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1、黄大线黄河大桥总体方案设计张小坤（铁道第一勘察设计院桥隧处兰州7300000931-4933133）内容摘要黄大线黄河大桥地处山东省东北部，是黄大铁路最为关键的控制性工程，其工程建设实施将有利于建立鲁北地区与中西部能源基地间的直接交通联系，完善环渤海地区铁路网布局，拓展神华集团煤炭销售市场，改善地区运输结构和促进沿线经济发展，受地形、防洪、通航等条件制约，本桥主桥要求跨度大，对投资控制及工期等方面也提出了较高要求，主桥无论采用何种桥式方案均为大跨桥梁结构，技术难度大、要求高。关键词黄大线黄河大桥桥位及桥式方案比选构造设计特点方案实施设想一、工程概况黄大线黄河大桥是黄大铁路最为关键的控制性大型桥
2、梁工程，地处山东省东北部，黄河下游鲁北平原区，在山东省滨州市东北的利津县附近跨越黄河，距离黄河入海口约100120km。桥位所在段黄河属平原型河流，由于历史上黄河多次改道和决口泛滥，加上自然侵蚀和人类活动的影响，形成了微地貌差异较大的地貌特征。由于泥砂淤积，河床逐年抬高，形成“地上悬河”，高于两岸阶地26m。桥址范围地表以下80m内，地层以粉质黏土、粉土为主，没有良好的天然基础持力层，基础类型采用钻孔灌注桩比较适宜，桩尖持力层宜在第四层上更新统海陆交互沉积（Q3mc）或第五层中更新统海陆交互沉积（Q2mc）的粉质粘土、粉土、粉细砂层中。桥址处的地表水发育，为黄河河水，地下水为第四系潜水，主要赋
3、存于第四系冲积、海陆交互沉积的粉质粘土、粉土中，地下水位埋深13m，主要受大气降水补给，地下水水质较复杂，上部受黄河水影响为淡水，水质较好，对圬工无侵蚀性，约为1015m左右，下部以咸水为主，矿化度较高，深部取水样较为困难，根据水质分析报告，综合考虑地下水对圬工具有硫酸盐弱侵蚀性。本地区属暖温带亚湿润季风气候，受海洋气流影响明显，其主要特征是：春旱多风，夏热多雨，冬季干冷，四季明显，年平均气温12.712.9，极端最高气温40.9，极端最低气温-20.9，最冷月平均气温-3.2，最热月平均气温-26.6。平均风速2.73.2m/s，主导风向SE及SSE，最大风速38.3m/s，风向WSW。最大
4、积雪厚度24cm，土壤最大冻结深度55cm。二、主要技术标准1、铁路等级：国铁级。2、正线数目：单线。3、限制坡度：4；钢桁梁范围纵坡0。4、限界：桥梁按“桥限2”4、最小曲线半径：全线800m，黄河大桥最小半径3000m。5、设计荷载：中-活载。6、通航净空：根据黄河航务部门意见，黄河按内河级航道考虑，净高8m，净宽80m。7、最高通航水位：流量3000/s时的水位，并考虑30年淤积值2.85m。8、设计流量：11000/s9、设计水位：采用流量11000/s时的水位，并考虑50年淤积值5.37m。10、地震烈度：度。三、水文黄河是我国第二大河流，干流长度5464km，流域面积75.24万平
5、方公里，桥位所处黄河下游河段泺口至利津河段经过多年综合治理，现已基本成为人工控制的弯曲性河段，河弯难以自由发展，摆动幅度相对较小，属黄河治理相对较好、河道比较稳定的河段，黄河两岸堤距约为0.55.1公里，河槽宽在0.41.2公里之间，黄河本河段河道平均比降为0.1001，发生洪水机遇相对较多，遇较大洪水易形成漫滩，防洪压力相对较大。根据国家相关文件，桥位范围黄河的设计流量按11000/s考虑。黄河含砂量大，泥砂的落淤范围被局限在两岸大堤之间，黄河下游河道属淤积性河道，河道呈逐年淤积抬高之势，河床滩面高出背河地面3m左右，形成著名的“悬河”现象。根据黄委会的综合分析，桥位处前10年按淤积0.33
6、m计，后40年洪水位年均升高值仍采用每年上涨0.126m的规划设计值。经推算大桥2053年设计洪水位将升高5.37m。由于本段黄河为淤积性河流，冲刷较大，根据王旺庄、张家滩断面统测资料和桥位附近险工、控导工程根石探摸资料、历史大洪水冲刷深度等综合分析后本次设计总冲刷深度按大田家桥位滩唇以下河床最大为20m，左右滩地的最大冲刷深度按5.5m采用。黄河大桥各拟选桥位位于所在山东地处黄河段，受相关地理纬度变化、太平洋气候以及河道形态等因素的影响，凌汛现象非常严重；且该河段河槽狭窄，弯道多，两岸险工毗连对峙，极易卡冰阻水，是山东省凌汛较为严重的河段。凌汛期卡冰阻水或形成冰坝的因素较多，情况也比较复杂，
7、但该河段河势相对较为平顺，只要合理确定桥孔跨度，建桥后应当不会对凌汛造成较大影响。考虑到两个桥位都位于济南以下窄河段，桥位处河道较窄，是凌汛期卡冰壅水的重点河段，桥孔跨度必须满足行凌要求。黄大铁路黄河特大桥跨越黄河预选桥位所处河段，来水、来砂条件基本相同，洪水及凌汛情况也基本一致，参照最大冰块尺寸、最大流凌密度及凌汛期河面宽；经对多年洪水、凌情分析计算，并参照桥位上下游已建大桥的桥孔跨度综合分析，桥孔跨度必须满足防凌要求。四、桥位、桥式方案的选择黄骅南大家洼线位于鲁北及冀东南地区，沿渤海湾畔，覆盖黄河三角洲地区，北临国家重点工程之一的黄骅港工程，与其配套建设发挥综合效益，本项目意义及作用愈显重
8、要，亦可较好解决鲁北重镇滨州市的南北通路。、黄河大桥桥位选择黄河大桥是黄大铁路最为关键的控制性大型桥梁工程，桥位需根据线路走向、水文和地质条件、桥长及相应的施工难易程度、工期、工程投资等多方面因素综合选定，同时黄河大桥也对确定线路走向有很大影响。在可行性研究时根据线路的特点和走向选择，实地踏勘了三个桥位方案并与各线路方案相配合，由于拟建的滨小铁路已确定在双台桥位附近跨越黄河，考虑工程配套、水文条件及战备等方面的要求，经综合比选，在两个地市（滨洲、东营）范围选择两个桥位（宋集、大田家）配合线路选线。两个桥位方案中桥梁高程均考虑了通航、淤积等情况，各桥位在水文、地质条件等问题上有相似之点，也有不同
9、之处；大田家、宋集两个桥位方案均能满足水文、地质、通航及线路走向上的要求，虽然从桥梁本体工程投资考虑，大田家桥位比宋集桥位投资略高，但线路走向大田家桥位要比宋集桥位平顺；从地方经济发展方面考虑，走大田家桥位线路距离海滨相对较近，运营线路最短，全线工程投资较省，且兼顾了滨州市、沾化电厂等地市和重点企业，有利于综合效益的发挥，可较好的兼顾地方利益，而宋集桥位方案在线路走向等方面考虑则无明显优势。综上所述，经综合比选分析，结合批复意见，将利津大田家桥位作为本桥推荐桥位方案。、黄河大桥桥式方案的选择工程可行性研究阶段，推荐桥位处选择了主跨为180m、216m的明桥面及道碴桥面下承式连续钢桁梁、混凝土斜
10、拉桥进行了研究比较，初步设计阶段根据工程可行性研究阶段部鉴定中心评审意见及河务部门对黄河大桥跨越黄河的要求，推荐桥位处选择了主跨为180m的单线明桥面下承式连续钢桁梁、主跨为216m的单线明桥面下承式连续钢桁梁、主跨为180m的双线明桥面下承式连续钢桁梁进行了深入细致的设计研究，三种桥式方案各有优缺点，由于主跨216m单线及主跨180m双线造价高于主跨180m单线方案，经综合比较后决定黄河大桥主桥主跨以180m的单线明桥面下承式连续钢桁梁作为推荐方案。、跨越大堤方式的选择黄大线位于河北省东部和山东省北部的滨海冲积平原上，海拔高程310m，地形平缓开阔，线路高度由其所跨越的江河沟渠、地面建筑物等
11、确定。黄河大桥在大田家桥位需跨越北临黄河大堤、南临黄河大堤、南展大堤等三处大堤，为合理降低投资，需在满足相关要求的前提下尽量降低桥面高度，故在结构型式上选择了线路高度要求最低的下承式连续钢桁梁作为主导方案，同时又由于本桥所处黄河段高程由防洪水位控制，为尽量降低线路高度，跨堤方式以平交为最有利，但大田家桥位的右岸为打渔张险工，桥位轴线在9号坝的上游。桥位轴线下距曹店闸堤防长度约600m，平交处理难以适应相关要求，为避免相互影响，采用桥梁跨越。综上所述，除大田家桥位南临黄河大堤处以桥梁跨越外，其余各桥位处（包括南展大堤）均以路基平交形式跨越黄河大堤。黄河大堤（含南临黄河大堤）一次性加高至2053年
12、规划断面。立交跨越时桥墩设在50年以后的大堤断面以外，桥梁单孔净跨应不小于100m。、高程控制黄大铁路在利津大田家跨越黄河，根据国家有关的法律、法规，桥梁的梁底必须高于设计洪水位，并按照防洪和航运的要求，预留一定的超高。根据山东省交通厅港航局的批复，本段黄河最大通航流量按3000 m3/s考虑，轨底高程按27.52m进行设计。、主桥孔跨的选择黄河河务部门从水文条件对主桥设计方案提出了控制要求，要求跨越黄河主槽的主桥孔净跨应不小于210m，且主槽内桥墩不多于4个，滩地和南展区均应建桥跨越，桥梁跨越滩地单孔净跨不小于40m；南展宽区的桥梁跨越跨度应不小于32m。另外，2004年4月，通过调查了解，
13、小营至滨洲铁路（可行性研究阶段）滨洲黄河公铁两用大桥主桥采用的孔跨为“（120+3x180+120）m钢桁梁”，较本桥要求的主桥主孔跨度要求有显著减小，也得到有关部门的认可。受河务部门关于跨越黄河主河槽及主河槽范围桥孔布设条件的基本制约，势必导致黄大线黄河大桥主桥设计技术难度很大，投资规模的有效控制应作为主要因素予以考虑，由于列车荷载大，对结构动力、稳定等方面的要求很高。大桥设计中，除必须满足必要的结构纵向、竖向刚度要求外，对其横向刚度也有严格的控制要求，受结构横向刚度条件的制约，在桥梁跨度较大的条件下，结构跨度与宽度的关系更是息息相关，尤其是考虑本线为单线铁路，按建筑限界及养护要求所需的结构
14、宽度不是很大，而主孔跨度已成为制约结构宽度的基本控制因素；以主孔跨度分别为216m和180m的下承式钢桁梁方案为例，其横向两片主桁中心距按要求应分别达到9.5m和8.0m左右，已明显超出按建筑限界及养护要求所需的结构宽度需要，其中主孔216m方案构造宽度已与双线铁路相近，跨度越大对横向设计愈加不利，进而也因横向构件重量增加影响纵向设计，相对于双线或多线铁路而言，在达到一定的跨度要求条件下，单线铁路由于跨度的变化导致产生的投资变化影响更为明显，因此，在满足相关部门要求前提条件下适当控制桥梁跨度十分必要。同时，鉴于滨洲黄河公铁两用大桥的主桥跨度为180m跨，与本桥距离有限，河道条件变化不大，虽有滨
15、洲北镇黄河公路大桥所在位置的因素影响，且考虑适当减小跨度对桥梁结构所带来的较为显著的技术经济效益，结合上下游其它桥梁工程的桥跨布置特点，在考虑与有关部门作进一步的沟通协商及充分论证的前提条件下，分析今后跨度减小也有一定合理性，因而本阶段设计就主桥主孔216m、180m进行研究比较工作。且考虑随着全球气候变暖，自从70年代后至今30多年间再没有发生过大面积的流凌，本桥210m的净跨若能适当减小，对于降低工程投资，减少设计施工难度，保证工期都是十分有利的。基于河务部门对黄河特大桥跨度及其它方面的要求，在可研文件对多种桥式、桥跨方案大量比选的基础上，初步设计阶段黄河特大桥就主桥主孔跨度为216m、1
16、80m两种跨径的下承式连续栓焊钢桁梁明桥面进行研究比较。、引桥布置各方案黄河大堤外（包括大田家桥位南展大堤范围）引桥均采用32m预应力混凝土简支梁，圆端形桥墩，桥台根据填土高分别采用埋式桥台和T形桥台。各方案黄河大堤内引桥均采用56m预应力混凝土简支梁，圆端形桥墩，桥墩设置需满足破冰需要，桥台根据填土高采用埋式桥台，基础均采用钢筋混凝土钻孔灌注桩基础。起桥高度按8m左右考虑。五、桥式方案比选、孔跨布置本次设计共比选了三种方案，方案一为主孔180m下承式连续钢桁梁明桥面单线方案，孔跨布置为5732mT梁+856m箱梁+一联(132+3180+132)m下承式连续栓焊钢桁梁+一联（2108）m钢桁
17、梁+8232mT梁，桥梁总长6057.16m；主桥上部结构钢桁梁采用无竖杆三角式平弦桁梁，桁高16.0m，为最大跨径的1/11.25；节间长度12m，桁宽8.0m，宽跨比为1/22.5。方案二为主孔216m下承式连续钢桁梁明桥面单线方案，孔跨布置为5732mT梁+856m箱梁+一联(120+168+216+168+120)m下承式连续栓焊钢桁梁+一联（2108）m钢桁梁+8232mT梁，桥梁总长6044.96m。主桥上部结构钢桁梁采用带竖杆的三角式平弦桁梁，桁高18.0m，为最大跨径的1/12；节间长度12m，桁宽9.5m，宽跨比为1/22.7。方案三为主桥180m下承式连续钢桁梁明桥面部分双
18、线方案，双线部分孔跨布置232mT梁+主河槽内孔跨布置为856m箱梁+一联(135+3180+135)m下承式连续栓焊钢桁梁+一联（2108）m钢桁梁+1732mT梁。（本次设计仅比选与方案一不同部分，比较范围为DK133+410DK135+832m，范围之外的桥孔布置与方案一相同，不再计入比选范围），黄河大堤内一次修建双线（线下工程），大堤外实施双绕，对于线间距小于8m的引桥部分前期仅施工基础，其余均按单线桥梁进行设计，待条件成熟后再行实施双线方案。即北临大堤外232mT梁及南临大堤外732mT梁仅施工基础及桥墩，主河槽内一次双线（仅线下工程），其余部分均按单线桥梁施工（与方案一相同）；主桥
19、上部结构钢桁梁采用带竖杆的三角式平弦桁梁，桁高18.0m，为最大跨径的1/10；节间长度11.25m，桁宽10.0m，宽跨比为1/18。其中各方案黄河大桥跨越南临黄河大堤均采用108m跨度。、主桥钢桁梁构造1、桁式选择采用无竖杆的三角式桁架，可减少杆件数量，外观简洁，节点板构造相对简洁、构造尺寸也可适当减小，节省钢料。方案一腹杆与主桁下弦的角度为69度，无竖杆时节点板构造较易处理，节点板高度也相对较小，故方案一采用无竖杆三角形平弦桁梁；但方案二、三如继续采用无竖杆形式，12m节间距时斜杆与主桁上下弦的夹角已达72度，加之杆件截面较大，势必造成节点构造处理困难，节点板高度将难以控制，为增加节点平
20、面内的刚度，节点板厚度也将超出50mm，节点处理所需钢料将增大，故经综合比较后选择采用有竖杆的三角式桁架。2、节间距的选用对于大跨度的桁梁，由于其经济桁高要求较高，采用较大的节间长度可使斜杆保持适当的倾角，构造较易处理，也可减少杆件、节点的数量，也可使施工进度加快；随着施工、制造工艺水平的提高，节间长度也在不断的扩大。结合目前国内较成熟的最大节间长度实际控制情况（如孙口黄河大桥、芜湖长江大桥、长寿长江大桥等均选用12m的节间长度），本次设计将节间长度选择在12m以内，并结合孔跨布置，方案一、二节间距为12m，方案三节间距为11.25m。3、节点形式的选择为优化节点构造及改善受力条件，方便现场施
21、工，同时考虑外形美观等因素，采用整体式节点设计方案。整体节点比一般节点构造细节更加合理，因其弦杆四面拼接，传力直接，受力合理，用钢量较省；构件的零部件、发送单元少，制梁的工厂化程度高，减少了现场工作量，可实现多焊少栓的要求；对钢梁制造速度也影响甚小；安装方便，主桁不必预拼，且易吊装就位；可节省大量高强螺栓，不仅节省高强螺栓费用，还减少了制梁制梁钻孔和安装工作量，故本次钢桁梁设计采用整体式节点。表一为方案一E26节点的节点形式耗材对照表。表一方案一E26节点形式比较表节点形式14MnNbq钢16Mnq钢节点板最大板厚螺栓个数（吨）（吨）（mm）M30M24普通节点12.4104877516整体节
22、点11.050.92486670整体节点节省材料百分比3.515.74、主桁截面主桁杆件上下弦杆采用箱形截面，腹杆采用箱形及“H”型截面，截面尺寸详见下表。表二桁梁截面表单位：mm桥式方案主桁截面箱形腹杆H形腹杆H内 宽板 厚H外 宽板 厚H内 宽板 厚方案一860600183874060026307006002638方案二1060700184480070020448007002232方案三12608001844800800244450080080016325、横向连接系横向连接由桥面系、联结系、桥面结构组成。桥面系由纵梁、横梁、纵梁间联结系和制动撑架组成，纵梁为焊接工字型截面板梁，间距200
23、0mm，梁高1550mm；联结系由上平联、下平联、桥门架及横向联结系构成。上平联由斜杆、横撑和短撑组成，均为焊接工字型截面；其中横梁梁高1950mm，方案一、二最大板厚26mm，方案三34mm；平联梁高400mm，最大板厚12mm。桥门架和横向联结系构件均为焊接H型截面。桥面结构采用明桥面。、墩台及基础桥墩：全部采用双线圆端形桥墩。其中主桥桥墩在靠迎水面侧设置钢筋混凝土破冰体。桥台：临黄河北大堤两桥台设计为埋式桥台；其余两个桥台采用T形桥台。基础：南展宽区及引桥采用直径1.25m钢筋混凝土钻孔桩，承台厚2.5m；桥台采用直径1.5m钢筋混凝土钻孔桩，承台厚4.0m。滩地的引桥采用直径1.5m钢
24、筋混凝土钻孔桩，承台厚3.0m。主桥采用直径1.8m钢筋混凝土钻孔桩，承台厚4.0m。、主要建筑材料钢桁梁部分主桁构件材质采用14MnNbq钢；桥面系、联结系等材质采用16Mnq；型钢材质采用16Mn。支座采用铸钢支座，基本材质为ZG35II；连接螺栓采用高强度螺栓，材质选用35VB，抗滑移系数f0.45。简支混凝土梁梁体采用C50混凝土，桥墩顶帽及托盘墩身采用C30混凝土；32m跨简支梁桥墩支承垫石采用C40号混凝土，桥墩顶帽及托盘墩身采用C20混凝土。桥墩台、承台采用C25混凝土，桩基础采用C25水下混凝土（抗硫酸盐水泥）。、设计荷载1、恒载：包括结构自重、预加应力、混凝土收缩徐变、基础变
25、位影响力、水浮力等；二期恒载为：钢梁部分桥面系重10kN/m。混凝土梁部分线路设备荷载、挡碴墙（轨底至挡碴墙顶30cm）及人行道等荷载q=48.2 kN/m。2、设计计算活载：中活载。3、冲击力系数：按铁路桥涵基本规范计算4、列车的横向摇摆力：重车时按5.5kN/m计算；空车时不计列车的横向摇摆力。5、温度力：最高温度40.9，最低温-20.9。桥梁合拢温度按1015考虑，偏于安全考虑结构整体升温按35计算, 降温按35计算。6、基础不均匀沉降：相邻两桥墩基础不均匀沉降值取2cm。7、风荷载：按平均最大风速38.3m/s考虑。8、施工荷载：施工吊机重量按350kN考虑。9、船只撞击力:按铁路桥
26、涵设计基本规范（TB 10002.1-99）4.4.6条计算。10、地震烈度：七度11、流水压力：因黄河泥沙含量较高，在设计水位时取容重=12.5kN/m3 ；检算墩身强度、稳定性及基础稳定性时，采用设计水位，计算基底应力及偏心时，采用常水位。12、流冰压力按“桥规”规定计算。、主桥钢桁梁结构计算主桁钢梁计算采用通用结构分析软件Madis/Civil及西南交通大学编制的BSAS桥梁结构分析计算程序进行计算。由于主桁杆件的高度与节长之比超过1/15，应计算由于节点刚性引起的次内力，故结构杆件截面应力按节点铰接、节点刚性分别考虑取其不利者进行设计；本次设计对包括平纵联在内的所有杆件的强度、稳定、疲
27、劳及杆件的长细比、构件的连接等均进行了详尽的计算。另外根据“地震安评报告”对梁、墩进行了动力特性分析。考虑各种荷载组合后，主要控制计算结果如下：表5.1.1主孔180m主桁计算结果表杆件类别杆件编号杆件轴力（kN）计算应力（MPa）容许应力（MPa）上弦杆A26A2716318.3174.3200下弦杆E33E3413511.5178.7200.0腹杆A26E26-9604.5-125.2140.0中活载下最大挠度为190mm，小于跨度的1/750，满足规范要求。方案二主要控制计算结果如下：表5.2.1主孔216m主桁计算结果表杆件类别杆件编号杆件轴力（kN）计算应力（MPa）容许应力（MPa
28、）上弦杆A23A2422416.7166.0844200下弦杆E24E25-16531.2-150.433178腹杆A25E24-13615.2-106.702118.2中活载下最大挠度为179mm，小于跨度的1/750，满足规范要求。方案三主要控制计算结果如下：表5.3.1主孔180m主桁计算结果表（双线）杆件类别杆件编号杆件轴力（kN）计算应力（MPa）容许应力（MPa）上弦杆A27A2828422.6182.2383200下弦杆E27E28-20283.5-106.643179.4腹杆A29E28-16234.0-124.208136.6中活载下最大挠度为206mm，小于跨度的1/750
29、，满足规范要求。、主要施工方法南北两岸各设钢梁预拼场，根据整体节点的特点，设置高低台座，高台座存放上弦节点，其余杆件存放在低台座上，台座底面高程应考虑防洪的要求。在南北两岸各设提升站一座，分设于南北岸钢梁两端。钢桁梁主桥两侧边跨及2108m大家洼侧边跨钢梁在膺架上拼装，每一节点下设膺架一座。钢梁利用设在上弦杆上走行的吊机吊装由两端向中跨悬臂拼装，直至中跨合拢。主桥钢梁悬臂架设时，在第一孔内设临时墩支承，临时墩结构用万能杆件拼装，下设基础以防沉降。六、防腐措施黄河特大桥位于黄河下游鲁北重镇东营市与利津县间，距离黄河入海口约100120km，从第四纪到现在，曾发生过多次大规模的海浸，地下工程受地下
30、咸水和盐田的影响；上部工程受海风的影响，防腐形势极为严重。钢桁梁的防腐根据桥梁结构特点及所处地区的环境特征，从防护的耐久性、综合费用、满足地区环境特征选用防盐效果较好的防腐措施。拟采用有效保护时间不少于15年的重防腐体系，经综合调查分析，拟采用IC531防腐涂装体系。钢梁具体涂装体系如下：涂层名称涂层数目干膜厚度（m）水性无机硅酸锌涂料IC5311道75环氧云铁中间漆2道240有机硅改性醇酸面漆2道230（工厂、工地各一道）七、结语黄河特大桥主桥的跨度及长度对整个黄河特大桥的工程造价影响巨大，为科学合理的确定桥位方案和主桥的长度及跨度，节省投资，并确保黄河大堤及黄河特大桥的安全，还应就黄河特大桥的桥位以及黄河特大桥孔跨布置等问题与河务部门进一步联系沟通，并取得黄河水利管理委员会的同意。