滬通鐵路長江大橋主跨1 092 m公鐵兩用斜拉橋方案技術(shù)可行性論證

白慧明

(中國國際工程咨詢公司，北京 100048)

滬通鐵路長江大橋是新建滬(上海)通(南通)鐵路和通蘇嘉城際鐵路的控制性工程，建成后將是世界上規(guī)模最大的公鐵兩用橋梁，主跨1 092 m，主航道孔徑布置為(140+462+1 092+462+140)m。主跨跨度大、荷載大、結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不論是橋位的選擇，橋式方案的擬定，還是關(guān)鍵技術(shù)的研究，對(duì)橋梁工程界都是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。對(duì)于投資較大的基礎(chǔ)性交通設(shè)施建設(shè)，國家非常重視，國家發(fā)改委委托中國國際工程咨詢公司，對(duì)主跨1 092 m斜拉橋方案的技術(shù)可行性進(jìn)行專題論證評(píng)估。本文簡要介紹了論證評(píng)估的主要結(jié)果。

1 工程概況

滬通鐵路是我國鐵路網(wǎng)沿海通道中的重要組成部分，是魯東、蘇北與上海、蘇南、浙東地區(qū)間最便捷的鐵路運(yùn)輸通道，也是長三角地區(qū)快速軌道交通網(wǎng)的重要組成部分。北起江蘇省南通市南通西站，向南跨越長江經(jīng)過張家港、常熟，至太倉分叉后，分別接入京滬鐵路安亭站和上海浦東鐵路四團(tuán)站，全長258 km。

滬通鐵路長江大橋目前研究的橋位位于錫通公路過江通道處，上距江陰長江大橋約45 km，下距蘇通長江大橋約40 km。滬通鐵路長江大橋與公路共通道建設(shè)。

滬通鐵路長江大橋結(jié)合長三角城際鐵路規(guī)劃、錫通公路通道規(guī)劃，建設(shè)為4線鐵路和6車道高速公路。主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為:滬通鐵路按Ⅰ級(jí)雙線鐵路設(shè)計(jì)，速度目標(biāo)值200 km/h，限制坡度6‰，電力牽引，通行雙層集裝箱列車，正線線間距4.6 m;城際客運(yùn)專線設(shè)計(jì)為雙線，速度目標(biāo)值200 km/h(預(yù)留250 km/h)，限制坡度20‰，電力牽引，正線線間距4.6 m;高速公路設(shè)計(jì)速度100 km/h，荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)，公路路面寬度33 m。主航道橋雙向通航凈寬900 m，凈高62 m;專用航道橋單向通航凈寬200 m，凈高45 m。

2 橋位選擇

2.1 設(shè)計(jì)推薦方案

大跨度越江(河)橋梁的橋位選擇主要遵循以下基本原則:

1)河道、岸線順直，河床、深泓線穩(wěn)定，河勢穩(wěn)定;

2)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件相對(duì)較好，區(qū)域地質(zhì)比較穩(wěn)定;

3)江面相對(duì)較窄(橋梁長度盡量短)，以減小工程規(guī)模，降低工程造價(jià);

4)航道條件盡量好，對(duì)航運(yùn)影響小;

5)兩岸接線順暢，與兩岸城市規(guī)劃和岸線利用相協(xié)調(diào)。

根據(jù)橋址河段航道、河勢、兩岸岸線現(xiàn)狀與規(guī)劃，參考無錫至南通公路過江通道的路線控制規(guī)劃研究結(jié)論，滬通鐵路越江橋位應(yīng)在預(yù)控的錫通通道走廊范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。設(shè)計(jì)最終推薦橋位為十三圩橋位(十三圩—橫沙—捕魚港):南岸在張家港市的十三圩港，跨南通水道，過橫港暗沙，跨越天生港中段水道，北岸到達(dá)南通捕魚港口(如圖1所示)。

圖1 越江橋位示意

2.2 論證結(jié)果

從河勢、水文、地質(zhì)和地震、通航、防洪、岸線規(guī)劃、工程規(guī)模、通道布局等多方面對(duì)比分析，設(shè)計(jì)推薦方案各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)較優(yōu)，且符合有關(guān)規(guī)劃，同時(shí)能有效控制兩岸用地，拆遷量少，可作為推薦跨江通道方案。

3 橋型方案擬定

3.1 設(shè)計(jì)推薦方案

滬通鐵路長江大橋橋址處江面寬闊，水流流向較為發(fā)散，江中存在橫港暗沙，南岸主航道與北岸專用航道存在夾角，為保證橋軸線與兩航道正交，同時(shí)減小建橋?qū)λ骱秃觿莸挠绊?，橋軸線在江中設(shè)置曲線一處，曲線半徑R=4 009.45 m，橋上4線鐵路按同心圓布置，其中通嘉蘇城際鐵路位于上游側(cè)，滬通鐵路位于下游側(cè)。

橋型方案的擬定應(yīng)綜合考慮河道各區(qū)域的河床地形、水文、通航條件、水利防洪等多種因素，參照長江水域已建橋梁的工程經(jīng)驗(yàn)，并與當(dāng)前國際上橋梁建設(shè)的研究進(jìn)展相結(jié)合。

由于航道主管部門要求該橋主通航孔跨徑不得小于蘇通長江公路大橋，綜合考慮橋位處主河槽的形態(tài)，盡量減小建橋?qū)νê降挠绊?，設(shè)計(jì)推薦主河槽通航區(qū)域采用1 092 m斜拉橋方案。北岸天生港通航水道區(qū)域采用主孔308 m連續(xù)鋼桁梁跨過航道，以滿足上游重工企業(yè)的產(chǎn)品下水要求。

設(shè)計(jì)推薦的大橋孔跨布置方案如下:

1)正橋

主航道橋 142+462+1 092+462+142=2 300 m雙塔三索面五跨斜拉橋;

天生港航道橋 2×112+154+308+154=840 m變高度連續(xù)鋼桁梁;

跨橫港沙區(qū)段 112 m連續(xù)鋼桁梁;

跨南北大堤區(qū)段 112 m連續(xù)鋼桁梁。

正橋鋼梁范圍總長5.888 km。

2)南北兩岸引橋

北引橋 以跨度48 m簡支混凝土箱梁為主，共計(jì)36孔，總長1 771.2 m;

南引橋 以跨度48 m簡支混凝土箱梁為主，共計(jì)63孔，跨沿江公路、三干河等節(jié)點(diǎn)用主跨80 m混凝土連續(xù)梁，總長3 459.6 m。

滬通鐵路長江大橋設(shè)計(jì)范圍長11.07 km，其中公鐵合建段長7.216 km(如圖2所示)。

圖2 滬通鐵路長江大橋全橋橋式概略(單位:m)

主航道橋采用鋼整體橋面與鋼桁相結(jié)合的三片桁架結(jié)構(gòu)，其立面和橫截面分別如圖3和圖4所示。主梁桁架桁高16.0 m，N形桁式，節(jié)間距14 m。桁寬2×17.5 m，每個(gè)主桁節(jié)點(diǎn)均有橫聯(lián)。底部鋼箱梁作為桁架下弦，同時(shí)兼作鐵路整體橋面。主梁上弦平面設(shè)公路正交異性鋼橋面板，與上弦一起參與主梁共同受力。

主塔采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(如圖5所示)，主塔承臺(tái)以上高度345 m。塔柱順橋向尺寸12～20 m，上塔柱標(biāo)準(zhǔn)段橫橋向尺寸為14 m，中塔柱和下塔柱橫向尺寸為8.5～16.0 m。

主塔基礎(chǔ)采用倒圓角矩形沉井基礎(chǔ)，平面尺寸為72.4 m×44.4 m，高120 m(如圖6所示)。

圖3 主航道橋橋式布置(單位:m)

圖4 主航道橋主梁橫截面布置(單位:mm)

3.2 論證結(jié)果

按目前技術(shù)水平，主跨超過千米的橋梁可采用斜拉橋和懸索橋。若采用懸索橋，需要在江中設(shè)置巨大錨碇，對(duì)通航、水利都有較大影響，且工程量大、投資大。斜拉橋方案具有剛度大、抗風(fēng)穩(wěn)定性好、對(duì)航道水利影響小，以及經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)推薦斜拉橋方案是合適的。

針對(duì)主梁軸向壓力大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)創(chuàng)新地采用了新型加勁梁斷面結(jié)構(gòu)，公路、鐵路均采用整體鋼橋面板并參與總體受力，有效增加了加勁梁橫斷面的受力面積，突破了橋梁跨度受制于鋼梁桿件因受力大而難于設(shè)計(jì)、制造的瓶頸;同時(shí)采用高強(qiáng)度鋼材，不僅充分發(fā)揮了材料性能，而且有利于減輕橋梁自重。大橋主梁形式及主要構(gòu)造是合理的，采用高強(qiáng)度鋼材是合適的。

由于本橋斜拉索長度大、截面大、重量大，斜拉索制造、運(yùn)輸安裝困難等，設(shè)計(jì)研究了采取并行索布置、整索制造的平行鋼絲束索方案，以及單股防護(hù)、制造、運(yùn)輸、安裝的鋼絞線索方案。兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，均是可行的，可在下階段結(jié)合耐久性、疲勞等性能綜合比選后確定。

圖5 主航道橋主塔結(jié)構(gòu)(單位:cm)

主塔墩基礎(chǔ)荷載大、地震響應(yīng)大且船撞力大，采用浮運(yùn)的鋼—混凝土組合沉井基礎(chǔ)方案是合適的。

靜、動(dòng)力分析表明，主橋結(jié)構(gòu)受力及抗風(fēng)、抗震滿足要求;風(fēng)—車—橋耦合動(dòng)力分析表明主橋能夠滿足列車的行車安全性和舒適性要求，但需在下階段通過試驗(yàn)研究予以確認(rèn)。

圖6 主航道橋主塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(單位:cm)

依據(jù)目前國內(nèi)橋梁設(shè)計(jì)能力和材料、制造、施工工藝、設(shè)備等方面技術(shù)水平，借鑒世界橋梁工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，主跨1 092 m公鐵兩用斜拉橋在技術(shù)上總體是可行的。

4 論證階段建議

本橋跨度大、荷載大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)行規(guī)范不能完全涵蓋，設(shè)計(jì)和施工存在很大的技術(shù)難度，因此，應(yīng)對(duì)主橋結(jié)構(gòu)體系、主梁、主塔等進(jìn)一步深入研究和優(yōu)化:

1)對(duì)主橋結(jié)構(gòu)體系的不同方案進(jìn)行比較和優(yōu)化;

2)對(duì)平行鋼絲束索和鋼絞線索兩種斜拉索體系方案進(jìn)行深入研究和比較;

3)對(duì)主梁具體方案進(jìn)行深入研究和細(xì)化;

4)對(duì)主塔采用鋼塔，鋼—混凝土組合塔以及更高強(qiáng)度等級(jí)混凝土材料進(jìn)行研究和比較。

5 尚需進(jìn)一步開展的科研試驗(yàn)項(xiàng)目

鑒于本橋?qū)儆诔笮蜆蛄?，建成后將成為世界橋梁史上的里程碑，因此論證認(rèn)為，應(yīng)對(duì)大橋的行車性能、抗風(fēng)抗震、新材料、新結(jié)構(gòu)等專題開展深入的科學(xué)研究，主要包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:

1)Q500橋梁鋼材提高抗拉強(qiáng)度的研究與應(yīng)用;

2)鐵路鋼橋面防水保護(hù)措施研究;

3)有風(fēng)環(huán)境下高速列車行車安全性和舒適度等性能分析研究及實(shí)車試驗(yàn);

4)大跨度鐵路斜拉橋抗震性能及減震措施研究;

5)斜拉橋抗風(fēng)性能及模型試驗(yàn)研究;

6)主梁鋼箱桁組合截面性能及構(gòu)造研究;

7)大位移軌道溫度伸縮調(diào)節(jié)器與梁端軌道伸縮裝置研制。

6 結(jié)束語

本文通過對(duì)滬通鐵路長江大橋橋位選擇、橋式方案擬定等內(nèi)容的論證評(píng)估，表明該項(xiàng)目總體上是可行的，但是需要進(jìn)行許多深入細(xì)致的科學(xué)研究工作，以保證工程的順利推進(jìn)，以及將來結(jié)構(gòu)的使用和運(yùn)營安全。

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