底座板與混凝土板之間的連接也進行了加強，軌道板與底座板之間則設置了特殊的減振墊層以隔離橋梁與軌道結構，起到協(xié)調(diào)變形與減振降噪的作用[11-12]。

公路橋面為肋板體系混凝土結合橋面。預制板采用先張法制造，在滿足施工期間受力需要的同時提高了制板效率，在濕接縫澆筑后張拉第二批預應力，使橋面形成整體[13]。橋面板通過剪力釘與鋼桁梁上弦連接，形成了鋼桁結合梁體系，為全橋提供了良好的整體剛度。

橋墩采用三柱式墩身結構，中柱橫橋向尺寸5.0～6.0 m，順橋向6.0～7.0 m；邊柱橫橋向4.0～5.0 m，順橋向6.0～7.0 m，橋墩之間設置系梁?；A采用鉆孔摩擦樁，樁徑2 m，樁長89～98 m。見圖6。

圖6 連續(xù)鋼桁梁中墩(382號墩)結構(單位：cm)

主橋第一部分為長聯(lián)結構，上部結構恒載質(zhì)量超過10萬t，為減少地震響應，控制結構位移，采取了減隔震支座+阻尼器的抗震體系[14-15]。共設置摩擦擺支座27個，阻尼器22套。見圖7。

圖7 黏滯阻尼器設置示意

5 引橋設計

黃河與長江等其他河流不同，其主河槽游蕩不定，歷史上曾多次決堤改道，導致其河槽寬度較大，下游河段常寬達數(shù)千米，以鄭州開封附近為甚。橋位處兩岸大堤間距約11 km，因此僅灘地內(nèi)引橋長達9 km，加上分離段則超過10 km，這也是黃河下游橋梁的一個重要特點[16]。

鄭濟高鐵黃河特大橋灘地引橋跨度，黃河水利委員會對該河段行洪要求跨度不小于40 m[17]，因此鐵路主要采用標準跨度40 m簡支箱梁，公路采用40 m跨先簡支后連續(xù)多片小箱梁。公路、鐵路引橋采用上下層疊放合建的方式，用大跨度鋼桁梁立交跨越南北兩岸黃河大堤后，公路引橋再平面彎出分離。公鐵共建段40 m梁橫斷面布置見圖8。

圖8 公鐵共建40 m梁段橫斷面布置(單位：cm)

結合中國國家鐵路集團《高速鐵路大跨度簡支梁建造關鍵技術研究》相關科研成果，開展了跨度40 m預應力混凝土梁工法的優(yōu)化研究，綜合考慮梁場、大臨設施等費用，將鐵路箱梁制梁場與公路小箱梁制梁場合建共用。對比分析表：采用預制架設工法可降低造價570余萬元，經(jīng)濟效益顯著，同時質(zhì)量更加可控，施工風險也更低[18]。

最終整孔預制架設法架設黃河北岸灘地引橋344孔40 m鐵路梁的工藝方法獲得采用，成為世界上40 m高速鐵路整孔預制架設箱梁的首次工程應用[19]。

合建段采用(73+139+73) m連續(xù)鋼桁結合梁跨越黃河北大堤，采用跨度120 m簡支鋼桁梁跨越黃河南大堤，桁式及斷面布置與主橋第二部分基本相同[20]。連續(xù)鋼桁梁計算模型見圖9。

圖9 (73+139+73) m連續(xù)鋼桁梁計算模型

跨過大堤后公路與鐵路逐漸遠離，直至留有足夠安全距離。分離段在公路臨近鐵路側設置異物侵限監(jiān)測裝置及第二道防撞護欄，最大限度保護鐵路運營安全。公鐵共建分離段橫斷面布置見圖10。

圖10 公鐵共建分離段橫斷面布置(單位：cm)

6 主要科研項目

鄭濟高鐵黃河特大橋在設計過程中積極探索，對長聯(lián)大跨高速鐵路無砟軌道鋼橋、高速鐵路大跨度整孔預制架設簡支箱梁應用等若干鐵路前沿工程技術進行了科研攻關。

(1)針對長聯(lián)大跨高速鐵路無砟軌道鋼橋主要開展了以下研究：大跨度無砟軌道連續(xù)鋼桁梁橋結構設計研究；大跨鋼橋-無砟軌道變形參數(shù)和橋梁剛度限值研究；長聯(lián)大跨無砟軌道連續(xù)鋼桁梁橋施工關鍵技術研究；連續(xù)鋼桁梁橋軌道結構設計與措施研究。

(2)針對高速鐵路大跨度整孔預制架設簡支箱梁應用技術開展了以下研究：40 m簡支箱梁設計研究；1 000 t-40 m級搬提運架設備研究；經(jīng)濟與適用性研究；高精度BIM模型應用等研究。

這些科研工作的及時開展與獲得的研究成果，為鄭濟高鐵黃河特大橋工程建設提供了必要的技術支持，取得了良好的應用效果。

長聯(lián)大跨無砟軌道連續(xù)鋼桁梁橋和40 m整孔預制架設箱梁這兩項關鍵技術均屬國際首創(chuàng)，有力地推動了我國高速鐵路橋梁建造技術邁向世界頂尖行列。

7 結語

鄭濟高鐵黃河特大橋于2017年開工建設，2020年5月大橋主橋順利合龍，預計2022年建成通車，屆時將是我國首座跨越大江大河的高速鐵路大跨度無砟軌道鋼結構橋梁。該橋在建設過程中取得了多項科研技術成果，有力地支撐了大橋的順利實施，為鄭濟高鐵按時建成通車打下了堅實基礎，同時也將為大跨度鋼桁梁橋上鋪設無砟軌道積累寶貴的實踐經(jīng)驗，為類似橋梁工程勘察設計提供參考和借鑒。