破解跨越峽谷的「難題」——清水河大橋總體設計和關鍵技術創新
清水河大橋是貴瓮高速跨越貴陽市開陽縣與黔南州甕安縣的界河（烏江水系一級支流）清水河的重要節點工程，橋位處峽谷兩岸地勢陡峭，地形變化急劇，河谷深切達350-450m。清水河大橋為雙向四車道高速公路，橋樑標準寬度24.5m，計算行車速度80km/h。橋樑設計荷載為公路Ｉ級。橋樑結構的基準期為100年，地震基本烈度6度， 按50年10%和100年5%兩水準設防，設計基本風速29.4m/s，大橋無通航要求。
本文介紹了清水河大橋的項目概況、主要技術標準、總體設計概況、技術特點和難點、關鍵技術研究和設計創新。
總體設計概況
清水河大橋的全橋總體布置左幅為：9×40m預應力混凝土T梁＋1130m鋼桁梁懸索橋＋16×42m預應力混凝土T梁，橋長合計2171.4m。
清水河大橋為主跨1130m的單跨簡支鋼桁梁懸索橋，主纜分跨為258m＋1130m＋345m，主纜垂跨比為1/10，主纜橫橋向間距為27.0m，吊索順橋向間距為15.2m。在主跨跨中處，主纜與鋼桁架之間設置3對柔性中央扣。
圖1 橋型布置（尺寸單位：cm）
1.錨碇
開陽岸錨碇採用擴大基礎結構形式，以中風化灰岩作為持力層。錨碇平面尺寸為71.5m×48m，高度為47.5m，底面設置兩級平台。
甕安岸錨碇採用擴大基礎結構形式，以中風化灰岩作為持力層。錨碇平面尺寸為77m×48m，高度為52m，底面設置兩級平台。
錨固系統由索股錨固連接構造和預應力拉索錨固構造組成。索股錨固連接構造由拉杆及其組件、連接器組成，拉杆上端與索股錨頭相連接，另一端與被預應力拉索錨固於前錨面的連接器相連接。預應力拉索錨固構造由預埋管道、鋼絞線拉索、錨頭及防護帽等組成。
索股錨固連接構造包括單索股錨固單元和雙索股錨固單元兩種類型。對應於單索股錨固單元採用1512規格錨固鋼絞線拉索，對應於雙索股錨固單元採用1525規格錨固鋼絞線拉索。
2.索塔及基礎
索塔為塔柱、橫樑組成的鋼筋混凝土框架結構，塔柱為普通鋼筋混凝土結構，橫樑為預應力混凝土結構。開陽岸索塔高度230m，甕安岸索塔高度236m/220m。
索塔兩塔柱橫橋向內傾，傾斜率內側為1/26.170，外側為1/17.535。塔柱斷面為八邊形空心截面，開陽岸塔底為11.5m（順橋向）×11.5m（橫橋向），線性變化至塔頂9m（順橋向）×7m（橫橋向）。甕安岸左幅塔底為11.391m（順橋向）×11.312m（橫橋向），右幅塔底為11.565m（順橋向）×11.613m（橫橋向），均線性變化至塔頂9m（順橋向）×7m（橫橋向）。
兩岸索塔基礎均採用18根直徑3.5m的樁基礎，行列式布置，嵌岩樁設計，樁尖進入中風化岩層深度不小於3倍的樁徑。
3.纜索系統
主纜預製平行鋼絲索股（PPWS）由91根直徑為5.25mm的鋅鋁合金鍍層高強度鋼絲組成，鋼絲標準強度≥1770MPa。通長索股有179股，開陽側邊跨另設8根索股（背索）。
根據吊索受力特點，並綜合考慮材料性能、製造加工、安裝維護、後期更換等因素，本橋採用鋼絲繩吊索，每一弔點設2根吊索。吊索與索夾為騎跨式連接；與加勁梁為銷鉸式連接。吊索鋼絲繩公稱直徑為Φ60mm，公稱抗拉強度為1770MPa結構形式為8×55SWS＋IWR。對於懸吊長度大於20m的吊索，在懸吊長度的中央設置減振架，以將一個吊點兩根吊索的四肢互相聯繫，減小吊索的風致振動。
經與設置阻尼器進行對比研究，為了抵抗地震、汽車制動力和風荷載等引起的縱橋向的位移，本橋在跨中設置了柔性中央扣。可以避免設置阻尼器的昂貴的費用，和後期養護維修的麻煩，中央扣拉索的檢修和更換非常簡單。中央扣拉索構造與吊索相似，採用鋼絲繩拉索。中央扣拉索與中央扣索夾為騎跨式連接，與加勁梁為銷鉸式連接。中央扣拉索鋼絲繩公稱直徑為Φ64mm，公稱抗拉強度為1870MPa，結構形式為8×55SW＋IWR。
4.鋼桁梁加勁梁
主桁架採用帶豎腹桿的華倫式結構，桁高7.0m，標準節間長7.6m。兩片主桁架弦桿中心間距27.0m。
在鋼桁梁主桁架端部下弦桿底面對應端豎腹桿的位置各設置一個豎向支座，全橋共計4個。在端主桁架上、下弦桿的外側，對應端主橫桁架的上、下橫樑處各設一個橫向抗風支座，全橋共計8個。
鋼桁梁包括鋼桁架和正交異性鋼橋面板兩部分，板桁結合。鋼桁架由主桁架、主橫桁架和下平聯組成。
主桁架採用帶豎腹桿的華倫式結構，由上弦桿、下弦桿、豎腹桿和斜腹桿組成，桁高7.0m。上弦桿、下弦桿選用閉口箱形斷面，斜腹桿、豎腹桿除在梁端豎向支座附近採用閉口箱形斷面外，余均採用工字形斷面。主桁架桿件均為焊接構件。
主橫桁架採用單層桁架結構，由上橫樑、下橫樑、外側斜腹桿、豎腹桿和內側斜腹桿組成。上橫樑除梁端採用閉口箱形斷面外，其他均採用焊接工形斷面，下橫樑採用閉口箱形斷面，腹桿均選用工形斷面。主橫桁架上橫樑、下橫樑均為焊接構件；外側斜腹桿、豎腹桿和內側斜腹桿均採用熱軋H型鋼。
下平聯採用K形結構，採用焊接工形斷面。
正交異性鋼橋面板由橋面板、U肋、三道縱梁和兩道次橫樑組成，橋面板厚16mm。橋面板與主橫桁架上橫樑頂面平齊。正交異性鋼橋面板均為焊接結構。
設計關鍵技術創新
貴州受喀斯特地貌影響，橋位建設條件艱巨，需跨越大峽谷，且橋位處岩溶高度發育，給橋樑設計和施工均帶來了一系列的難題，貴州近幾年建成的鋼桁架懸索橋較多，如壩陵河大橋、北盤江大橋等，這些特大橋基本均面臨峽谷橋樑的風環境和抗風措施、岩溶地區的勘察設計和施工防護、跨越大峽谷橋樑的施工技術等。
在清水河大橋的勘察設計過程中，除了針對上述提到的關鍵技術展開一系列的科研工作，特別針對以下兩個方面進行了設計技術創新。
1.山區板桁結合加勁梁懸索橋建設關鍵技術研究
(1)大變形下板桁協同工作特性和受力傳力機理分析及關鍵構造、山區板桁結合體系橋面板製造和連接工藝。
板桁分離體系傳力路徑明確，上部荷載通過橋面系支座傳給主橫桁架，再由主橫桁架傳給主桁架。板桁結合體系中傳力路徑不再這麼明確，荷載作用於橋面板上一部分傳到主橫桁架，再由主橫桁架傳給主桁架，另一部分直接傳到主桁架上弦桿。板桁結合體系中正交異形板同時發揮橋面板、橋面系和主桁架平面縱向聯繫等多種作用，有效地參與主桁架的彎曲，部分參與主桁架的受剪，使主桁受力有所改變。國內學者研究發現，主桁弦桿的彎曲應力佔總應力33%，曲線橋佔40%；而橋面可承受弦桿軸力的30%。儘管板桁結合體系增加了計算難度，但是這種板桁結合體系結構受力合理，傳力路徑通暢，能較好滿足行車要求。
板桁橋樑把正交異形板橋面和桁架的優點充分組合起來。在全跨範圍內，橋面和桁架採用剛性連接。與傳統的桁架橋相比，由於結構桿件具有複合作用功能，因此，不能照搬鉸接桁架結構進行設計計算。尤其是正交異形板橋面及與其連接的構件，需要精確計算結構的次應力。弦桿除必須計算軸力產生的應力外，還需要計算彎矩產生的應力，由此設計計算難度大大增加。
板桁橋樑結構連接複雜，近年來，常採用整體節點和全焊橋面，焊接順序、焊接方法都將直接影響結構次內力的分布。桁—板焊接連接構造省去了高強度螺栓及拼接板， 較為經濟。通過對大量實測不同焊接條件（約束狀態、焊縫斷面、焊接輸入線能量、施焊順序等）下的焊接變形量進行數理統計分析，確定其分布規律，並以此研究減少焊接收縮變形的有效措施，同時通過焊接變形模擬計算分析，評估焊接收縮變形對橋面板和主桁受力的影響。
(2)提升山區大跨懸索橋板桁結合加勁梁顫振穩定的氣動措施。
(3)千米級、大噸位纜索吊機的研製。目前纜索吊，主索較小、少，牽引和起重繩都較少，繞線較為簡單，其風險相對較小。在千米級同時大噸位的情況下，系統風險較大，如何保證其可靠性。
2.山區特大橋自行式主纜檢修車研製
(1)為了適應山區風力大的環境，檢修設備要具有較強的抗偏載和抗風能力。
(2)檢修設備能夠實現在主纜上26°角的爬升，這就要求檢修設備能提供足夠大的爬升力，同時在切斷動力源時，檢修設備要能夠穩定地駐車。
(3)檢修設備能實現自動過吊索功能，這就要求對檢修設備的行走輪、拉杆和壓緊輪進行優化設計，並設計合理的控制系統，保證過吊索時動作機構的準確執行。
通過上述關鍵技術的科研和設計創新，給清水河大橋的建設提供了有力的技術支撐， 確保了大橋建設方案的經濟合理性和施工可行性。
技術創新突破傳統
清水河大橋是貴陽至甕安高速重要節點工程。橋位處峽谷兩岸地勢陡峭，地形變化急劇，大橋主跨1130m，為目前世界規模最大的跨越山區峽谷的板桁結合加勁梁懸索橋。
清水河大橋結構受力行為複雜、施工難度大、養護管理要求高。其設計將打破國內外已建的大跨徑懸索橋加勁梁採用板桁分離體系的傳統，其新型主纜檢查設備將是國內首次採用，這些方面的技術創新將對後續工程建設有重要的借鑒意義。
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