随着“一带一路”国家级战略的深入推进，兰州作为我国西北地区的桥头堡，承载了助力区域腾飞的重任，完备的交通运输网络成为促进兰州地区持续发展的必要保障。
位于兰州市西固区的柴家峡黄河大桥，主桥总长为598.862m，是兰州市“三横两纵一环”主干路网西延伸段，承担了连接主城区与国际港务区的重要功能,属于兰州市交通网络中的重点工程。结合滨河道路建设，柴家峡黄河大桥项目将打造成“黄河风情线”，构筑兰州东西向贯穿城市的核心绿脉，为城市综合管线的布设提供新的建设通道。可以预见，建成后的柴家峡大桥对提升兰州乃至西北地区的区域流通具有重要的意义。
桥位与桥型比选
柴家峡黄河大桥为高低塔双索面钢梁斜拉桥，跨径布置为（46.8+49.2+364m+49.2+46.8+ 42.862）m，大桥设计结合了建设条件与道路布线的要求，平面线形布置了一段长度为186m、曲率半径为600m的圆曲线。为攻克大桥的设计难题，保障大桥结构安全与服务性能，针对钢桥面铺装、结构受力、大变位伸缩装置与减震体系开展了专题研究。在柴家峡大桥至港务区大桥联络线工程方案设计阶段，提出了两个总体方案：一是黄河北岸滨河线位；二是柴家峡黄河大桥+西行线+港务区大桥方案，具体情况如图1所示。受黄河北岸敏感工业区的限制，方案一无法保证相应的安全距离，经多次专家评审后，最终确定选择方案二，通过柴家峡黄河大桥过河后接入新西行线，之后沿西行线向西通过港务区大桥与黄河北岸以及京藏高速联系。
柴家峡黄河大桥的桥址最终选定于柴家峡水电站大坝下游约654m处，在北侧可以避开水电站的厂区扩建段与山体薄弱区，在南侧也具备跨越水电站坝顶道路的空间。大桥桥位在黄河北岸受到山脉限制，在黄河南岸受到兰新铁路控制，道路展线空间十分有限，很难做到线路与河道正交或接近正交的状态。为保证桥梁道路的衔接顺畅，大桥跨河段中心线由R=600m圆曲线和R=1050m圆曲线及中间的缓和曲线构成，具体平面布置如图1所示。
图1 柴家峡黄河大桥平面布置示意图
根据黄河水利委员会对兰州市桥梁建设会议精神，黄河河道在兰州段应保证河道宽度300～350m。桥位处黄河现状河道宽度约125～160m，百年一遇洪水位时河道宽约180m，由于线路轴线与河道斜交约47°，则主孔跨径需不小于270m，由此要求柴家峡黄河大桥一跨过河。针对桥梁的大跨度需求，常见的结构形式包括拱桥、悬索桥与斜拉桥，但是前两者无法适应600m曲线半径的布设要求，因而柴家峡黄河大桥选定了斜拉桥的结构形式。在此基础上，比较了两个斜拉桥的设计方案——
1.等高双塔双索面斜拉桥：跨径组合为42m+116m+330m+116m+42m，边、中跨比为0.48，桥塔采用独柱形式，南侧曲线段主塔向平曲线外侧倾斜8°，使得该塔外倾后位移和弯矩减小50%左右；主梁采用双箱双室扁平钢箱梁，全桥共采用了40对平行钢丝斜拉索；大桥采用半漂浮支承体系。
2.高低塔双索面斜拉桥：跨径组合为46.8m+49.2m+364m+49.2m+46.8m+42.862m，边、中跨比为0.38，南北两侧主塔高度分别为115.5m与99.9m；主梁采用双箱闭口钢梁截面，全桥共采用了56对平行钢丝斜拉索；大桥采用半漂浮支承体系。
考虑到方案二采用高低塔布置，使得由南岸进入的曲线段集中在矮塔一侧，可有效降低结构受力的复杂程度，初步的静力计算结果也指出方案二的塔底弯矩较小。另外，方案一主桥长度更大，且曲线段桥塔不与水平面垂直，会增加施工风险与工程造价，美观效果也较为欠缺。因此，经过综合比较，柴家峡黄河大桥最终选定了方案二的高低塔双索面斜拉桥，大桥的立面布置如图 2所示。
图2 柴家峡黄河大桥立面图（单位：mm）
结构设计创新与突破
柴家峡黄河大桥的设计使用年限为100年， 按城市主干路设计，设计行车速度60km/h。汽车荷载选用城-A级，防撞等级选用SA、SAm级。按照内河V级航道双向通航，通航净空尺度为110x8m，上底宽为99m。设计最高通航水位为洪水重现期2年一遇水位。另外，黄河水利委员会要求跨河桥梁水中墩不超过两个，且顺河桥梁不得侵占河道跨径不小于30m。
柴家峡黄河大桥最终选用的结构形式为高低塔双索面六跨连续钢梁斜拉桥，主桥长度为598.862m，最小平面曲线半径为600m，曲线段长度为186m。
1.主塔
柴家峡黄河大桥主塔采用“A”形C50混凝土桥塔，设置一道下横梁，具体布置如图3所示。塔柱为带倒角的矩形截面，上中塔柱为6.0x4.5m的等截面，下塔柱的横桥向宽度由4.5m渐变至塔底的7.0m。中上塔柱的拉索锚固区前壁厚1.2m，侧壁厚1.0m。
图3 主塔立面图（单位：mm）
2.主梁
主梁采用等高度双箱闭口钢梁截面，中心内扣高度为3m，顶宽35.5m，采用Q345qD钢材，其标准横断面如图 4所示。钢梁顶板厚度14mm，其中两侧锚固区1m范围内加厚至30mm；平底板厚度20mm，斜底板16mm；箱室内腹板厚度14mm，外腹板30mm；横隔板间距3m，板厚12mm，在拉索断面加厚至16mm。
桥面布置为：0.75m（拉索区）+0.25m（栏杆）+4m（非机动车道）+0.5m（防撞护栏）+12.0m（车行道）+0.5m（防撞护栏））+12.0m（车行道）+0.5m（防撞护栏）+4m（非机动车道）+0.25m（栏杆）+0.75m（拉索区）=35.5m。
图4 主梁标准横断面布置图（单位：mm）
3.斜拉索
斜拉索采用单丝涂敷环氧涂层钢绞线，双索面扇形布置。全桥合计112根斜拉索，梁端纵向索距锚跨为7.8m，中跨为12m，塔端竖向间距为2m。索塔上斜拉索采用环向预应力和锚块相结合的锚固方式，环向预应力采用标准强度为1860MPa的高强度低松弛光面钢绞线，管道采用HDPE，真空吸浆工艺。
4.下部结构
主塔墩均采用C35混凝土矩形承台，南北侧承台厚度分别为4.5m与5m；主塔墩基础采用直径2500mm钻孔桩，南北侧设计桩长分别为35m与45m。辅助墩采用C35混凝土矩形承台，承台厚2.5m；辅助墩与过渡墩均采用直径1.5m钻孔桩基础，辅助墩每个桥墩12根桩，过渡墩每个桥墩18根桩。
关键技术研究与分析
柴家峡黄河大桥主跨364m，主跨平面线形包含186m的曲线段，曲率半径达到600m，是目前同类型斜拉桥中跨径最大的。为攻克设计中的技术难题，更好地为桥梁施工与运营服务，针对钢桥面铺装、静力分析、伸缩装置与减隔震体系四个方面，开展了深入的研究与分析。
桥面铺装 新材料创造高性能
柴家峡黄河大桥采用钢主梁，如果采用目前主流的沥青基桥面铺装，将在重载、超载等多方不利因素的影响下，出现铺装层破损与钢结构开裂等问题，对桥梁的安全性能与服役性能造成威胁。针对这些问题，柴家峡黄河大桥选用了改性聚氨酯混凝土钢桥面铺装系统，具体如图 5所示。改性聚氨酯混凝土采用多组分热固性高分子合成材料作为桥面铺装结合料，具备良好的力学性能与耐磨性能，铺装层的损耗可得到有效控制。混凝土铺装层与钢桥面板通过反应性聚氨酯专用底胶粘结，具备良好的整体抗拉拔与抗剪性能，可实现铺装系统的协同受力，增强钢桥面板的抗疲劳性能。
图5 改性聚氨酯混凝土钢桥面铺装系统示意图
在满足桥面铺装系统的基本力学与耐久性要求之外，改性聚氨酯混凝土钢桥面铺装系统在以下四个方面具备显著的优势：
（1）改性聚氨酯混凝土铺装可实现超薄设计，在柴家峡黄河大桥中，行车路面的铺装厚度为50mm，人行道的铺装厚度为20mm，相较于传统的180mm沥青混凝土铺装，改性聚氨酯混凝土铺装可大大减少结构自重，优化结构的力学性能。
（2）改性聚氨酯混凝土具备良好的温度适应性，其线膨胀系数约为钢的1.2倍，在温度变化情况下与钢结构的变形能保持协调，有效减小温度造成的层间应力，而且改性聚氨酯混凝土具备良好的高温稳定性，抗拉拔强度较之25°C的条件下，在55°C下可保留近60%。
（3）改性聚氨酯混凝土在铺装过程中可实现机械化施工，拌和过程中无需高温，整个铺装系统的铺设时间可控制在2～4小时内，有利于缩短柴家峡黄河大桥的建设周期，而且铺设过程造成的环境污染小，对黄河区域的环境影响可得到有效控制。
静力分析 平衡结构受力
曲线斜拉桥的结构受力较为复杂，具备显著的空间特性，其恒载造成的主梁扭转可以通过内外侧索力调整进行平衡，但温度与活载造成的扭转效应则由主梁和拉索共同承担，使得内外侧索力出现差别，主塔两侧的受力出现不均衡性，从而导致内外侧支座反力出现不对称，显著增大梁端位移。
为探讨柴家峡黄河大桥的空间受力特性，保证桥梁结构运营期间的服役性能，对大桥开展了静力分析。计算采用CSI Bridge桥梁专用分析软件，主梁、主塔和桥墩均采用梁单元模拟，斜拉索采用杆单元模拟，主梁采用单主梁力学模型进行模拟。计算模型中，斜拉索通过主从约束与主梁相连接，主梁通过弹性连接与墩、塔相连。由于柴家峡黄河大桥采用纵向全漂浮体系，各支座仅在横向与竖向存在约束，承台底采用六弹簧模型模拟各群桩基础的影响。
图6 柴家峡黄河大桥结构位移（单位：mm）
静力分析中考虑了永久作用（恒载、不均匀沉降）与可变作用（汽车荷载、人非荷载、温度作用、风荷载）的共同作用，在标准组合下，最大单支座反力出现在南辅助墩上，为1239.2t，靠近主跨的北辅助墩中会出现182.4t的最大负反力，位于曲线段的南塔支座中会出现485.0t的横向剪力；主梁最大轴压力为120951kN，最大竖向与横向弯矩分别为156961kN·m与178944 kN·m；南北塔的内力最大截面均出现在塔底，最大轴力分别为319679kN与382914kN；最大顺桥向弯矩分别为824465kN·m与806096kN·m，最大横桥向弯矩分别为969731kN·m与563041kN·m；斜拉索在汽车荷载与人群荷载作用下的应力幅最大值为145MPa，满足基本要求。在考虑恒载与活载造成的结构位移的最不利组合后，给出了塔顶与主跨跨中的位移最大值，梁端变形的总量也示于其中，各位移量均满足规范的基本要求。
创新伸缩装置 行车更稳更安全
曲线斜拉桥存在显著的空间受力特性，在恒载与运营期间的活载作用下，梁端的三维变形与移位较之常规直线斜拉桥更为明显，柴家峡黄河大桥的大跨径将进一步增强这一效应。为满足行车稳定性和通行安全性，柴家峡黄河大桥特别研制了大位移多向变位梳齿板式伸缩装置，具备不小于0.03rad的竖向和0.03rad的水平转角性能，并在重载交通通行情况下具备更高的抗冲击能力，其具体布置如图 7所示。
图7 大位移多向变位梳齿板式伸缩装置示意图
为更好地服务于柴家峡黄河大桥的运营维护工作，大桥采用的大位移多向变位伸缩装置，还在耐久性、可更换性与排水装置等三个方面做出了改进与调整：
（1）通过更改单元式多向变位梳形板桥梁伸缩装置的原材料，改用355NH高耐候钢，并调整防腐处理方案，提高伸缩装置的抗除冰盐腐蚀性能。
（2）根据单元式多向变位梳形板桥梁伸缩装置的产品结构特点，优化结构制作及安装工艺，提高伸缩装置的设计使用年限和可快速维护更换性能。
（3）通过更改伸缩装置止水带的结构及固定方式，并增设导水结构，使伸缩装置密水和排水可控。
布置减震体系 提高抗震性能
柴家峡黄河大桥不仅结构形式复杂,桥址处场地内地震活动相对强烈，邻区的强烈地震每次也都波及到该区。根据现行国家抗震设计标准,柴家峡黄河大桥属于甲类桥,桥址处的地震基本烈度为8度，E1与E2地震作用下的水平向地震动峰值加速度分别为0.20g与0.40g,特征周期均为0.45s。
通过Simqke_gr软件将E1与E2地震设计反应谱转化为加速度时程，以此为输入在Midas Civil程序中对柴家峡黄河大桥开展了时程分析，计算过程中考虑了纵桥向+竖桥向与横桥向+竖桥向两个输入工况。在E2地震作用对应的加速度时程作用下，柴家峡黄河大桥南北侧主塔塔底与桩基础、南过渡墩墩底与桩基均会出现较大的地震响应，造成截面屈服。计算结果也同时指出，在纵、横向地震输入下，对应垂直方向的弯矩值也较大，呈现出明显的空间耦合特性。
为提高柴家峡黄河大桥的抗震性能，开展了全桥减震体系研究，在南北主塔上布置了纵向液压黏滞阻尼器，根据对大桥显著的横向受力与空间耦合特性，在南北主塔与南北过渡墩上均布置了横桥向金属阻尼器，其以三角形钢板为耗能构件，在保障梁塔间纵向移动自由的同时，具备良好的横向耗能能力，其构造如图8所示。
图8 金属阻尼器构造示意图
基于柴家峡黄河大桥的抗震分析计算，对纵横向的阻尼器开展了参数优化，最终确定液压黏滞阻尼器的阻尼系数和速度指数分别5000与0.2，金属阻尼器每组设置8块三角形钢板，钢板的板高、板宽与板厚分别为0.8m、1m与0.03m。对布置了减震体系的柴家峡黄河大桥再次开展了时程分析，结果显示，减震体系对地震响应有良好的控制效果。在纵向地震作用下，南北主塔塔底与墩底的弯矩和剪力均减小了70%左右；在横向地震作用下，辅助墩墩底与桩身内力可下降至少40%，南北塔承台底的内力响应下降至少10%。设置全桥减震体系之后，在E2地震作用下，柴家峡黄河大桥各主要构件的截面将不再出现屈服。
作者 / 周良 彭俊 吴勇
作者单位 / 上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司
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