南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋主橋主要設(shè)計(jì)參數(shù)分析研究

查京屏,梅大鵬

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,武漢 430050)

1 概述

南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋是京滬高速鐵路、滬漢蓉鐵路和南京地鐵跨越長(zhǎng)江的通道,正橋?yàn)殡p線高速正線、雙線Ⅰ級(jí)干線鐵路橋梁,應(yīng)南京市規(guī)劃部門的要求同時(shí)搭載雙線地鐵。主橋采用(108+192+336+336+192+108)m 6跨連續(xù)鋼桁拱橋,橫橋向?yàn)?片主桁構(gòu)造,桁間距2×15.0 m,橋面為正交異性板整體鋼橋面。南京地鐵外掛于橫梁懸臂上,分列于主桁兩側(cè)。橋式布置見圖1。

圖1 南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋主橋橋式布置(單位：m)

本橋的技術(shù)特點(diǎn)為跨度大、荷載重、桿件軸力大、設(shè)計(jì)行車速度高、技術(shù)復(fù)雜,其建設(shè)規(guī)模和設(shè)計(jì)荷載在世界高速鐵路史上都是前所未有的,而現(xiàn)有的鐵路規(guī)范以及高速鐵路規(guī)范對(duì)于本橋的一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)未有詳細(xì)的規(guī)定,因此,根據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)合理確定本橋設(shè)計(jì)參數(shù)是完成本橋設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本文簡(jiǎn)要介紹本橋設(shè)計(jì)行車速度目標(biāo)值、活載折減系數(shù)、鋼桁拱矢跨比3個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)的分析論證情況。

2 設(shè)計(jì)行車速度目標(biāo)值

設(shè)計(jì)行車速度是南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋一個(gè)重要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),直接關(guān)系到大橋建成后能否滿足列車高速和安全運(yùn)行的要求。由于本橋的跨度、設(shè)計(jì)荷載和建設(shè)規(guī)模在世界高速鐵路史上都是絕無(wú)僅有的,因此,對(duì)于本橋的行車速度目標(biāo)值必須采取審慎的研究態(tài)度。

《京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》中規(guī)定：京滬高速鐵路設(shè)計(jì)速度為高速列車300 km/h、中速列車160 km/h及以上。線路平、縱斷面及基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足最高行車速度350 km/h的要求[1]。作為京滬高速鐵路的組成部分,本橋能否達(dá)到總體設(shè)計(jì)要求的行車速度目標(biāo)值,這是設(shè)計(jì)必須明確的一個(gè)重要參數(shù)。

分析研究首先收集國(guó)內(nèi)外高速鐵路橋梁的工程實(shí)例,與之進(jìn)行分析對(duì)比,對(duì)本橋的高速行車性能進(jìn)行總體上判別；然后從結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力性能及線路條件2個(gè)方面計(jì)算可以達(dá)到的速度目標(biāo)值,并對(duì)不同速度目標(biāo)值的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。

2.1 國(guó)外高速鐵路橋梁工程實(shí)例

與國(guó)外已建成通車的高速鐵路大跨橋梁(表1)進(jìn)行對(duì)比,可以看出世界各國(guó)高速鐵路橋梁由于橋式不同、跨度不同,其設(shè)計(jì)行車速度也不盡相同。

2.2 結(jié)構(gòu)性能所能滿足的速度目標(biāo)值

在靜力性能方面,活載按四線鐵路加兩線輕軌折減后加載,計(jì)算分析表明：在滿足橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下,主跨跨中活載撓跨比1/2 316、邊跨撓跨比1/1 190、端跨撓跨比1/1 622,梁端豎向轉(zhuǎn)角1.9‰、水平轉(zhuǎn)角0.16‰,各項(xiàng)剛度指標(biāo)均能滿足《新建時(shí)速300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》的要求[3]。

由于我國(guó)高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的橋梁梁部剛度的限值僅適用于跨度小于96 m的混凝土結(jié)構(gòu)[4],因此針對(duì)南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋還進(jìn)行了車橋動(dòng)力仿真分析,以判別橋梁結(jié)構(gòu)能否滿足高速行車要求。車橋動(dòng)力仿真分析結(jié)果(表2)表明：高速列車以350 km/h通過本橋時(shí),安全性、舒適性指標(biāo)均能滿足《新建時(shí)速300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》的要求[3]。

表1 高速鐵路大跨度橋梁一覽[2]

表2 車橋動(dòng)力仿真分析評(píng)價(jià)結(jié)果[5]

2.3 線路運(yùn)營(yíng)條件所確定的速度目標(biāo)值

由于本橋離南京南站較近,且離南大堤2.69 km處還有1處半徑5500 m曲線。根據(jù)高速列車運(yùn)行工況及V-S曲線的分析結(jié)果(表3)可知,在遠(yuǎn)期不考慮曲線限速的情況下,高速列車通過大橋最高運(yùn)行速度可達(dá)到343 km/h,基本接近設(shè)計(jì)行車速度目標(biāo)值,而大多數(shù)情況下達(dá)不到設(shè)計(jì)行車速度目標(biāo)值[6]。

表3 通過大橋最高速度分析結(jié)果 km/h

根據(jù)以上分析,雖然本橋的靜、動(dòng)力性能經(jīng)計(jì)算研究都能滿足規(guī)范要求,但理論計(jì)算能否完全正確地反映實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況還有待實(shí)踐的檢驗(yàn)。且國(guó)外高速鐵路橋梁列車最高時(shí)速均是在一定運(yùn)營(yíng)時(shí)間基礎(chǔ)上初步達(dá)到,所以在工程判斷上采取審慎的態(tài)度應(yīng)該是需要的?？紤]到目前國(guó)外尚無(wú)跨度超過300 m的橋梁達(dá)到300 km/h及以上運(yùn)營(yíng)速度的情況,故將本橋設(shè)計(jì)行車速度目標(biāo)值暫定為300 km/h。建議大橋建成通車后,通過一段時(shí)間的試運(yùn)營(yíng)并結(jié)合科研、測(cè)試結(jié)果逐步提高行車速度,直至達(dá)到最高值350 km/h。

3 活載折減系數(shù)

本橋設(shè)計(jì)活載為兩線ZK活載、兩線中-活載和兩線輕軌活載。關(guān)于多線鐵路橋梁的活載折減問題,《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》中規(guī)定：同時(shí)承受多線列車活載的橋跨結(jié)構(gòu)和墩臺(tái),其列車豎向活載對(duì)主要桿件雙線應(yīng)為兩線列車活載總和的90%,三線及三線以上應(yīng)為各線列車活載總和的80%；對(duì)承受局部活載的桿件,則均應(yīng)為該活載的100%；各線均假定采用同樣情況的最不利列車活載[7]?！缎陆〞r(shí)速300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》中規(guī)定：對(duì)于多于兩線的橋梁結(jié)構(gòu),應(yīng)按下列最不利情況考慮：(1)按兩條線路在最不利位置承受ZK活載,其余線路不承受列車活載；(2)所在線路在最不利位置承受75%的ZK活載[3]。顯然,以上2個(gè)規(guī)范對(duì)四線鐵路活載折減系數(shù)的規(guī)定是不一樣的。

多線橋梁活載折減系數(shù)理論上是根據(jù)列車出現(xiàn)的概率,經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析確定的,而且既要考慮橋梁在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)機(jī)車車輛荷載的發(fā)展,又要考慮橋梁設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。京滬高速鐵路將運(yùn)行350 km/h動(dòng)力分散式高速列車和跨線的200 km/h動(dòng)車組,滬漢蓉線為客貨混運(yùn)線路。

為了研究設(shè)計(jì)活載折減對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力及經(jīng)濟(jì)的影響,按恒載、設(shè)計(jì)活載(四線鐵路活載折減系數(shù)分別取0.7、0.75、0.8,輕軌活載不折減)、實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載組成4種荷載組合形式,分別對(duì)6跨連續(xù)鋼桁拱橋支點(diǎn)反力、桿件內(nèi)力及結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了計(jì)算,并作了初步的用鋼量分析比較。

計(jì)算結(jié)果表明：由于本橋恒載在整個(gè)荷載組合中占的比重很大,活載折減系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響很小。桿件內(nèi)力基本相當(dāng),故用鋼量的差別也很小?；诎踩慕嵌瓤紤],本橋活載折減系數(shù)定為：β=0.75(四線鐵路)，β=1.0(兩線輕軌)。

4 鋼桁拱矢跨比

連續(xù)鋼桁拱橋的矢高對(duì)結(jié)構(gòu)受力合理性、吊桿長(zhǎng)度和豎、橫向剛度等均存在較大影響。本橋由于設(shè)計(jì)荷載重、行車速度高、桿件規(guī)模大,必須兼顧結(jié)構(gòu)的受力合理性與高速鐵路行車性能所要求的豎、橫向剛度,合理確定拱橋的矢跨比。為此,本橋的矢跨比分別按1/3、1/4、1/5、1/6四種方案計(jì)算主橋在設(shè)計(jì)荷載下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、撓度及用鋼量(表4)。

表4 結(jié)構(gòu)采用不同矢跨比計(jì)算結(jié)果比較

計(jì)算表明,在結(jié)構(gòu)性能方面,隨著矢跨比及矢高增大,拱圈拱腳處壓桿的受力減小,豎向剛度及梁端轉(zhuǎn)角進(jìn)一步改善,但拱肋部分桿件長(zhǎng)度加大,橫向剛度逐步減弱。

(1)矢跨比為1/3的主桁結(jié)構(gòu)拱肋桿件最大軸力最小,截面最小,豎向剛度最大,但矢高增加后拱圈及吊桿桿件長(zhǎng)度加大,用鋼量與矢跨比1/4主桁結(jié)構(gòu)基本持平。矢高加大,導(dǎo)致拱腳高程下降近10 m,對(duì)通航帶來(lái)一定影響。且由于拱圈高度加大,吊桿件長(zhǎng)度加大,吊桿的風(fēng)致振動(dòng)問題會(huì)更加明顯,過長(zhǎng)吊桿的施工也有一定難度。

(2)矢跨比為1/5、1/6的主桁結(jié)構(gòu)拱圈軸力加大,最大軸力均超過100 000 kN,豎向剛度降低,截面規(guī)模加大,設(shè)計(jì)、制造、安裝均有難度,用鋼量明顯增加。

(3)綜合考慮設(shè)計(jì)、制造、施工難度,剛度及行車條件以及用鋼量,認(rèn)為矢跨比取用1/4是合理的。

5 結(jié)語(yǔ)

南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋既是京滬高速鐵路的一個(gè)控制工程,亦是世界上行車時(shí)速超過300 km的最大跨度的鐵路橋梁。無(wú)論是在橋梁工程技術(shù)還是在高速鐵路技術(shù)方面,本橋均具有一定的挑戰(zhàn)性。因此,結(jié)合本橋工程的特點(diǎn)和難點(diǎn),開展主要設(shè)計(jì)參數(shù)的分析論證,既可保證大橋工程設(shè)計(jì)的順利完成,也可為我國(guó)鐵路橋梁技術(shù)創(chuàng)新奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)[2003]13號(hào) 京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京：中國(guó)鐵道出版社,2003.

[2] 錢立新.世界高速鐵路技術(shù)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,2003.

[3] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)[2007]47號(hào) 新建時(shí)速300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京：中國(guó)鐵道出版社,2007.

[4] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)[2009]209號(hào) 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].北京：中國(guó)鐵道出版社,2010.

[5] 李小珍,強(qiáng)士中.京滬高速鐵路橋梁動(dòng)力特性仿真分析報(bào)告[R]. 成都：西南交通大學(xué),2004.

[6] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋速度目標(biāo)值論證材料[Z].武漢：鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院,2004.

[7] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)[2005]108號(hào) 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社,2005.