隨著“一帶一路”國家級戰略的深入推進，蘭州作為我國西北地區的橋頭堡，承載了助力區域騰飛的重任，完備的交通運輸網絡成為促進蘭州地區持續發展的必要保障。
位於蘭州市西固區的柴家峽黃河大橋，主橋總長為598.862m，是蘭州市“三橫兩縱一環”主幹路網西延伸段，承擔了連接主城區與國際港務區的重要功能,屬於蘭州市交通網絡中的重點工程。結合濱河道路建設，柴家峽黃河大橋項目將打造成“黃河風情線”，構築蘭州東西向貫穿城市的核心綠脈，為城市綜合管線的佈設提供新的建設通道。可以預見，建成後的柴家峽大橋對提升蘭州乃至西北地區的區域流通具有重要的意義。
橋位與橋型比選
柴家峽黃河大橋為高低塔雙索麵鋼樑斜拉橋，跨徑佈置為（46.8+49.2+364m+49.2+46.8+ 42.862）m，大橋設計結合了建設條件與道路佈線的要求，平面線形佈置了一段長度為186m、曲率半徑為600m的圓曲線。為攻克大橋的設計難題，保障大橋結構安全與服務性能，針對鋼橋面鋪裝、結構受力、大變位伸縮裝置與減震體系開展了專題研究。在柴家峽大橋至港務區大橋聯絡線工程方案設計階段，提出了兩個總體方案：一是黃河北岸濱河線位；二是柴家峽黃河大橋+西行線+港務區大橋方案，具體情況如圖1所示。受黃河北岸敏感工業區的限制，方案一無法保證相應的安全距離，經多次專家評審後，最終確定選擇方案二，通過柴家峽黃河大橋過河後接入新西行線，之後沿西行線向西通過港務區大橋與黃河北岸以及京藏高速聯繫。
柴家峽黃河大橋的橋址最終選定於柴家峽水電站大壩下游約654m處，在北側可以避開水電站的廠區擴建段與山體薄弱區，在南側也具備跨越水電站壩頂道路的空間。大橋橋位在黃河北岸受到山脈限制，在黃河南岸受到蘭新鐵路控制，道路展線空間十分有限，很難做到線路與河道正交或接近正交的狀態。為保證橋樑道路的銜接順暢，大橋跨河段中心線由R=600m圓曲線和R=1050m圓曲線及中間的緩和曲線構成，具體平面佈置如圖1所示。
圖1 柴家峽黃河大橋平面佈置示意圖
根據黃河水利委員會對蘭州市橋樑建設會議精神，黃河河道在蘭州段應保證河道寬度300～350m。橋位處黃河現狀河道寬度約125～160m，百年一遇洪水位時河道寬約180m，由於線路軸線與河道斜交約47°，則主孔跨徑需不小於270m，由此要求柴家峽黃河大橋一跨過河。針對橋樑的大跨度需求，常見的結構形式包括拱橋、懸索橋與斜拉橋，但是前兩者無法適應600m曲線半徑的佈設要求，因而柴家峽黃河大橋選定了斜拉橋的結構形式。在此基礎上，比較了兩個斜拉橋的設計方案——
1.等高雙塔雙索麵斜拉橋：跨徑組合為42m+116m+330m+116m+42m，邊、中跨比為0.48，橋塔採用獨柱形式，南側曲線段主塔向平曲線外側傾斜8°，使得該塔外傾後位移和彎矩減小50%左右；主樑採用雙箱雙室扁平鋼箱梁，全橋共採用了40對平行鋼絲斜拉索；大橋採用半漂浮支承體系。
2.高低塔雙索麵斜拉橋：跨徑組合為46.8m+49.2m+364m+49.2m+46.8m+42.862m，邊、中跨比為0.38，南北兩側主塔高度分別為115.5m與99.9m；主樑採用雙箱閉口鋼樑截面，全橋共採用了56對平行鋼絲斜拉索；大橋採用半漂浮支承體系。
考慮到方案二採用高低塔布置，使得由南岸進入的曲線段集中在矮塔一側，可有效降低結構受力的複雜程度，初步的靜力計算結果也指出方案二的塔底彎矩較小。另外，方案一主橋長度更大，且曲線段橋塔不與水平面垂直，會增加施工風險與工程造價，美觀效果也較為欠缺。因此，經過綜合比較，柴家峽黃河大橋最終選定了方案二的高低塔雙索麵斜拉橋，大橋的立面佈置如圖 2所示。
圖2 柴家峽黃河大橋立面圖（單位：mm）
結構設計創新與突破
柴家峽黃河大橋的設計使用年限為100年， 按城市主幹路設計，設計行車速度60km/h。汽車荷載選用城-A級，防撞等級選用SA、SAm級。按照內河V級航道雙向通航，通航淨空尺度為110x8m，上底寬為99m。設計最高通航水位為洪水重現期2年一遇水位。另外，黃河水利委員會要求跨河橋樑水中墩不超過兩個，且順河橋樑不得侵佔河道跨徑不小於30m。
柴家峽黃河大橋最終選用的結構形式為高低塔雙索麵六跨連續鋼樑斜拉橋，主橋長度為598.862m，最小平面曲線半徑為600m，曲線段長度為186m。
1.主塔
柴家峽黃河大橋主塔採用“A”形C50混凝土橋塔，設置一道下橫樑，具體佈置如圖3所示。塔柱為帶倒角的矩形截面，上中塔柱為6.0x4.5m的等截面，下塔柱的橫橋向寬度由4.5m漸變至塔底的7.0m。中上塔柱的拉索錨固區前壁厚1.2m，側壁厚1.0m。
圖3 主塔立面圖（單位：mm）
2.主樑
主樑採用等高度雙箱閉口鋼樑截面，中心內扣高度為3m，頂寬35.5m，採用Q345qD鋼材，其標準橫斷面如圖 4所示。鋼樑頂板厚度14mm，其中兩側錨固區1m範圍內加厚至30mm；平底板厚度20mm，斜底板16mm；箱室內腹板厚度14mm，外腹板30mm；橫隔板間距3m，板厚12mm，在拉索斷面加厚至16mm。
橋面佈置為：0.75m（拉索區）+0.25m（欄杆）+4m（非機動車道）+0.5m（防撞護欄）+12.0m（車行道）+0.5m（防撞護欄））+12.0m（車行道）+0.5m（防撞護欄）+4m（非機動車道）+0.25m（欄杆）+0.75m（拉索區）=35.5m。
圖4 主樑標準橫斷面佈置圖（單位：mm）
3.斜拉索
斜拉索採用單絲塗敷環氧塗層鋼絞線，雙索麵扇形佈置。全橋合計112根斜拉索，梁端縱向索距錨跨為7.8m，中跨為12m，塔端豎向間距為2m。索塔上斜拉索採用環向預應力和錨塊相結合的錨固方式，環向預應力採用標準強度為1860MPa的高強度低鬆弛光面鋼絞線，管道採用HDPE，真空吸漿工藝。
4.下部結構
主塔墩均採用C35混凝土矩形承臺，南北側承臺厚度分別為4.5m與5m；主塔墩基礎採用直徑2500mm鑽孔樁，南北側設計樁長分別為35m與45m。輔助墩採用C35混凝土矩形承臺，承臺厚2.5m；輔助墩與過渡墩均採用直徑1.5m鑽孔樁基礎，輔助墩每個橋墩12根樁，過渡墩每個橋墩18根樁。
關鍵技術研究與分析
柴家峽黃河大橋主跨364m，主跨平面線形包含186m的曲線段，曲率半徑達到600m，是目前同類型斜拉橋中跨徑最大的。為攻克設計中的技術難題，更好地為橋樑施工與運營服務，針對鋼橋面鋪裝、靜力分析、伸縮裝置與減隔震體系四個方面，開展了深入的研究與分析。
橋面鋪裝 新材料創造高性能
柴家峽黃河大橋採用鋼主樑，如果採用目前主流的瀝青基橋面鋪裝，將在重載、超載等多方不利因素的影響下，出現鋪裝層破損與鋼結構開裂等問題，對橋樑的安全性能與服役性能造成威脅。針對這些問題，柴家峽黃河大橋選用了改性聚氨酯混凝土鋼橋面鋪裝系統，具體如圖 5所示。改性聚氨酯混凝土採用多組分熱固性高分子合成材料作為橋面鋪裝結合料，具備良好的力學性能與耐磨性能，鋪裝層的損耗可得到有效控制。混凝土鋪裝層與鋼橋面板通過反應性聚氨酯專用底膠粘結，具備良好的整體抗拉拔與抗剪性能，可實現鋪裝系統的協同受力，增強鋼橋面板的抗疲勞性能。
圖5 改性聚氨酯混凝土鋼橋面鋪裝系統示意圖
在滿足橋面鋪裝系統的基本力學與耐久性要求之外，改性聚氨酯混凝土鋼橋面鋪裝系統在以下四個方面具備顯著的優勢：
（1）改性聚氨酯混凝土鋪裝可實現超薄設計，在柴家峽黃河大橋中，行車路面的鋪裝厚度為50mm，人行道的鋪裝厚度為20mm，相較於傳統的180mm瀝青混凝土鋪裝，改性聚氨酯混凝土鋪裝可大大減少結構自重，優化結構的力學性能。
（2）改性聚氨酯混凝土具備良好的溫度適應性，其線膨脹係數約為鋼的1.2倍，在溫度變化情況下與鋼結構的變形能保持協調，有效減小溫度造成的層間應力，而且改性聚氨酯混凝土具備良好的高溫穩定性，抗拉拔強度較之25°C的條件下，在55°C下可保留近60%。
（3）改性聚氨酯混凝土在鋪裝過程中可實現機械化施工，拌和過程中無需高溫，整個鋪裝系統的鋪設時間可控制在2～4小時內，有利於縮短柴家峽黃河大橋的建設週期，而且鋪設過程造成的環境汙染小，對黃河區域的環境影響可得到有效控制。
靜力分析 平衡結構受力
曲線斜拉橋的結構受力較為複雜，具備顯著的空間特性，其恆載造成的主樑扭轉可以通過內外側索力調整進行平衡，但溫度與活載造成的扭轉效應則由主樑和拉索共同承擔，使得內外側索力出現差別，主塔兩側的受力出現不均衡性，從而導致內外側支座反力出現不對稱，顯著增大梁端位移。
為探討柴家峽黃河大橋的空間受力特性，保證橋樑結構運營期間的服役性能，對大橋開展了靜力分析。計算採用CSI Bridge橋樑專用分析軟件，主樑、主塔和橋墩均採用梁單元模擬，斜拉索採用杆單元模擬，主樑採用單主樑力學模型進行模擬。計算模型中，斜拉索通過主從約束與主樑相連接，主樑通過彈性連接與墩、塔相連。由於柴家峽黃河大橋採用縱向全漂浮體系，各支座僅在橫向與豎向存在約束，承臺底採用六彈簧模型模擬各群樁基礎的影響。
圖6 柴家峽黃河大橋結構位移（單位：mm）
靜力分析中考慮了永久作用（恆載、不均勻沉降）與可變作用（汽車荷載、人非荷載、溫度作用、風荷載）的共同作用，在標準組合下，最大單支座反力出現在南輔助墩上，為1239.2t，靠近主跨的北輔助墩中會出現182.4t的最大負反力，位於曲線段的南塔支座中會出現485.0t的橫向剪力；主樑最大軸壓力為120951kN，最大豎向與橫向彎矩分別為156961kN·m與178944 kN·m；南北塔的內力最大截面均出現在塔底，最大軸力分別為319679kN與382914kN；最大順橋向彎矩分別為824465kN·m與806096kN·m，最大橫橋向彎矩分別為969731kN·m與563041kN·m；斜拉索在汽車荷載與人群荷載作用下的應力幅最大值為145MPa，滿足基本要求。在考慮恆載與活載造成的結構位移的最不利組合後，給出了塔頂與主跨跨中的位移最大值，梁端變形的總量也示於其中，各位移量均滿足規範的基本要求。
創新伸縮裝置 行車更穩更安全
曲線斜拉橋存在顯著的空間受力特性，在恆載與運營期間的活載作用下，梁端的三維變形與移位較之常規直線斜拉橋更為明顯，柴家峽黃河大橋的大跨徑將進一步增強這一效應。為滿足行車穩定性和通行安全性，柴家峽黃河大橋特別研製了大位移多向變位梳齒板式伸縮裝置，具備不小於0.03rad的豎向和0.03rad的水平轉角性能，並在重載交通通行情況下具備更高的抗衝擊能力，其具體佈置如圖 7所示。
圖7 大位移多向變位梳齒板式伸縮裝置示意圖
為更好地服務於柴家峽黃河大橋的運營維護工作，大橋採用的大位移多向變位伸縮裝置，還在耐久性、可更換性與排水裝置等三個方面做出了改進與調整：
（1）通過更改單元式多向變位梳形板橋梁伸縮裝置的原材料，改用355NH高耐候鋼，並調整防腐處理方案，提高伸縮裝置的抗除冰鹽腐蝕性能。
（2）根據單元式多向變位梳形板橋梁伸縮裝置的產品結構特點，優化結構製作及安裝工藝，提高伸縮裝置的設計使用年限和可快速維護更換性能。
（3）通過更改伸縮裝置止水帶的結構及固定方式，並增設導水結構，使伸縮裝置密水和排水可控。
佈置減震體系 提高抗震性能
柴家峽黃河大橋不僅結構形式複雜,橋址處場地內地震活動相對強烈，鄰區的強烈地震每次也都波及到該區。根據現行國家抗震設計標準,柴家峽黃河大橋屬於甲類橋,橋址處的地震基本烈度為8度，E1與E2地震作用下的水平向地震動峰值加速度分別為0.20g與0.40g,特徵週期均為0.45s。
通過Simqke_gr軟件將E1與E2地震設計反應譜轉化為加速度時程，以此為輸入在Midas Civil程序中對柴家峽黃河大橋開展了時程分析，計算過程中考慮了縱橋向+豎橋向與橫橋向+豎橋向兩個輸入工況。在E2地震作用對應的加速度時程作用下，柴家峽黃河大橋南北側主塔塔底與樁基礎、南過渡墩墩底與樁基均會出現較大的地震響應，造成截面屈服。計算結果也同時指出，在縱、橫向地震輸入下，對應垂直方向的彎矩值也較大，呈現出明顯的空間耦合特性。
為提高柴家峽黃河大橋的抗震性能，開展了全橋減震體系研究，在南北主塔上佈置了縱向液壓黏滯阻尼器，根據對大橋顯著的橫向受力與空間耦合特性，在南北主塔與南北過渡墩上均佈置了橫橋向金屬阻尼器，其以三角形鋼板為耗能構件，在保障梁塔間縱向移動自由的同時，具備良好的橫向耗能能力，其構造如圖8所示。
圖8 金屬阻尼器構造示意圖
基於柴家峽黃河大橋的抗震分析計算，對縱橫向的阻尼器開展了參數優化，最終確定液壓黏滯阻尼器的阻尼係數和速度指數分別5000與0.2，金屬阻尼器每組設置8塊三角形鋼板，鋼板的板高、板寬與板厚分別為0.8m、1m與0.03m。對佈置了減震體系的柴家峽黃河大橋再次開展了時程分析，結果顯示，減震體系對地震響應有良好的控制效果。在縱向地震作用下，南北主塔塔底與墩底的彎矩和剪力均減小了70%左右；在橫向地震作用下，輔助墩墩底與樁身內力可下降至少40%，南北塔承臺底的內力響應下降至少10%。設置全橋減震體系之後，在E2地震作用下，柴家峽黃河大橋各主要構件的截面將不再出現屈服。
作者 / 周良 彭俊 吳勇
作者單位 / 上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司
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