蘭渝鐵路廣元嘉陵江大橋設計

劉忠平，魯 昭

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

1 工程概況

蘭渝鐵路廣元嘉陵江大橋位于四川盆地北部的廣元市南端梁家營村附近，橋址屬于丘陵河谷地貌，橋址兩端地勢較陡，自然橫坡為25°～45°，相對高差約80 m。廣元嘉陵江大橋于線路里程DK588+405—DK588+553處橫跨嘉陵江。嘉陵江在此處較為彎曲，河槽甚寬，但嘉陵江內(nèi)有沙灘凸起淤積，灘地較寬，占了河槽的3/4左右。橋址處水面坡度較緩，線路與水流方向近似正交，軌底距江面最大高度約39.7 m。

根據(jù)《蘭渝鐵路重點工程場地安全性評價和沿線地震動參數(shù)區(qū)劃》得知，橋址處抗震設防烈度為Ⅶ度，設計地震動峰值加速度為0.15g，反應譜特征參數(shù)為0.50 s。

2 方案設計比選

大橋設計主要控制因素是地形、水文和通航要求。橋址處通航等級為Ⅳ—（3）級，且水流紊流混亂，橫向流速超過0.8 m/s。根據(jù)《內(nèi)河通航標準》（GB 50139—2004）第5.2.2條要求，應一跨過河或在通航水域中不得設置墩柱。本橋最低通航水位水域?qū)挾葹?56 m，橋位處規(guī)劃航跡線兩側寬度為153 m，考慮一跨過江十分不經(jīng)濟，本橋設計采用在通航水域中不設橋墩方案。初步設計進行了如下兩個方案比選。

（1）方案一。主橋采用V形剛構—拱結構，橋長834.14 m，主跨所需最小跨度為14 m（墩寬）＋153 m＋11 m（紊流寬度）=178 m，取180 m。孔跨布置為24 m＋4×32 m＋（80＋180＋80）m預應力混凝土V形剛構—鋼管混凝土拱組合結構＋10×32 m，概算投資為1.16億元。

（2）方案二。主橋采用連續(xù)梁—拱結構，橋長828.74 m，主跨所需最小跨度為6.5 m（墩寬）＋153 m＋11 m（紊流寬度）=170.5 m，取172 m?？卓绮贾脼?4 m＋4×32 m＋（82＋172＋82）m預應力混凝土連續(xù)梁—鋼管混凝土拱組合結構＋10×32 m，概算投資1.18億元[1]。

從安全性來看，兩方案均采用了鋼管混凝土拱肋輔助主梁受力，梁上拱肋的施工難易程度相當，但方案一采用了V形剛構橋墩，施工難度較大、技術要求較高。從適用性來看，兩方案均能滿足橋下通航凈空高度要求，同時也都能很好地滿足行車平順和舒適性的要求。從經(jīng)濟性來看，方案二投資較方案一節(jié)省0.02億元，但兩者相差不是很大。從美觀性來看，兩方案景觀相當，與橋址處地形和環(huán)境較好地融合。從結構設計來看，方案一的主要優(yōu)點是主墩采用V形剛構橋墩，無須設置大噸位支座，但V形剛構—拱結構超靜力次數(shù)高，同時主墩還會產(chǎn)生水平推力，全橋受力復雜，設計難度更大；方案二的優(yōu)缺點與方案一正好相反。通過綜合分析兩方案的優(yōu)劣性，最終采用方案二作為本橋的設計方案。

3 大橋結構設計

主橋采用（82＋172＋82）m預應力混凝土連續(xù)梁—鋼管混凝土拱組合結構，主橋設計總體布置如圖1所示。

圖1 廣元嘉陵江大橋主橋總布置（單位：m）

廣元嘉陵江大橋主橋上部結構由（82+172+82）m預應力混凝土連續(xù)梁和172 m鋼管混凝土拱組合而成，梁拱組成整體共同承受結構自重及列車活載，主橋上部結構構造如圖2所示。

圖2 1/2主橋上部結構構造（單位：m）

3.1 主梁

主梁采用單箱單室、變高度、變截面箱梁，主橋梁長337.8 m；中跨中段20 m和邊跨端部6.9 m為等高梁段，梁高4.5 m，支點梁高為10 m，其余梁段梁底下緣按二次拋物線Y=5.5×X2/712+4.5（m）變化。箱梁頂板寬13 m，拱腳處頂板局部加寬至15 m，箱寬9.8 m；跨中頂板厚45 cm，因鋼束布置需要距中支點每側27 m范圍頂板加厚至63 cm；底板厚47～100 cm，按二次拋物線變化；腹板厚60～105 cm，按折線變化。主梁主要截面構造如圖3所示。

3.2 拱肋

拱肋計算跨度L=172 m，設計矢高f=34.4 m，矢跨比為1:5，設計拱軸線方程：Y=-X2/215+0.8X。兩榀拱肋之間橫向中心距為11.2 m。拱肋采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高3.1 m。拱肋弦管直徑1.1 m，由20 mm、24 mm厚的鋼板卷制而成，弦管之間用16 mm厚鋼板連接。拱肋弦管及腹板內(nèi)均填充C50微膨脹混凝土。考慮到加工及運輸條件限制，將每榀拱肋劃分為15節(jié)段（不含預埋段、合攏段、嵌補段），最大節(jié)段長度為13.062 m。

3.3 橫撐

兩榀拱肋之間共設9道橫撐，拱頂橫撐為“一”字型，其余8道為“K”字型。橫撐直鋼管和斜鋼管截面尺寸分別為φ1000×20 mm和φ800×16 mm，鋼管內(nèi)均不填充混凝土，如圖4所示。

圖4 1/2主橋橫撐布置（單位：m）

3.4 吊桿

全橋共設19組吊桿，順橋向間距8.0 m。吊桿采用OVM.GJ15-31鋼絞線整束擠壓拉索，上端穿過拱肋錨于拱肋上緣張拉底座；下端錨于吊點橫梁下緣固定底座，設計在拱肋端進行張拉端。

3.5 下部

主墩、邊墩均采用圓端型實體墩、矩形承臺和群樁基礎，如圖5所示。為減小地震荷載作用下固定主墩墩身及基礎受力，在活動主墩頂設置了4個TJGZ-LUD3300-e200型速度鎖定裝置。

圖5 支座和速度鎖定裝置布置（單位：m）

3.6 施工工序

主橋采用“先梁后拱”施工方法。先利用掛籃懸臂澆筑主梁，合龍主梁邊孔，懸澆中跨不平衡段，合龍主梁中孔，拆除臨時支座。再以橋面為工作面，矮支架拼裝鋼管拱肋；利用橋面塔架及其他設備，使鋼管拱肋豎向轉(zhuǎn)體就位，合龍拱頂、固結拱腳；依次灌圖3主梁主要截面構造（單位：cm）注拱肋上弦管、下弦管、腹板內(nèi)混凝土；按指定次序張拉吊桿，調(diào)整吊桿力；施工橋面系；調(diào)整吊桿力到成橋設計索力。

圖3主梁主要截面構造（單位：cm）

4 主要技術指標

4.1 主梁計算

運營階段最不利組合下，主梁頂板最大壓應力為14.46 MPa，最小壓應力為2.13 MPa。底板最大壓應力為14.12 MPa，最小壓應力為1.97 MPa，梁體各截面均不出現(xiàn)拉應力。本設計二期恒載上橋時間按吊桿初張拉后80 d計算，梁體徐變上拱度在二恒鋪設后為21.6 mm。靜活載下主梁跨中位移最大為-36.5 mm，梁端轉(zhuǎn)角最大為-0.83‰。

4.2 拱肋計算

運營階段拱肋鋼管及混凝土應力計算結果如表1所示，其中應力以受壓為正，受拉為負[2]。

表1 拱肋鋼管及混凝土應力計算結果

主力組合下拱肋強度安全系數(shù)K=2.37，主+附組合下拱肋強度安全系數(shù)K=2.04。拱肋一階失穩(wěn)系數(shù)為4.761，失穩(wěn)模態(tài)為拱肋反向橫彎[3]。

5 結語

蘭渝鐵路廣元嘉陵江大橋主橋采用連續(xù)梁—拱組合體系，有效地降低了梁體結構高度[4]，充分滿足了通航凈空高度要求。相對于已建的鐵路連續(xù)梁拱組合橋，該橋主梁首次采用了單箱單室截面，充分發(fā)揮鋼管混凝土拱肋對主梁的加勁作用。通過在活動主墩設置4個速度鎖定裝置，可使固定主墩墩底及墩頂（支座）地震力減小20%以上，且不影響橋梁正常使用。大橋整體性好、結構剛度大，列車在橋上運行時安全舒適、噪聲低、環(huán)境條件優(yōu)越，后期養(yǎng)護工作量小。該橋設計技術可為同類橋梁建造提供借鑒和參考。