摘要：新建天津至潍坊高速铁路工程正线长度约348.9km，线路自滨州站向东引出，于刘城村东与G220国道改线工程共建公铁黄河大桥跨越黄河，西接东营市利津县，东接东营市东营区，后沿黄大铁路北侧至东营站。

新建天津至潍坊高速铁路工程正线长度约348.9km，线路自滨州站向东引出，于刘城村东与G220国道改线工程共建公铁黄河大桥跨越黄河，西接东营市利津县，东接东营市东营区，后沿黄大铁路北侧至东营站。

桥址位于黄河下游道旭断面与利津水文站之间河段，距上游道旭断面22.4km，距下游利津水文站12.9km。所处河段流向为由南向北，历史上屡有冰凌灾害。该桥距上游德大铁路黄河大桥3.1km，距下游黄大铁路黄河大桥2.3km。

桥位所处地区气候属于暖温带大陆性季风气候，受亚欧大陆和西太平洋共同影响，四季分明，温差变化大，雨热同期，降雨季节性强。桥址区位于华北冲积平原，属黄河水系及海相沉积为主的海陆交互沉积区，粉质黏土、淤泥质黏土、粉土、粉砂地层广泛分布，无明显持力层。

该桥按照双线高速铁路+双向6车道一级公路的技术标准设计。铁路为有砟轨道客运专线，设计速度250km/h，设计荷载为ZK活载，线间距5m，线路平面为直线；公路为双向6车道一级公路，设计速度80km/h，设计荷载为公路—Ⅰ级。桥址所在河段规划有Ⅳ级航道，可通行500吨级货船。

根据《新建天津至潍坊高速铁路东营黄河公铁大桥工程场地地震安全性评价报告》，桥址范围内属Ⅲ类场地，地震动峰值加速度值0.1g，基本地震动加速度反应谱特征周期分区值为0.45s。

由于距离上、下游既有桥梁较近，根据黄河水利设施的布置情况及防汛、防凌安全和通航要求，主桥主跨需达600m以满足一跨跨越黄河主槽的要求。主桥为桥跨布置（90+210+600+255+105）m双塔双索面钢桁梁斜拉桥，见图1。

图1 津潍高速铁路东营黄河公铁大桥主桥立面布置

主桥线路纵断面处于±3‰的坡道上，变坡点位于主跨跨中，竖曲线半径30000m。

主桥结构体系采用半飘浮体系，即塔墩固结，桥塔、主墩与主梁之间设置竖向和横向约束。在主桁上层桥面与塔柱交汇处设置纵向阻尼器，形成纵向阻尼约束体系。在桥塔、辅助墩、潍坊侧边墩处设置横向固定支座，限制横向位移。为了协调引桥梁端横向变形，在天津侧边墩处设置横向限位装置，限制主桥梁端横向位移。

主梁采用双层钢桁梁，上层为公路桥面，桥面宽35.7m，下层为铁路桥面，主桁中心距13.8m（图2）。

图2 主梁横断面

主桁为N形桁，桁高12.8m，节间长15m。主桁上弦杆、下弦杆、副桁弦杆均采用箱形截面；腹杆采用箱形及工字形截面；副桁撑杆采用工字形截面。铁路桥面采用横梁+小纵梁体系的复合不锈钢正交异性钢桥面板体系。公路桥面以正交异性钢桥面板为主，在天津侧梁端支点侧纵向210m及潍坊侧辅助墩两侧纵向各45m范围内采用预制混凝土桥面板，预制混凝土桥面板通过湿接缝和焊钉与钢结构结合。

该桥通过对主梁结构桁高、弦杆尺寸等进行精细化设计研究，实现了结构轻量化设计理念。该桥所处线路纵断面较低，为提升结构整体立面视觉效果及结构经济性，在满足结构刚度、限界要求的基础上，通过优化构造布置，将桁高优化至12.8m，为国内同类桥梁最低，主梁用钢量减少约0.95t/m。

与之对应，相邻引桥采用倒T梁方案（图3），以满足铁路净空要求。该桥弦杆尺寸设计基于“杆件有效面积”概念，即杆件轴向容许应力经杆件有效面积折减系数修正后，适当减小杆件宽度，“杆件有效面积”反而有所增加。基于此理念，在不降低结构安全的前提下优化构件尺寸，主梁用钢量减少约0.43t/m。

图3 引桥框架墩-倒T梁方案

桥塔是最能体现一座桥梁建筑风格的构件。该桥地处历史悠久、文化深厚的齐鲁大地，为了使该桥风貌与历史人文环境和谐，桥塔造型设计融合了中国传统建筑的特点与当今时代特征，并充分考虑了结构合理性，力求达到艺术与技术的统一。

桥塔造型概念以中国传统文庙中轴线上的牌楼式古建“棂星门”为意象，浓缩体现了中国传统文化。塔柱与横梁连接处采用极具中国建筑装饰艺术特征的“雀替”构造，进一步强化了建筑造型意象，同时提高了桥塔结构的整体性能。此外，塔柱略微内倾、由底到顶渐细以及上横梁上缘微弯的圆弧，分别体现了中国传统古建筑“侧脚”“卷杀”和“生起”的概念。

桥塔采用H形混凝土塔（图4），由下塔柱、中塔柱、上塔柱、上横梁、支承刚架五部分组成。

图4 桥塔构造

桥塔高203.6m，上、中、下塔柱分别高46、120、37.6m。上塔柱采用单箱双室截面，中、下塔柱采用单箱单室截面。上横梁为预应力混凝土结构，采用单箱单室截面，截面高度为7~10.2m，宽8m。

受线路纵断面高度限制，该桥主梁以下塔柱较矮，若采用传统的下塔柱内收+下横梁方案，景观及受力效果很差。结合项目特点，该桥创新性提出了取消下横梁的新型H形桥塔，既满足受力要求，又凸显出结构的力学美。为支承主梁，采用轻型支承刚架替代传统桥塔下横梁，从而大幅减少桥塔结构混凝土用量5382m³，缩短下横梁现浇工期约60d，减小基础受力。支承刚架采用钢筋混凝土结构，由横梁和立柱组成，立柱内倾。横梁和立柱均采用T形实心截面，横梁截面高3.25m，翼缘宽4.5m，立柱截面高3.6~4.5m，翼缘宽4.5~5.5m。

斜拉索布置为扇形空间斜索面，全桥共144根斜拉索，斜拉索采用标准抗拉强度1770MPa的锌铝合金镀层平行钢丝索。斜拉索在桥塔上理论锚固点竖向间距为2.5~3.0m，钢桁梁上纵向间距15m。

大跨度斜拉桥索力较大，为了减小桥塔塔壁混凝土受力，索塔锚固构造以往通常采用钢锚梁、钢锚箱锚固方式。这些锚固方式存在用钢量大、经济性差、受力分配比难以确定、现场施工吊装不便等缺点。

因此，该桥创新地采用了薄壁外箱、混凝土内核交叉索锚固构造（图5），该锚固构造通过混凝土抗压传递斜拉索水平分力，充分发挥了混凝土材料特点，避免了塔壁混凝土受拉，从而节约了大量钢材、避免了高空大吨位吊装，技术经济效益明显。索梁锚固采用锚拉板结构，斜拉索张拉端位于桥塔端。

图5 索塔锚固结构

桥塔基础采用梭形承台+钻孔灌注群桩基础，按摩擦桩设计。承台平面轮廓尺寸为92.487m（横向）×35.1m（纵向），承台为阶梯状，下层厚5m，上层厚4m，上层承台上方两桥塔肢腿之间设置高3m的下连梁。

桥塔桩基础采用132根ϕ2.3m/ϕ2.0m变直径钻孔灌注桩，按梅花形布置，桩长115m，并采用桩侧、桩端后压浆技术提高承载效率。桥塔基础布置见图6。

图6 桥塔基础布置

该桥整体结构受力分析采用有限元软件MIDAS Civil建模计算，主桥有限元模型见图7。

图7 主桥有限元模型

结合规范要求和桥址处环境特点施加荷载，进行相关检算。

针对该桥运营活载较大及结构不对称的特点，为使主梁、桥塔结构受力最优，进行了无应力合龙状态下的成桥状态分析。经计算，成桥状态下主梁跨中竖向位移为向上169mm；塔顶略偏向岸侧，天津侧塔顶纵向水平位移为53mm，潍坊侧塔顶纵向水平位移为121mm。

在ZK活载与公路—Ⅰ级荷载组合作用下，主跨主梁挠跨比为1/709，梁端竖向转角为1.36‰rad。列车偏载、横向摇摆力、风荷载和温度作用下，梁体横向最大挠跨比为1/3279。计算结果表明，结构在设计荷载下的各项响应均满足相关规范要求。

该桥距离海岸线直线距离约50km，桥梁结构以及行车通行均会受到风的影响。为分析该桥抗风性能，进行了主梁节段和全桥模型风洞试验研究，风洞试验模型见图8。

图8 风洞试验模型

基于1:50缩尺比的常规尺度节段模型开展主梁节段模型颤振试验。试验结果表明：该桥成桥状态和施工状态各风攻角下的颤振临界风速均大于颤振检验风速，具有较好的颤振稳定性。

基于1:50缩尺比的常规尺度节段模型和1:23.5缩尺比的大尺度节段模型开展主梁节段模型涡振试验。

试验结果表明：①1:50缩尺比的常规尺度节段模型成桥状态主梁在0°和+3°风攻角下出现了涡振现象，成桥状态最大涡振振幅约为16mm，远小于规范允许值（78mm）。施工状态在各风攻角下均未出现涡振现象。②1:23.5缩尺比的大尺度节段模型成桥状态主梁在-3°、0°、+3°三种风攻角下均出现了涡振现象，并且涡振区间有多个，成桥状态振幅较大，最大振幅为64mm，小于规范允许值。施工状态仅在0°风攻角下出现了涡振现象，最大振幅为26mm，远小于规范允许值。

基于1:80缩尺比的全桥模型开展裸塔状态、成桥状态、最大悬臂状态3种状态下的气动弹性模型风洞试验。

试验结果表明：①裸塔状态下，桥塔在各个风攻角下未发生明显的涡振及发散性的驰振现象。桥塔塔顶的抖振位移随风速的提高而增大。但在小于设计风速的情况下，塔顶的抖振位移均很小。②针对来流为均匀流和紊流，开展成桥状态和最大悬臂状态在不同风攻角下的风洞试验，均未出现明显涡振，未发生颤振。

为保证该桥行车舒适性与安全性，开展风-车-桥系统耦合振动研究。

首先假设不考虑横风对车-线-桥系统的影响，对比可得到风荷载对整个系统的影响。在考虑升降温、徐变变形以及公路荷载组合引起的轨道附加变形工况作用下，当列车以较高车速300km/h和360km/h进行单、双线运行时，桥梁的动力性能均满足要求，列车的运行安全性有保证，乘坐舒适性均达到“优”。

受横向来流风作用，单、双线CRH3列车通过桥梁时，当桥面瞬时风速为0~20m/s时，车速应控制在300km/h以内；当桥面瞬时风速为20~25m/s时，车速应控制在225km/h以内；当桥面瞬时风速为25~30m/s时，车速应控制在140km/h（单线）和120km/h（双线）以内；当桥面瞬时风速大于30m/s时，建议禁止列车驶入桥梁。以上控制措施均不高于陆上抗风控制措施，满足运营使用要求。

分析桥梁结构的动力特性是进行桥梁结构抗震性能分析的基础和重要环节，为此，采用4.1节主桥有限元模型，对结构进行了动力特性分析，结果见表1。

表1 主桥结构动力特性

该桥属于跨越大江大河且技术复杂、修复困难的高速铁路特殊桥梁结构，抗震设防类别属于A类桥梁。根据该桥地震安全性评价报告中的地震动参数，结合《铁路斜拉桥设计规范》（TB 10095—2020）及《公路斜拉桥设计规范》（JTG/T 3365-01—2020），对东营黄河公铁大桥采用两阶段（即E1地震100年超越概率10%、E2地震50年超越概率2%）进行抗震设防。

通过反应谱分析和时程分析，确定了该桥采用边墩、辅助墩处设置横向防落梁装置，主梁与桥塔交汇处设置粘滞阻尼器，单塔处设置4个粘滞阻尼器的抗震约束体系。通过设置合理的抗震约束体系，结构位移、内力均得到了较好的控制，E2地震下主梁梁端最大位移0.363m，位移减震率达78%；E2地震下桥塔塔底（单肢）纵向弯矩最大2378572kN·m，弯矩减震率达47%。

表2 地震工况结构最大位移和弯矩

针对桥塔采用的混凝土内核交叉索锚固结构，选取上塔柱及上横梁节段进行有限元模型计算和缩尺模型试验，进行锚固结构受力分析。

建立索塔锚固结构的三维有限元模型，考虑设计荷载工况和超载工况（2.6倍设计荷载工况），超载工况计算考虑材料非线性，混凝土开裂后根据本构关系逐渐退出工作。索塔锚固结构主要应力云图见图9。

图9 索塔锚固结构主要应力云图

由图9可知：设计荷载工况下，索塔锚固区混凝土不产生裂缝；超载工况下，索塔锚固区混凝土侧面产生受拉裂缝，不产生受压破坏，钢筋应力远小于屈服应力。

由于结构对称，选取1/2上塔柱及上横梁节段进行索塔锚固结构模型试验，制作1个缩尺比为1:5的节段模型（图10），试验加载至1.0倍设计荷载工况。为减少试验误差，进行了3次加载试验。

图10 索塔锚固结构模型试验

试验结果表明：①在1.0倍设计荷载工况下，索塔锚固区混凝土、钢筋关键测点应力均在材料设计强度范围内，且有足够的安全系数，关键测点一直处于弹性工作状态。②大部分测点的应力实测值与计算值接近（表3，测点位置见图10），关键测点的应力水平及应力分布实测值与计算值变化趋势高度一致。

表3 1.0倍设计荷载工况索塔锚固结构模型部分混凝土测点应力对比

该桥所处地质条件较差，群桩基础规模较大，设计采用后压浆技术以减小桩长及降低超长桩的施工难度。为验证工艺和设计参数的合理性，在桥位附近制作了3根原型桩进行试桩试验。

试验采用自平衡法对试桩压浆前、后极限承载力进行测试，压浆前单桩极限承载力83156kN，压浆后单桩极限承载力111798kN，压浆前、后承载力提高系数为1.34，压浆前、后桩基极限承载力和压浆后承载力提高系数均满足设计要求。

由于黄河航运条件有限，大型运输船及大型浮吊无法进场，因此该桥钢梁架设采用边跨及辅助跨支架散拼、主跨单悬臂散拼的施工方案（图11）。

图11 钢梁拼装施工方案示意

主桥钢梁杆件单元和板单元在工厂制造完成，由陆路散件运输至桥址钢梁拼装场组拼、预拼装和存放，再运至钢梁拼装支架进行桥上钢梁支架散拼或单悬臂散拼施工。

边墩、辅助墩及桥塔处框架墩施工完成后，搭设边跨、辅助跨钢梁支架，在边墩位置安装架梁吊机负责地面取梁和首节段钢梁支架散拼；首节段钢梁拼装完成后，在公路钢桥面拼装桥面架梁吊机，由桥面架梁吊机负责边跨、辅助跨其余全部钢梁支架散拼。

边跨和辅助跨钢梁拼装完成且塔柱施工完成后，继续由桥面架梁吊机单悬臂散拼主跨钢梁，同步对称安装、张拉斜拉索，直至主跨钢梁合龙。

津潍铁路东营黄河公铁大桥是目前黄河上跨度最大的公铁合建桥梁，结合黄河流域建桥特点，该桥在主梁、桥塔、斜拉索锚固构造及基础等方面均进行了一定的技术创新工作。该桥采用轻型支承刚架结构替代传统桥塔的下横梁结构，适应了线路纵断面低、下塔柱短的特点，减少了桥塔结构工程量及工期；索塔锚固采用混凝土内核交叉索锚固结构，避免了大吨位运输及高空吊装，减少了结构用钢量及后期养护维修工作量；采用钢梁轻型化设计理念对桁高、弦杆尺寸进行了优化设计，减少了主梁用钢量；采用桩侧和桩端后压浆技术控制基桩长度，并针对性采用试桩试验进行了验证，避免了桩长过长带来的施工难题。

该桥2022年10月开工建设，预计2027年通车。该桥建成效果图见图12。

图12 津潍铁路东营黄河公铁大桥建成效果图

本文转自《桥梁建设》——津潍高速铁路东营黄河公铁大桥主桥设计，作者：张雷，马广，季伟强，李永兴；仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！

来源：工程建设规划