第二节 济南黄河大桥
济南黄河大桥是京沪高速铁路中仅次于南京大胜关长江大桥的第二大控制性桥梁工程，是京沪高速铁路、太青客运专线四线轨道交通共用的跨河通道。大桥全长5.143km，主桥为（112+3×168+112）m刚性梁柔性拱结构，采用桁宽为30m的双主桁结构形式，在同类结构中为世界之最。
一、桥式布置
确定主桥孔跨前，对桥址处的河势演变进行了分析。受两岸控导工程和险工控制，中水河槽和河势溜向已初步得到控制，因此河势变化研究时以近期河势及河道统测断面资料为主。通过对河段1980～2001年主溜线变迁图的比较，选用了6个年份的汛末主溜线套绘河势图，确定桥位主溜宽度为250m。桥址下游1.2km的郑家店断面的河道边界条件与桥位处相似，借鉴郑家店断面1980～2001年河道统测断面资料，确定桥位处主槽的摆动幅度为600m。
根据上述分析结果，初步拟定了（112+2×168+112）m的主桥形式进行河工模型试验。依河工模型试验结果，枯水期排凌要求主孔跨应紧靠北临黄大堤前以利排凌，因此主孔整体向北平移，以主桥边跨跨越北临黄大堤，同时为满足主孔覆盖主槽摆动区的要求，主桥跨度改进为（112+3×168+112）m。按照水利部黄河水利委员会（黄委会）对济南河段的孔跨要求，南岸滩地宜采用不小于50m的孔跨。以改进后的桥式方案重新进行河工模型试验，试验表明洪水过程中桥位断面有桥与无桥方案的状况相差不大，有桥方案的排冰效果基本与无桥方案相同。
桥梁立面布置时需要考虑防洪、通航及立交跨越大堤的净空高度要求。在2055年设计洪水位的基础上，考虑大堤超高2.10m，桥位处黄河大堤堤顶设计高程为42.82m，为满足大堤后期通行净空要求，立交跨越大堤处桥梁梁底的高程应不小于47.32m。河段规划为内河Ⅳ级航道，以9000m3/s流量相应通航水位加10.5m（考虑了淤积高度）作为梁底高程控制值，对应的梁底高程为44.96m。因此，大桥立面高程受立交跨越大堤的净空高度要求控制。
根据《防洪（凌）要求及跨堤方式的研究》结论，为满足行洪、行凌要求，滩地应采用全桥渡方式，桥孔跨度单孔净宽不小于40m，北展宽区内单孔净宽不小于32m。
综合上述因素，确定京沪高速铁路济南黄河大桥的桥梁类型及孔跨布置（从北往南）如下：
北岸引桥：1-32m简支箱梁+（54+80+54）m跨北展大堤连续梁+108-32m简支箱梁；
主桥：（112+3×168+112）m刚性梁柔性拱钢桁梁桥（图4.2.12）；
图4.2.12 济南黄河大桥主桥孔跨布置（单位：m）
南岸滩地：3×54m连续梁+（44+80+44）m跨南临黄大堤连续梁；
南岸引桥：10-32m简支箱梁。
大桥平面在南、北临黄大堤之间部分按直线布置，过北临黄大堤后，在DK9+814.647（大桥独立里程）处以8000m半径的圆曲线、470m长度的缓和曲线向下游偏移至DK8+520.071处曲线结束，然后向北以直线过渡至北分界点DK6+187.4处。在南临黄大堤DK10+927.120处以7000m半径的圆曲线、670m长度的缓和曲线向上游偏移至南分界点DK11+330.8处。桥梁全长5.143km。
南、北临黄大堤之间部分桥梁布置为平坡，在北临黄大堤附近DK9+868.3处设置变坡点，按3.38‰的纵坡下至北分界点DK6+187.4处，北分界点处轨底高程为39.997m。在南临黄大堤附近DK10+829.3处设置变坡点，按3.20‰的纵坡下至南分界点DK11+330.8处，南分界点处轨底高程为50.769m。在两变坡点处均设置25000m半径的竖曲线。
二、结构设计
1.主桥上部结构设计
济南黄河大桥主桥钢梁采用（112+3×168+112）m刚性梁柔性拱结构。主梁采用带竖杆的等高度三角形桁架，桁高16.0m，节间长14.0m，桁宽30m，横向布置两片主桁。柔性拱肋按圆曲线布置，矢高30.0m，矢跨140.0m，矢跨比1/4.67，拱肋在拱脚与支点处斜杆通过节点相连。
1）主桁杆件
主桁上、下弦杆采用箱形截面（图4.2.13），杆件内宽1300mm。下弦杆内高1240mm，每侧竖板各设一道板式加劲肋，上、下水平板各设一道板式加劲肋；上弦杆高1500mm，每块板件各设一道板式加劲肋。拱肋弦杆采用箱形截面，杆件外宽1300mm，杆件高1280mm，每块板件各设一道板式加劲肋。主桁斜杆采用箱形或H形截面。主桁竖杆及拱肋吊杆均采用H形截面。主桁平弦部分（刚性梁）采用焊接整体节点，柔性拱肋采用拼装节点。主桁最大板厚控制在50mm以内。
图4.2.13 主桁杆件横截面（单位：mm）
主桁设有上拱度，拱度由上弦杆长度伸缩形成，伸长或缩短的值在上弦杆拼接板的拼缝中变化，弦杆和斜杆仍交汇于节点中心。下弦各支承节点均采用铸钢滑板支座，3号墩处为固定支座，其余为活动支座。
2）桥面及纵横联
钢桥采用正交异性板整体桥面（图4.2.14）。桥面板厚16mm，下设T形纵向加劲肋（间距500mm，肋高200mm，板厚12mm）、八道纵梁（高1500～1540mm，腹板厚12mm，下翼缘600mm×28mm，腹板上端与顶板焊连），并在每节间内设6道横肋（高约600mm，腹板厚14mm，下翼缘300mm×14mm）。节点处横梁采用工形截面、鱼腹式变高度梁，跨中高约2100mm，端部高约1296mm，下翼缘960mm×40mm～400mm×40mm，腹板厚14～32mm。
图4.2.14 主桁桥面布置（单位：mm）
主桁上弦设交叉型上平联，杆件采用焊接工字形构件，截面高500mm，上平联节点板与主桁为焊缝连接。拱肋弦杆间设交叉型平联，杆件采用焊接工字形构件，截面高730mm。
每个上弦节点处均设有横联，横联为三角形桁架形式，桁架高约6m，工字形构件，杆件高约400mm，宽400mm。横联设计为带K撑的结构。为减小横梁的跨度，改善横梁的变形和受力，在节点横梁中间设置吊杆，吊杆上端与横联连接。
2.主桥下部结构设计
地质资料物理力学性试验分析表明，桥位处较好的工程持力层为地表下20.0m深度以下的硬塑粉质黏土层。因此，主桥基础采用适应性好的钻孔灌注桩基础。经比选，主桥1号～4号中间主墩采用ф2.5m钻孔桩基础，桩长90～102m，0号、5号边墩采用ф2.0m钻孔桩基础，桩长70～90m。
为适应凌汛期破冰要求，主桥桥墩墩身采用尖端型实体墩，截面外形尺寸为33m×4m。为减小墩身对水流的横向影响，墩身中部设置开孔。
3.引桥设计
引桥除跨大堤和河道滩地根据河务部门要求采用较大跨度连续梁外，其余区段均采用标准跨度32m简支箱梁。引桥基础均采用钻孔灌注桩。根据墩高不同，桩基直径采用1.25～1.50m。连续梁墩身采用实体板式墩，简支梁墩采用圆端形空心墩。淤背区范围内的引桥基础在设计时考虑了大堤加高培厚产生的负摩擦力影响。
4.设计特点
1）四线铁路两片主桁结构设计
济南黄河大桥为四线铁路桥，主桁宽度达30m。国内四线铁路并行多采用三主桁结构，如武广高速铁路天兴洲长江大桥的三主桁三索面设计、京沪高速铁路南京大胜关长江大桥的三主桁三拱肋设计。济南黄河大桥的跨度远小于上述桥梁，主桁的内力也会较小，因此在钢梁设计时开展了两片主桁和三片主桁的比较工作（表4.2.10和表4.2.11）。受力分析表明，无论是采用两片主桁结构还是三片主桁结构，主桁的截面尺寸均可控制在常规范围以内，钢梁的竖向刚度均能满足规范要求。相比之下，两片主桁结构的受力更为明确，由于主梁的拼接点相对减少，制造和安装的难度有所降低，钢梁的架设速度可适当提高，结构因最小板厚要求等构造需要的用钢量也可减少。
表4.2.10 杆件内力及截面比较
表4.2.11 竖向刚度比较
为满足高速铁路桥梁对刚度和梁端转角的控制要求，在主跨钢桁梁上设置辅助柔性拱肋，提高了主梁的竖向刚度。端横梁采用三支座布置（在横梁跨中设置支座），使得端横梁跨度变小，减小了梁端处桥面在列车活载作用下的变形量，有利于提高列车通过梁端时的平稳性和舒适性。
京沪高速铁路建设期间，济南黄河大桥四线铁路两片主桁设计方案的平弦部分仅用9个月时间就完成了架设，比计划工期大幅提前，用事实证明了济南黄河大桥采用两片主桁结构的合理性。
2）纵横梁结构整体桥面设计
桥面是确保高速铁路行车安全和舒适的关键。传统铁路钢梁多采用纵横梁体系，大跨结构通常需在跨间设置伸缩纵梁，伸缩纵梁造成的桥面不连续性将给高速行车带来不利影响。京沪高速铁路济南黄河大桥摒弃传统设计方法，将桥面设计为桥面板和下弦杆结合的新型整体式桥面结构。整体桥面采用纵横梁结构，桥面荷载通过纵梁传递至横梁，横梁再传递至主桁，传力途径明确。同时，桥面系荷载通过节点传递，下弦杆弯矩小，有利于充分发挥材料的性能。为保证桥面有均匀的刚度，桥面板下设置有纵向和横向的加劲肋，加劲肋均采用开口T肋，便于和桥面板之间的焊接。整体桥面保证了轨道结构的连续，提高了线路的平顺性。动力仿真分析表明，当德国ICE3动力分散独立式高速列车、法国TGV铰接式高速列车、日本500系动力分散式高速列车和国产高速列车以车速不超过350km/h通过桥梁时，列车的乘坐舒适度均达到“良好”以上，以车速350～420km/h通过桥梁时，旅客的乘坐舒适度均达到“合格”标准以上。
3）带K撑和吊杆的复合横联设计
由于采用正交异性板整体桥面，桥面板与主桁采用焊接，桥面横梁与竖杆及横联形成了节点完全刚性的横向框架，竖杆须承受较大的面外弯矩。为减小此弯矩，改善横梁及竖杆的受力状态，济南黄河大桥的横联设计为带K撑的结构。横向平面框架分析研究表明（图4.2.15），两桁方案中横联采用K撑的结构时，主桁竖杆的面外弯矩为2206kN·m，而无K撑时竖杆的面外弯矩为9460kN·m，K撑横联结构大大减小了主桁竖杆的面外弯矩，使竖杆的受力更为合理。
图4.2.15 两主桁方案横向框架弯矩（单位：kN·m）
采用两片主桁结构时，主桁间距达30m，横梁的跨度较大。在二期恒载和活载作用下，横梁将承受较大的弯矩。为改善横梁受力，在每个节点的横联上设置三处吊杆，吊杆分别设置在横梁的跨中和两处K撑位置。在恒载作用下，K撑吊杆和中吊杆均受拉，形成弹性支点，使得横梁有效跨度缩短，不仅改善了横梁的受力，还减小了桥面的活载变形量，有利于提高行车性能。
济南黄河大桥四线双桁铁路采用带K撑和吊杆的复合横联构造，是国内首次应用，可为类似的桥梁结构设计提供有益的借鉴。
4）淤背区负摩擦力降低措施
黄河是严重淤积的堆积性河道，后期淤背区范围内都要进行加高培厚以适应河道的淤积。由于新填土本身会发生压缩沉降，而且新填土对地基软弱层也会产生压缩，从而引起固结下沉，对基础产生向下的负摩擦力。为降低负摩擦力影响，设计时在淤背区范围的桩基础外设置钢护筒，并在钢护筒外喷涂乳化沥青，通过乳化沥青的蠕变特性降低桩土之间的相互作用，从而降低负摩擦力。