武九客運(yùn)專線西南下行聯(lián)絡(luò)線特大橋主橋橋式方案比選

羅春林

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢　430063)

武九客運(yùn)專線西南下行聯(lián)絡(luò)線特大橋主橋橋式方案比選

羅春林

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢430063)

摘要：武九客運(yùn)專線西南下行聯(lián)絡(luò)線特大橋主橋跨越3條既有鐵路線路，橋梁與既有鐵路線路夾角僅16°。為了選出主橋最合理的橋式方案，從安全、適用、經(jīng)濟(jì)、施工對既有鐵路的影響等各方面進(jìn)行計(jì)算及分析對比，比選結(jié)果表明，主跨148 m矮塔斜拉橋?yàn)楸緲虻淖顑?yōu)橋式方案。

關(guān)鍵詞：鐵路橋梁；曲線橋梁；跨越既有線；橋式方案；比選

1橋址概況(圖1)

武九客運(yùn)專線西南下行聯(lián)絡(luò)線特大橋位于江西省九江市廬山鐵路樞紐內(nèi)，小里程側(cè)距廬山站約800 m，新建線路附近為車站的一些老舊建筑物。

橋址于KXNXDK1+053.7～KXNXDK1+101.3處跨越既有京九鐵路上行線、下行線，該線實(shí)測軌面高程35.01 m，與既有鐵路夾角為16°，采用開行雙層集裝箱的線路建筑限界，要求凈高7.96 m；于KXNXDK1+101.6～KXNXDK1+120處跨越既有西南下行線，該線軌面高程為35.57 m，與本線夾角為16°，采用客運(yùn)專線鐵路建筑限界，要求凈高7.25 m[1，2]。

受站場高程的控制，本橋跨越既有鐵路位置線路軌面設(shè)計(jì)高程為51.507 m。

圖1　主橋橋址平面

2主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)速度：120 km/h。

線路情況：有砟軌道，單線。

線路平面：主橋范圍位于直線、緩和曲線及圓曲線，圓曲線半徑1 000 m。

縱斷面：主橋范圍分別設(shè)為+20‰、0‰及-20‰縱坡，主橋范圍設(shè)有2個半徑為10 000 m豎曲線變坡點(diǎn)。

設(shè)計(jì)活載： ZK活載。

3設(shè)計(jì)方案

結(jié)合橋位處地形條件，為跨越既有的3條鐵路線路，主跨結(jié)構(gòu)跨度應(yīng)不小于148 m。根據(jù)橋位處特點(diǎn)，本橋橋式方案的選擇思路為：滿足功能適用、結(jié)構(gòu)合理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、施工期間對既有鐵路干擾小的原則。基于上述原則，可供比較的橋式方案有：矮塔斜拉橋，連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)，連續(xù)剛構(gòu)橋，連續(xù)梁，簡支鋼桁梁。本橋初步設(shè)計(jì)階段對以上5種橋型進(jìn)行了比較分析。

3.1矮塔斜拉橋方案

矮塔斜拉橋是介于斜拉橋和連續(xù)梁橋之間的組合橋型，兼具斜拉橋的纖細(xì)柔美和連續(xù)梁(剛構(gòu))橋的剛勁有力，是一種剛?cè)峄パa(bǔ)的新橋型[3]。

圖2　矮塔斜拉橋方案全橋立面(單位:m)

本方案為(88+148+88) m雙塔雙索面矮塔斜拉結(jié)構(gòu)，采用預(yù)應(yīng)力混凝土主梁，鋼筋混凝土橋塔，全橋共設(shè)12對斜拉索。結(jié)構(gòu)體系為塔梁固結(jié)、墩塔分離。見圖2。(1)主梁(圖3)

矮塔斜拉橋方案主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室直腹板變高度箱梁，箱梁頂面寬10.0 m，底寬6.5 m，斜拉索采用箱外錨固形式。中支點(diǎn)截面梁高7.0 m，跨中合龍段及邊跨現(xiàn)澆段、邊跨合龍段梁高3.5 m，梁底下緣按圓曲線變化，圓曲線半徑R=711.786 m。頂板厚42 cm，腹板厚分別為45、70、90 cm，底板厚由中跨跨中及邊跨直段的50 cm按圓曲線變化至110 cm，中支點(diǎn)再加厚至150 cm，邊支點(diǎn)處加厚到80 cm。全橋分別于中支點(diǎn)、端支點(diǎn)和中跨跨中處設(shè)5道橫隔梁，中支點(diǎn)橫隔梁厚4.0 m，邊支點(diǎn)處端隔梁厚1.55 m，中跨跨中橫隔梁厚0.5 m，橫隔梁處設(shè)有孔洞供檢查人員通過。此外，在索梁錨固點(diǎn)處各設(shè)置高1.6 m半橫梁1道，全梁共設(shè)有24道錨固橫梁。

圖3　矮塔斜拉橋方案主梁橫斷面(單位:cm)

(2)橋塔及鞍座

橋塔采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫向?yàn)殡p柱式，橋面以上塔高18.0 m，塔高與跨度比為1/8.2， 塔柱橫向不設(shè)橫聯(lián)。塔柱采用矩形實(shí)心截面，塔柱橫截面輪廓四周設(shè)R=25 cm圓倒角處理，順橋向塔底寬5.0 m，塔頂寬4.0 m，橫橋向?qū)挾?.0 m。鞍座設(shè)于塔身上部，斜拉索貫穿其中并錨固在塔兩側(cè)的主梁上，鞍座彎曲半徑為3.5～6.5 m。鞍座應(yīng)能承受斜拉索的徑向壓力及塔兩側(cè)索體的不平衡力[4]。

(3)斜拉索

斜拉索橫向?yàn)殡p索面布置，立面為半扇形布置，每個索塔設(shè)6對斜拉索，斜拉索塔上索間距0.7 m，梁上索間距8.0 m。斜拉索在索塔內(nèi)通過，并通過鞍座錨固于塔身，兩側(cè)對稱錨固于梁體。斜拉索采用鍍鋅鋼絞線，外套HDPE，斜拉索規(guī)格為15.2-43，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 860 MPa。

(4)施工方法

為降低施工期間對橋下既有鐵路線路運(yùn)營的影響，主橋采用平轉(zhuǎn)施工方法施工。具體步驟為：①先平行于既有鐵路采用懸臂灌注或分節(jié)段支架現(xiàn)澆施工主梁，施工有索節(jié)段后對應(yīng)安裝斜拉索并進(jìn)行初張拉；②施工至最大懸臂狀態(tài)后進(jìn)行二次調(diào)索至設(shè)計(jì)噸位；③將主梁平面轉(zhuǎn)體至設(shè)計(jì)線位，合龍主梁，施工二期恒載，完成施工。

3.2連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)方案(圖4)

圖4　連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)方案(單位:m)

連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)能較好地發(fā)揮連續(xù)梁和拱2種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)。它利用拱肋承擔(dān)由吊桿傳來的部分二期恒載和活載，系梁抵抗拱的推力并承受結(jié)構(gòu)自重、部分二期恒載及活載。由于拱的加勁作用，能夠有效降低主梁的高度。本方案橋式具有整體受力特性好、結(jié)構(gòu)剛度大、建筑高度低、施工方法成熟等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。(1)主梁(圖5)

主梁采用單箱單室截面，中支點(diǎn)梁高8.0 m，中跨跨中及邊支點(diǎn)梁高4.0 m，梁底由圓曲線變化，R=546.50 m。箱梁頂板寬8.8 m，底板寬6.0 m。主梁采用C55混凝土，設(shè)縱向和豎向預(yù)應(yīng)力。頂板厚度為42 cm，邊支點(diǎn)處局部加厚到72 cm，中支點(diǎn)處局部加厚到102 cm。腹板厚度45～70～90 cm，支點(diǎn)處局部加厚，底板厚度由35 cm變厚到110 cm。全梁共設(shè)5道橫隔板，分別為邊支點(diǎn)端橫隔板2道，中支點(diǎn)橫隔板2道，中跨跨中橫隔板1道，隔板上設(shè)有過人孔。

圖5　連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)方案主梁橫斷面(單位:cm)

(2)主拱肋(圖6)

拱的計(jì)算跨徑L=148.0 m，矢高f=29.6 m，矢跨比f/L=1/5，拱軸線為拋物線，拱軸線方程:y=-1/185x2+0.8x。兩榀主拱肋橫向間距6.7 m。拱肋采用等高度啞鈴形截面，拱肋高2.9 m，弦管直徑φ0.9 m，材料為鋼管混凝土。拱肋弦管及綴板采用16 mm厚Q345qD鋼，內(nèi)填C55微膨脹混凝土。兩榀拱肋間共設(shè)9道橫撐，橫撐采用φ450 mm×12 mm和φ200 mm×10 mm空鋼管，材料為Q345qD鋼。

圖6　主拱肋截面(單位:cm)

(3)吊桿

全橋共設(shè)16組雙吊桿，吊桿縱向間距8.0 m。吊桿采用PES(FD)7-55型低應(yīng)力拉索(平形鋼絲束)，其fpk=1 670 MPa，Ep=2.0×105MPa。吊桿配套采用LZM7-55型冷鑄鐓頭錨，拱肋一端為張拉端。

(4)施工方法

采用先梁后拱施工順序，先平行于既有鐵路采用懸臂灌注或分節(jié)段支架現(xiàn)澆方法施工主梁，平面轉(zhuǎn)體至設(shè)計(jì)線位后澆筑邊跨及中跨合龍段，完成主梁施工。在施工好的主梁橋面拼裝拱肋后將其豎向轉(zhuǎn)體，再進(jìn)行吊桿張拉施工。

3.3連續(xù)剛構(gòu)橋方案(圖7)

圖7　連續(xù)剛構(gòu)橋方案(單位:m)

連續(xù)剛構(gòu)橋是一種常見并且成熟的一種橋型。連續(xù)剛構(gòu)橋是墩、梁固結(jié)的連續(xù)梁橋，其綜合了T構(gòu)橋在懸臂施工中保持體系平衡的特點(diǎn)，又吸取了連續(xù)梁橋在整體受力上能承受正負(fù)彎矩的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。連續(xù)剛構(gòu)橋一般運(yùn)用于大跨度的橋梁。由于整個結(jié)構(gòu)連接成一個整體，屬于多次超靜定結(jié)構(gòu)，因而由預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變和溫度變化所引起的結(jié)構(gòu)縱向位移將在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的次內(nèi)力。大跨連續(xù)剛構(gòu)橋一般采用柔性的薄壁墩，把柔性墩作為一種擺動支承體系，從而降低墩的剛度，減小次內(nèi)力效應(yīng)[8]。(1)主梁(圖8)

圖8　連續(xù)剛構(gòu)方案主梁橫截面(單位:cm)

主梁采用單箱單室截面，中支點(diǎn)梁高9.0 m，中跨跨中及邊支點(diǎn)梁高4.5 m，梁底由圓曲線變化，R=450.28 m。箱梁頂板寬7.2 m，底板寬6.0 m。主梁采用C55混凝土，設(shè)縱向和豎向預(yù)應(yīng)力。頂板厚度為42 cm，邊支點(diǎn)處局部加厚到72 cm，中支點(diǎn)處局部加厚到102 cm。腹板厚度45～70～90 cm，支點(diǎn)處局部加厚，底板厚度由50 cm變厚到120 cm。全梁共設(shè)5道橫隔板，分別為邊支點(diǎn)端橫隔板2道，中支點(diǎn)橫隔板2道，中跨跨中橫隔板1道，隔板上設(shè)有過人孔。

(2)主墩

主墩為雙薄壁矩形墩，墩與梁固結(jié)。雙柱縱向間距5.4 m，墩壁厚1.8 m，橫向?qū)挾?.8 m，設(shè)0.3 m×0.3 m倒角。21號、22號主墩墩高分別為6.5 m、8.5 m(不含轉(zhuǎn)體系統(tǒng)上轉(zhuǎn)盤高度)。

(3)基礎(chǔ)(圖9)

圖9　主墩基礎(chǔ)布置(單位:cm)

主墩基礎(chǔ)采用12-φ2.0 m鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)，主墩基礎(chǔ)均按柱樁設(shè)計(jì)，行列式布置，行間距4.0 m，列間距4.0 m。

(4)施工方法

先平行于既有鐵路采用懸臂灌注或分節(jié)段支架現(xiàn)澆方法施工主梁后，將其平面轉(zhuǎn)體至設(shè)計(jì)線位，然后再澆筑邊跨、中跨合龍段，完成結(jié)構(gòu)施工。

3.4連續(xù)梁方案(圖10)

圖10　連續(xù)梁方案(單位:m)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋以結(jié)構(gòu)受力明確、形式簡潔、動力性能好、跨越能力大等優(yōu)點(diǎn)，在鐵路非常規(guī)跨度梁中應(yīng)用非常廣泛[9-10]。(1)梁體結(jié)構(gòu)構(gòu)造(圖11)

圖12　簡支鋼桁梁方案(單位:m)

圖11　連續(xù)梁方案典型橫截面(單位:cm)

主梁采用單箱單室截面，中支點(diǎn)梁高11.5 m，中跨跨中及邊支點(diǎn)梁高5.5 m，梁底由圓曲線變化，R=388.33 m。箱梁頂板寬7.2 m，底板寬6.0 m。主梁采用C55混凝土，設(shè)縱向和豎向預(yù)應(yīng)力。頂板厚度為42 cm，邊支點(diǎn)處局部加厚到72 cm，中支點(diǎn)處局部加厚到102 cm；腹板厚度50～75～100 cm，支點(diǎn)處局部加厚；底板厚度由50 cm變厚到120 cm。全梁共設(shè)5道橫隔板，分別為邊支點(diǎn)端橫隔板2道，中支點(diǎn)橫隔板2道，中跨跨中橫隔板1道，橫隔板上設(shè)有過人孔。

(2)施工方法

先平行于既有鐵路采用懸臂灌注或分節(jié)段支架現(xiàn)澆方法施工主梁后，將其平面轉(zhuǎn)體至設(shè)計(jì)線位，然后再澆筑邊跨、中跨合龍段段，完成結(jié)構(gòu)施工[11]。與連續(xù)剛構(gòu)橋的施工方法基本一致。

3.5簡支鋼桁梁方案(圖12)

鋼桁梁是鐵路橋梁常用的一種橋型，具有跨越能力大、建筑結(jié)構(gòu)高度低，制造、架設(shè)方便等優(yōu)點(diǎn)[12]。

(1)結(jié)構(gòu)形式

本方案采用1孔148 m無豎桿整體節(jié)點(diǎn)平行弦三角桁架下承式鋼桁梁，桁高18.5 m，節(jié)間長度為16.0 m。兩側(cè)接32.6 m簡支T梁。

(2)橋面布置(圖13)

兩片桁間距9.0 m，道砟槽內(nèi)寬4.5 m，人行道置于主桁內(nèi)側(cè)，寬1.05 m。

(3)主桁構(gòu)造

①截面形式

主桁上、下弦桿及端斜桿均采用焊接箱形截面，上、下弦桿及端斜桿內(nèi)寬1 100 mm，內(nèi)高1 300 mm，板厚20～46 mm。主桁其他斜桿采用箱形及H形截面。

②主桁連接

采用焊接整體節(jié)點(diǎn)，箱形截面桿件均在節(jié)點(diǎn)外四面拼接，H形截面桿件與節(jié)點(diǎn)采用插入式連接。主桁桿件與節(jié)點(diǎn)之間采用M24高強(qiáng)螺栓連接，箱形桿件下水平板需設(shè)置手孔，手孔位于拼接縫中心處，寬120 mm。

圖13　橋面布置(單位:m)

(4)橋面

①總體布置

鋼橋面由橋面板、橫梁及橫肋、縱肋4個部分組成，其中鋼橋面板全橋縱、橫向連續(xù)，縱向與下弦頂板伸出肢焊接，橫向分段焊接。在鋼橋面頂鋪設(shè)3 mm厚的MMA防水層。

②橫梁及橫肋

橫梁間距16 m，采用倒T形截面，高1252 mm，腹板厚16 mm，底板寬740 mm、厚28 mm，上翼板與主桁伸出肢焊接，腹板及底板與主桁伸出肢栓接。兩道橫梁之間設(shè)4道橫肋。

③縱肋

鋼橋面板在道砟槽范圍之內(nèi)共設(shè)置了9道U肋，兩側(cè)擋砟墻外側(cè)各設(shè)4道I肋。U肋高度280 mm、厚8 mm，間距600 mm，I肋高度140 mm、厚12 mm?？v肋全橋連續(xù)，遇橫梁、橫肋腹板則開孔穿過。

(5)施工方法

先在既有線一側(cè)施工臨時(shí)支墩，平行于既有線拼裝鋼桁梁，安裝滑道梁，再以21號主墩為中心將鋼桁梁平面旋轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)線位。

4方案比選

以上5個橋型方案中，連續(xù)梁的建筑高度最高，支點(diǎn)處梁高11.5 m，跨中梁高5.5 m。由于本橋在廬山樞紐內(nèi)，線路高程受控于廬山車站站場高程，連續(xù)梁方案不能滿足橋下凈空要求，其余4個橋型方案均能滿足要求。此外，本橋平面位于曲線上，連續(xù)梁拱，簡支鋼桁梁方案需對橋面進(jìn)行加寬，其余3個方案可曲梁曲做，對線路曲線平面的適用性較好。

初步設(shè)計(jì)階段對以上各橋型方案均進(jìn)行了結(jié)構(gòu)檢算。連續(xù)剛構(gòu)橋方案由于墩高太矮，特別是21號主墩，墩高僅為6.5 m，僅為跨度的1/22.7，雖然采用了雙肢薄壁墩，柱墩的剛度仍然較大。在主梁預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變以及溫度荷載作用下，墩底最大彎矩達(dá)65 329.9 kN·m，對應(yīng)軸力為35 896.2 kN(主+附工況)。按偏心受壓構(gòu)件對墩底截面進(jìn)行檢算，即使按332@15 cm的配置受力鋼筋，仍然不能滿足受力要求。除連續(xù)剛構(gòu)橋方案外，其他4個方案結(jié)構(gòu)受力均能滿足要求。

施工期間對既有鐵路運(yùn)營的影響方面，5個方案均采用了轉(zhuǎn)體施工。但是連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)采用先梁后拱法，需要在主梁平轉(zhuǎn)到位后，再在既有線上方進(jìn)行拱肋的吊裝及吊桿施工作業(yè)[7]，對既有線運(yùn)營安全不利。

各方案優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

表1　各方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

5結(jié)論

經(jīng)過上述詳細(xì)比較分析，連續(xù)梁方案功能不滿足要求，連續(xù)剛構(gòu)橋受力無法滿足。結(jié)合本橋的實(shí)際情況，本橋主橋橋式方案推薦采用滿足橋下凈空要求、結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)、受力合理并且施工期間對既有鐵路運(yùn)營影響最小的(88+148+88)m矮塔斜拉橋方案。

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Comparison of Bridge Type for Railway Extra-long Bridge on Wuhan-Jiujiang Passenger Dedicated Railway Line

LUO Chun-lin

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract：Xi’nan down line railway bridge on Wuhan-Jiujiang passenger dedicated railway crosses over three existing railway lines with only 16° between the bridge and the existing railway line. To select the most suitable bridge type， calculation， analysis and comparison are conducted in terms of safety， comfort， economy， and effect of construction on existing railway. The result shows that low-tower cable-stayed bridge with a main span of 148 m is the best selection for the bridge.

Key words：Railway bridge; Curved bridge; Crossing over existing railway; Bridge type; Comparison and selection

中圖分類號：U442.5+4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.017

文章編號：1004-2954(2015)06-0073-06

作者簡介：羅春林(1984—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail:luochunlin@crfsdi.com。

收稿日期：2015-02-02； 修回日期：2015-02-06