新井口嘉陵江大橋四線鐵路連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

童登國，劉曉琴

（中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

新井口嘉陵江大橋四線鐵路連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

童登國，劉曉琴

（中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

以蘭渝鐵路重點控制性工程新井口嘉陵江大橋84m+152m+76m四線鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，從線路方案及橋位控制條件、橋跨布置方案、橋面布置型式及結(jié)構(gòu)型式、多線橋梁車橋動力性能等方面進行了研究，提出了主橋四線并行、墩身上段及梁體分修、墩身下段及基礎(chǔ)合修的新型結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，可為同類型橋梁建造提供思路及參考。

鐵路橋；四線；連續(xù)剛構(gòu)；動力性能；新井口嘉陵江大橋

0 引言

隨著我國鐵路建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，大跨度超高墩連續(xù)剛構(gòu)橋不斷涌現(xiàn)。當(dāng)前國內(nèi)外的鐵路單線及雙線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋技術(shù)已經(jīng)十分成熟。隨著橋梁比例在鐵路線路中不斷提高，三線以上的橋梁的數(shù)量也逐漸增加，但已建成的三線以上的大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋不多。目前，對于鐵路多線大跨高墩剛構(gòu)橋施工階段及運營階段空間靜力行為、車橋耦合振動性能、橋墩的合理型式以及寬幅箱梁的力學(xué)性能等問題的研究還遠(yuǎn)不夠，不能滿足鐵路橋梁設(shè)計的發(fā)展需求，嚴(yán)重地影響了其在鐵路橋梁中應(yīng)用和推廣[1-5]。

為了保證結(jié)構(gòu)施工和運營階段的安全性與經(jīng)濟性，開展鐵路多線、高墩、大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究是十分必要的。

1 工程概況

新建蘭渝鐵路重點控制性工程新井口嘉陵江大橋位于重慶市沙坪壩區(qū)嘉陵江井口河段，在已建渝懷鐵路井口嘉陵江大橋下游45 m處過江。蘭渝鐵路與渝利貨車外繞線共用橋位，四線一次建成。

蘭渝鐵路為客車雙線，設(shè)計速度為200 km/h，雙線線間距4.6 m。渝利貨車外繞線為貨車雙線，設(shè)計速度為120 km/h，雙線線間距4.0 m。蘭渝鐵路與渝利貨車外繞線線間距5.3 m。

主橋設(shè)計活載為四線“中-活載”，采用跨區(qū)間無縫線路。為減小梁軌相互作用對軌道結(jié)構(gòu)的影響，在全橋范圍內(nèi)布設(shè)小阻力扣件。

大橋主橋四線并行段采用：（64 m+64 m）混凝土連續(xù)T構(gòu)+（84 m+152 m+76 m）混凝土連續(xù)剛構(gòu)+（64 m+64 m）混凝土連續(xù)T構(gòu)。

大橋主橋84 m+152 m+76 m混凝土連續(xù)剛構(gòu)是世界第一座墩身下段及基礎(chǔ)合修，墩身上段及梁部分修，四線并行的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，其成橋?qū)嵕耙妶D1。

圖1 蘭渝鐵路新井口嘉陵江四線大橋?qū)嵕罢掌ê淆垼?/p>

2 設(shè)計主要控制因素

2.1 線路條件及橋位方案

本橋為重慶北站往蘭州方向出站后的第一座大型橋梁，距離重慶北站僅8 km，被稱為“千里蘭渝第一橋”。受重慶北站站位及鐵路沿線城市建設(shè)影響，蘭渝鐵路線路走向受限于既有渝懷鐵路兩側(cè)的狹長走廊內(nèi)。因此，本橋臨近區(qū)段線路條件及橋位方案受控因素較多。

2.2 橋跨布置方案

橋區(qū)河段河勢總體穩(wěn)定，地質(zhì)條件較好，因而影響主跨跨度的主要因素是通航及行洪的影響?？紤]到既有橋梁為主跨144 m，因此本橋的跨度也應(yīng)與之匹配。

主橋孔跨布置確定從以下幾個方面考慮：（1）主橋的孔跨布置盡量與既有橋?qū)?；?）邊跨孔跨布置應(yīng)盡量結(jié)合施工方案確定，降低施工難度及造價；

（3）合理的邊中跨使橋型方案結(jié)構(gòu)受力合理、橋式新穎且具有良好的剛度；

（4）水利部門建議在與既有橋梁對孔的基礎(chǔ)上盡量加大主跨的跨度，降低橋梁與水流存在夾角帶來的阻水不利影響。

結(jié)合各方面的意見和建議，主橋主跨初步確定采用152 m，比既有井口嘉陵江大橋大8 m，具體方案考慮以下幾種：預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋；連續(xù)鋼桁梁橋；預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁-拱組合橋；預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋；預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。

2.3 橋面布置方案

針對本橋四線共橋位并線合修的特點，橋面布置方案可將蘭渝鐵路雙線和渝利鐵路雙線分別布置于兩個相互獨立的箱梁上，即“并置雙箱”方案，見圖2；也可采用四線整體箱梁方案，即“單箱雙室”方案，見圖3。采用“并置雙箱”方案還是“單箱雙室”方案，涉及到的結(jié)構(gòu)型式及受力行為區(qū)別較大。

圖2 梁體橫斷面-“并置雙箱”箱梁布置方案（單位：cm）

圖3 梁體橫斷面-“單箱雙室”箱梁布置方案（單位：cm）

布置方案一：蘭渝鐵路與渝利鐵路分別布置于兩個梁體上，各梁體均采用單箱單室箱梁截面。

布置方案二：蘭渝鐵路與渝利鐵路共用一個箱梁，截面為單箱雙室截面。

2.4 多線橋梁剛度控制

本橋為四線大跨度橋梁，之前未有類似橋梁建設(shè)先例。一方面，蘭渝鐵路與渝利貨車外繞線鐵路設(shè)計列車運行速度高，高速列車與橋梁結(jié)構(gòu)的動力相互作用突出。另一方面，該橋為多線鐵路橋，不僅涉及到單線和雙線列車作用下的車橋動力分析，還可能涉及到多線列車共同作用下的車橋振動的問題。

3 主要應(yīng)對措施

3.1 采用六線并線橋位

為了最大限度地減少鐵路夾心地，蘭渝鐵路、既有渝懷鐵路及渝利鐵路貨車外繞線六線鐵路并線布置，在跨越嘉陵江井口河段時，除既有的渝懷鐵路井口嘉陵江大橋外，蘭渝鐵路與渝利貨車外繞線形成四線規(guī)模?？紤]到該河段的河道條件，橋梁主跨宜在140～160 m左右。同時為了滿足《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于跨河橋梁橋位的間距要求，本橋應(yīng)采用四線共橋位修建。新橋位于既有橋的下游約45 m處，平行于既有橋布置。

3.2 采用四線并行合建連續(xù)剛構(gòu)

針對預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋、連續(xù)鋼桁梁橋、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁-拱組合橋、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋等五種橋梁設(shè)計方案，從橋梁長度、施工工藝、受力特點等方面進行比選，各自的優(yōu)缺點比較列于表1。

通過對預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋、連續(xù)鋼桁梁橋、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁-拱組合橋、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋等5種方案的比較，綜合方案的優(yōu)缺點及經(jīng)濟性，認(rèn)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋方案最適合本橋。

3.3 采用梁部分修、橋墩合修的結(jié)構(gòu)方案

針對本橋四線共橋位并線合修的特點，對兩種橋面布置方案所對應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)進行了分析：

針對四線橋梁分幅布置方案（方案一）和整體布置方案（方案二）：

（1）整體上兩種布置方案均能滿足本項目的需求。計算表明，施工階段和運營階段兩種布置方案的應(yīng)力值均小于規(guī)范限值，但布置方案二在施工階段的最大壓應(yīng)力值已接近容許應(yīng)力值，因此從安全度的角度來看，布置方案一的應(yīng)力水平較為合理；

表1 不同主橋設(shè)計方案綜合比較表

（2）在列車活載作用下，布置方案一的梁體主跨豎向變形比布置方案二大13%，但均遠(yuǎn)小于規(guī)范所要求的豎向撓跨比限值；

（3）兩布置方案的自振頻率基頻相差很?。?/p>

（4）布置方案一梁體混凝土數(shù)量比布置方案二梁體大9.4%，但布置方案二的施工時間較長。并且布置方案（方案一）與普通雙線剛構(gòu)橋差別不大，是一種成熟、經(jīng)濟的布置方案，而整體布置4線鐵路方案（方案二）采用單箱雙室截面，梁體寬度大、施工節(jié)段重量大；

（5）從受力的角度方案二的橫向剪力滯效應(yīng)較明顯，應(yīng)力的不均勻分布程度較大，容易引起結(jié)構(gòu)的病害，并且在施工階段其壓應(yīng)力水平接近規(guī)范的容許限值；

（6）從施工的角度，布置方案二不能夠利用普通橋梁的既有設(shè)備，需專門研制大噸位、大尺寸掛籃，這會導(dǎo)致掛籃前移等工序的施工時間增長，總體上會增長施工時間，且增大施工設(shè)備的投入。

因此，本橋采用分幅箱梁布置方案，即推薦采用方案一。

新井口嘉陵江四線大橋主墩構(gòu)造見圖4。

圖4 新井口嘉陵江四線大橋主墩構(gòu)造（單位：cm）

3.4 采用車橋仿真分析驗證

根據(jù)車橋耦合振動分析理論，采用空間有限元方法建立其全橋動力分析模型，對該橋的空間自振特性進行了計算；同時，對該橋在CRH2、CRH3動車組和C80貨車作用下的車橋空間耦合振動進行了分析：

（1）橋梁自振特性分析

主梁一階橫彎0.632 Hz，主梁一階豎彎1.180 Hz。

（2）橋梁振動性能

在CRH2、CRH3動車組以速度160～240 km/h通過蘭渝鐵路和C80貨車以速度60～120 km/h通過渝利鐵路時，蘭渝鐵路側(cè)主跨跨中最大豎向位移為4.59 mm，最大豎向加速度為7.35 cm/s2；渝利鐵路側(cè)主跨跨中最大豎向位移為11.99 mm，最大豎向加速度為5.69 cm/s2，橋梁動力性能良好。

（3）列車行車安全性

主橋在CRH2、CRH3動車組以速度160～240 km/h通過蘭渝鐵路側(cè)和C80貨車以速度60～120 km/h通過渝利鐵路側(cè)時，車輛的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi)。

（4）列車乘坐舒適性

主橋在CRH2、CRH3動車組以速度160～240 km/h通過蘭渝鐵路側(cè)和C80貨車以速度60～120 km/h通過渝利鐵路側(cè)時，除C80貨車以速度120 km/h通過時車輛乘坐舒適性指標(biāo)為“良”，其余均能達(dá)到“優(yōu)”。

4 主要技術(shù)特點

新井口嘉陵江大橋為國內(nèi)最大跨度的四線鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，其主墩墩身下段及基礎(chǔ)合修，墩身上段及梁部分修的結(jié)構(gòu)型式為世界首創(chuàng)。該橋的成功修建，解決了多線共橋位大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋面臨的系列難題，對類似橋梁工程具有較高的指導(dǎo)價值。

大橋設(shè)計具有以下技術(shù)特點：

（1）新井口嘉陵江大橋為國內(nèi)時速200公里客貨共線鐵路最大跨度的四線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。它的成功實施為高墩多線連續(xù)剛構(gòu)橋在鐵路橋梁建設(shè)中的應(yīng)用提供了借鑒。

（2）該橋充分考慮了通航條件、河槽地形與水文條件；主橋四線并行，主墩墩身下段及基礎(chǔ)合修有效保證了結(jié)構(gòu)剛度和行車安全性與舒適性；主墩墩身上段及梁體分修，給結(jié)構(gòu)提供了適度的變形協(xié)調(diào)空間，有利于結(jié)構(gòu)受力。

（3）該墩身結(jié)構(gòu)較大地節(jié)約了圬工量，有效解決了高墩大跨橋梁橫向剛度控制難題，為國內(nèi)同類型鐵路橋梁首例。

（4）該橋?qū)ι钏邩冻信_基礎(chǔ)設(shè)計施工、土體-樁-高墩-多線連續(xù)剛構(gòu)橋動力性能研究、靜動力特性分析等研究，對該類型橋梁的設(shè)計施工具有廣泛的指導(dǎo)意義。

[1]李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動[M].北京:中國鐵道出版社,1992.

[2]徐君蘭,顧安邦.連續(xù)剛構(gòu)主墩剛度合理性的探討[J].西部交通利技,2005(2):59-62.

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[4]馮鵬程.連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)問題探討[J].橋梁建設(shè)，2009(4): 46-49.

[5]辛躍輝.不對稱超大跨度單線連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計與研究[J].鐵道工程學(xué)報,2012(8):45-48.

U448.23

B

1009-7716（2017）04-0059-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.018

2017-03-01

童登國（1983-），男，湖北枝江人，高級工程師，從事公路、鐵路大跨度橋梁設(shè)計工作。