濟源至新安高速公路是河南省高速公路網規劃（2021-2035）批準的洛陽都市圈聯動線，項目的建設將打造河南省經濟發展增長極，帶動沿線旅游資源的開發，助推鄉村振興，推動沿黃生態保護和高質量發展。項目走廊帶分布有王屋山、黛眉山2個地質公園，黃河及小浪底水庫區，黃河濕地、黃河崖壁2個保護區，黃河三峽、萬山湖、荊紫山、黛眉山、龍潭大峽谷、漏明谷、青要山等7個景區，地形地質復雜，環保要求高。其控制性工程黃河三峽大橋建設條件的復雜性尤為突出：橋位處的黃河小浪底水庫庫區水下地面年沖淤深度達50m、防洪要求一跨跨越庫區水域，橫跨的黃河三峽橋址區屬黃河“U”形河谷區，橋軸縱斷面為薄峰山脊與溝壑交錯的小間距、大高差鋸齒狀，崖壁近乎直立，基巖出露；巖體以寒武系白云巖為主，中厚層-厚層狀構造，局部夾薄層狀泥晶白云巖，豎向節理裂隙發育；兩岸崖壁為國家地質遺跡保護區，濟源岸緊鄰八角山隧道，工程建設面臨前所未有的挑戰。環境要保護，交通要發展，面對挑戰，經深入分析、多方案研究，對黃河三峽大橋提出了獨塔回轉纜懸索橋新橋型結構，實現了高環保要求復雜建設條件下黃河峽谷區交通建設的保護性開發，為類似工程建設提供了可供借鑒的解決方案，大橋的建設將成為落實新發展理念的典型示范。本文重點介紹黃河三峽大橋新橋型的結構特點。

工程采用的主要技術標準如下——

(1）公路等級：雙向六車道高速公路；

(2）設計速度：100km/h；

(3）荷載等級：公路—Ⅰ級；

(4）設計使用年限：100年；

(5）路基寬度：34.7m，斷面組成：0.75m（護欄）+3.0m（硬路肩）+3×3.75m（行車道）+0.75m（路緣帶）+3.2m（中央分隔帶）+0.75m（路緣帶）+3×3.75m（行車道）+3.0m（硬路肩）+0.75m（護欄）；

(6）設計洪水頻率：300年一遇；

(7）設計水位：275.0m；

(8）通航等級：規劃內河Ⅳ級，通航凈空90m×8m；

(9）地震動峰值加速度：0.1g。

根據黃河三峽大橋的獨特建設條件，分別提出了拱橋、斜拉橋、懸索斜拉協作橋，懸索橋等多種橋型方案（圖1），其中，不同跨徑的下承式（圖1a，主跨480m）、拱腳不等高（圖1b ，主跨450m）、中承式（圖1c ，主跨435m）、上承式（圖1d，主跨335m）等型式的鋼管混凝土拱橋，與濟源岸八角山隧道銜接欠順暢、巖體開挖量大不利于崖壁保護；高低塔斜拉橋（圖1e，主跨510m）、懸索斜拉協作橋（圖1f，主跨510m）景觀協調性欠佳，配跨實施困難，協作橋構造復雜；雙塔地錨懸索橋（圖1g，主跨510m）、濟源岸隧道處錨碇實施困難、纜跨布置欠合理，景觀協調性欠佳；創新提出的獨塔回轉纜地錨懸索橋（主跨510m，圖1h，圖1i）因回轉纜錨碇與纜回轉錨固有效配合，結構緊湊，錨碇對崖壁破壞最小，又可作為路基行車、可充分利用復雜地形地質條件、較好地協調了社會發展與環境保護的保護性開發，符合新發展理念，景觀標志性強，是較為合適的方案。纜在隧道側回轉的懸索橋方案（圖1i）因與隧道銜接順暢、利于施工控制，相對更優，選為最終實施方案。

圖1 橋型方案匯總

橋梁理論跨徑510m，纜跨布置（540+185）m，垂跨比 1/16，中跨主纜為半跨懸鏈線，主纜中心距為 37.4m，全橋主纜為1根，繞濟源岸錨碇回轉錨固（圖2）。加勁梁位于單向2.2%的縱坡上，鋼桁與正交異性鋼橋面板板桁結合體系，主弦桿中心距34.2m。吊索縱橋向水平間距15m。濟源岸采用適應回轉纜錨固的復合式重力錨碇，無須散索，結構緊湊，巖體開挖最小化。新安岸采用擴大基礎重力錨碇。

圖2 橋型立面總體布置圖（單位：cm）

錨碇平面呈矩形，尺寸為45m×61.5m，最大高度36m，包括錨碇基礎、錨體、環形錨室以及檢修通道。基礎為臺階形。環形錨室寬4.5m，高5.5m，頂板厚50cm，施工時頂板敞開，待索股全部安裝完成，緊纜后加裝環形通道頂蓋，作為永久錨室使用 。錨碇基礎底面結合實際地形條件、縱橫向地面高度差設置為齒狀臺階形，基礎開挖方量小，最大程度地保護了崖壁地質遺跡。主纜在回轉主鞍錨固處為懸鏈線的中垂點，內力最小且水平傾角為零，錨碇僅承受水平分力、無豎向分力使錨碇規模最小，經濟性也具優勢（圖3）。

錨碇臨近陡崖，基于概化的巖體模型：1）強卸荷中風化含硅質白云巖，變形模量3.7～1.3GPa，內摩擦角33～27度，黏聚力0.45-0.2MPa；2）中風化含硅質白云巖(局部)夾溶蝕含硅質白云巖，變形模量6-3.7GPa，內摩擦角39-33度，黏聚力0.7～0.45MPa；3）中風化含硅質白云巖變形模量11-6GPa，內摩擦角45-39度，黏聚力1.1～0.7MPa；4）節理層面，內摩擦角37～29度，黏聚力0.22-0.12MPa，按二維極限平衡和三維數值模擬對錨碇和巖體組成的復合承載穩定性分析表明，計算結果具有較好的一致性，正常工況（天然狀態+錨碇荷載）和非正常工況（錨碇荷載+暴雨，錨碇荷載+地震）穩定性均可滿足承載要求（圖4）。

圖3 濟源岸回轉纜復合式錨碇

圖4 復合式錨碇穩定性分析示意圖

回轉纜是指懸索橋左右側主纜為1根，主纜從一岸錨碇始發，繞過對岸錨碇后返回并錨固于始發岸錨碇的主纜形式。值得注意的是，跨徑相同時，回轉纜的長度約是常規雙纜的單纜長度的2倍，單纜索股制造長度規模大。回轉纜的長度可根據主纜的制造能力及回轉錨固構造確定（目前最大跨徑懸索橋為3300m的墨西拿海峽橋，設計已完成多年，因資金短缺尚未實施）。本橋主纜由121股預制平行鋼絲索股，每根索股由127 根直徑為 5.3 mm 的高強度鍍鋅-鋁合金鋼絲組成，鋼絲標準強度≥1960MPa。主纜索夾外直徑734.6mm，索夾內直徑725.5mm。普通吊索規格采用121絲直徑5mm高強度鍍鋅鋁合金鋼絲，錨固在下弦桿的短吊索采用鋼拉桿，鋼拉桿采用40Cr合金鋼，直徑100mm。主纜索股在回轉錨碇處連續通過，利用回轉索鞍系統實現索股回轉錨固，取代傳統主纜索股在錨碇處的斷開分散錨固，可充分利用主纜的恒載自平衡特性、優化錨固構造及錨碇結構。首次研發了轉索鞍回轉纜約束裝置，該裝置主要創新為水平和豎直分置的雙面滑動。首次構建了由塔頂主鞍、散鞍，回轉主鞍、轉索鞍、地錨桿組成的適應回轉纜的約束體系。圖 5為回轉纜及約束體系示意圖。

圖5 回轉纜及約束體系示意圖

回轉纜及約束體系的主要特點為：1）回轉側索股連續緊湊，與傳統主纜散開錨固相比，可大幅減小對錨碇構造尺寸的要求；2）回轉纜具有豎向和水平兩個平面內轉向，與傳統主纜相比，索股排布滿足雙轉向均需壓緊的需求；3）回轉主鞍為固定式，施工過程中無須頂推；4）適應回轉纜的多種裝置約束體系，研發了平曲分置的雙面滑動轉索鞍，設置地錨桿約束裝置。

加勁梁采用帶豎桿華倫式鋼桁梁，正交異性鋼橋面板板桁組合體系，主橫桁采用帶豎桿華倫式，下平聯采用 K形撐。因主纜回轉錨固的要求，中跨垂點低于橋面，部分主纜在上弦桿上方、部分主纜在上下弦桿之間。為避免主纜和桁梁干擾，加寬主纜橫向間距，單側加寬1.6m，滿足主纜緊纜、纏絲空間需求。在節點設置箱形斷面鋼牛腿用于懸吊鋼桁梁。位于上弦桿上方的主纜對應吊索全部錨固于上弦桿牛腿，上下弦桿之間的主纜對應吊索全部錨固于下弦桿牛腿以減少吊索長度。加勁梁的約束體系由限位剪斷裝置、環向鋼絲繩組合阻尼鋼拉壓支座、橫向抗風支座組成。圖 6 為加勁梁及約束體系示意圖。

圖6 加勁梁及約束體系示意圖

鋼絲繩阻尼支座為軍民融合技術新產品，屬位移型摩擦阻尼耗能裝置，本構模型為三折線形。環向鋼絲繩組合阻尼鋼拉壓支座在地震作用下不損壞，地震過后僅需適當復位即可使用，超出最大減震位移后鋼絲繩拉緊防止發生過大位移應對地震作用的不確定性。限位剪斷裝置在剪斷后，僅需更換剪斷銷即可恢復功能。兩者均是維護方便、環保低碳的約束裝置。加勁梁約束體系的主要特點為：1）正常工況，加勁梁縱向低側固定、高側滑動的非漂浮簡支約束狀態，減小制動位移；2）橫向對稱約束，實現加勁梁橫向均衡受力；3）地震工況，限位剪斷裝置剪斷，加勁梁處于半漂浮減震狀態。約束裝置執行標準為《公路橋梁限位剪斷裝置》（TCHT20002-2018），《公路橋梁環向鋼絲繩組合阻尼支座》(TCHTS 20017-2021），《公路橋梁鋼絲繩阻尼裝置減震技術規程》(T/CECS G J61-01-2021）。

錨碇采用明挖施工。主塔采用爬模法施工。結合回轉纜特點，對傳統的預制索股 PPWS 法進行了優化調整，增設錨碇處主纜索股回轉用傳送支架系統、主纜水平入鞍相關設備。大橋跨越黃河小浪底庫區，即使在高水位期，河面寬約280m，也比加勁桁梁理論跨徑 510m小較多，纜載吊機的吊裝范圍受限嚴重，采用纜索吊進行加勁梁的安裝施工，纜索吊塔架北岸位于回轉纜錨碇上，南岸位于橋塔上。

大橋已于2021年10月開工建設，工期四年。

回顧濟新高速黃河三峽大橋獨塔回轉纜懸索橋新橋型結構的提出，可歸納為“源于環保，始于錨碇，樞于主纜，終于橋型”。該橋提供了一個在高環保要求、地形地質復雜條件下，實現建設領域“保護性開發”的解決方案范例，提升了懸索橋的山區適應能力，豐富了我國山區橋梁類型，對落實新時代的“新發展”理念具有典型示范作用。工程主要創新結構特點總結如下——

(1）首次采用適合回轉纜錨固的復合式重力錨，開挖量小，最大限度地保護了地質遺跡，經濟環保；

(2）首次研發了平曲雙滑動面分置的滑動式轉索鞍，構建了回轉纜多裝置約束體系，保證了回轉主纜的受力安全和變形協調；

(3）首次研發了適應回轉纜索股雙向壓緊的編排方式，避免了施工安裝過程中索股的扭曲；

(4）首次在懸索橋中應用鋼絲繩阻尼支座新技術減震產品，安全耐久易維護，兼具限制梁體過大變位；

(5）首次在懸索橋加勁梁中采用一端固定的縱向非漂浮約束、采用限位剪斷裝置配合鋼絲繩阻尼支座的加勁梁橫向全對稱約束體系，兼顧制振和減震，改善結構受力，提高行車舒適性；

(6）首次采用鋼桁加勁梁分區段設置上弦和下弦牛腿錨固剛性及柔性吊索，適應纜梁交叉構造需要及吊索受力、減少吊索用量。

此外，幾點關于本橋建設的認識供參考：1）針對獨特的地形地質、環保、景觀等建設條件，應發展適應的橋型結構以更好地滿足工程建設需要；2）回轉主纜緊湊錨固對錨碇空間構造的要求低，可較好地滿足濟源側地質保護、橋隧相連的需要；3）復合式錨碇配合回轉纜，可有效利用地形地質條件，減少巖體開挖，實現保護性開發；4）合理采用“四新”技術，如，回轉鞍、地錨桿、限位剪斷裝置、鋼絲繩阻尼拉壓支座等構建新型約束體系，以適應橋型結構的新需求。