安九鐵路特殊結構橋梁設計

孫昆鵬

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 工程背景

安九鐵路起于安徽省安慶市安慶站、經湖北省黃梅縣和江西省九江市引入廬山站，新建線路全長約198 km。建設標準為高速鐵路，設計速度采用350 km/h[1]。全線設安慶、安慶西、潛山、太湖南、宿松東、黃梅東、黃梅站、廬山8個車站，橋梁全長160.4 km，橋梁占比81.0%。本線跨越城市54條等級道路，24條既有鐵路，11條大中河流。

1.1 主要技術標準

鐵路等級:高速鐵路；正線數(shù)目:雙線；設計速度:350 km/h；正線線間距:5.0 m；軌道類型:無砟軌道；設計活載:ZK活載。

1.2 橋梁設計特點

本線多次跨越既有鐵路、公路和河流，根據(jù)跨越構筑物的需要設計采用了標準簡支箱梁、連續(xù)梁、道岔連續(xù)梁、系桿拱、T構、鋼-混組合桁架梁和斜拉橋等多種橋式結構。

跨越既有鐵路、公路和河道時，根據(jù)相關立交協(xié)議、防洪評價和通航論證的結果采用適合的橋跨形式[2]。

2 特殊結構設計

安九鐵路由于跨越3個省，既有鐵路、公路和河流眾多，為了滿足平面線位條件，結合縱斷面情況，幾乎應用到了目前橋梁設計中絕大多數(shù)結構形式:跨越滬渝高速公路采用(80＋136＋80)m連續(xù)梁、孔梁北站特大橋采用6×32 m及7×32 m道岔連續(xù)梁、跨越梅濟港采用1-80 m四線系桿拱、跨越長江主航道采用(2×50＋224＋672＋174＋3×50)m鋼箱混合梁斜拉橋、跨越既有瑞九鐵路采用1-96 m鋼-混組合桁架梁、跨越既有武九鐵路采用2×56 m和2×64 m T構等。

2.1 (80＋136＋80)m連續(xù)梁

安九鐵路在獨山鎮(zhèn)跨越滬渝高速公路，相交角度僅25°，滬渝高速公路雙向6車道，預留8車道。受相交角度、公路路幅寬度的影響，經過和矮塔斜拉橋等多方案對比，從經濟技術角度選用了連續(xù)梁結構。

2.1.1 結構設計

本梁計算跨度為(80＋136＋80)m預應力混凝土連續(xù)梁，全長297.6 m(含兩側梁端至邊支座中心各0.80 m)。

梁體各控制截面梁高分別為:端支座處及邊跨直線段為6.0 m，中墩處為10.0 m，梁底下緣按圓曲線變化，圓曲線半徑R＝401.031 m；箱梁頂寬12.6 m，底寬7.0 m。梁體為單箱單室、變高度、變截面結構。箱梁兩側腹板與頂、底板相交處均采用圓弧倒角過渡。截面如圖1所示。

圖1 (80＋136＋80)m連續(xù)梁跨中橫斷面(單位:cm)

2.1.2 設計特點

根據(jù)運營養(yǎng)護經驗，混凝土連續(xù)梁溫度跨度在200 m左右時會建議設置軌溫調節(jié)器，為避免設置軌溫調節(jié)器，經過對鋼軌強度和鋼軌斷縫反復驗算，本梁將跨度選定為(80＋136＋80)m，為高速鐵路混凝土連續(xù)梁不設軌溫調節(jié)器的跨度范圍做了進一步探索?！惰F路橋涵設計規(guī)范》(TB 10002—2017)第5.2.2條規(guī)定:設計時速200 km及以上鐵路無砟軌道橋面預應力混凝土梁，軌道鋪設完成后，當跨度大于50 m時，豎向殘余徐變變形不應大于L/5 000且不應大于20 mm。本梁為時速350 km無砟軌道最大跨度連續(xù)梁，梁體豎向殘余徐變變形控制至關重要，為保證計算的準確性，設計時分別采用了BSAS、Midas和橋梁博士三種計算軟件對梁體豎向殘余徐變變形進行分析，使三種軟件計算結果均能滿足規(guī)范限值要求。

由于無砟軌道結構本身的可調度局限性明顯，大跨度連續(xù)梁本身后期易產生較大的豎向向下的徐變變形，兩者疊加會更加影響高速列車行車的平順性。為了確保行車的平順性，設計進行了車橋耦合計算，根據(jù)計算結果顯示當CR3高速列車以橋梁設計速度段(160～350 km/h)通過該橋時，列車的乘坐舒適性達到“良好”標準以上。從多方面均驗證了采用136 m連續(xù)梁的可行性。

2.2 1-80 m四線系桿拱

安九鐵路在孔壟北站特大橋九江端采用1-80 m四線系桿拱跨越梅濟港，梅濟港為規(guī)劃限制型Ⅳ級航道，水面寬約70 m。梅濟港小里程端為孔壟北高架站，大里程端分開為安九正線、孔壟上、下行聯(lián)絡線三條線路，為了滿足梅濟港河道通航凈空，同時降低孔壟北高架站的高度，結合景觀需求，經多方案比選，最終采用1-80 m四線系桿拱結構跨越梅濟港。

2.2.1 結構設計

主橋為由拱肋、系梁、吊桿和橋面系等組成的梁拱組合體系[3]，計算跨度80 m，全長83 m；兩拱肋平行布置，中心間距11.7 m，拱肋高H＝2.8 m，鋼管直徑D＝1.1 m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比f/L＝1/5；系梁采用預應力混凝土簡支箱梁，梁高3 m，頂寬26 m，底寬15.4 m；全橋共設11對雙吊桿，第一處吊桿距離支點12.8 m，其余吊桿中心間距均為5.5 m。橋面橫向為四線鐵路，安九鐵路正線居中，兩側分別為孔壟上、下行聯(lián)絡線，線間距為7 m＋5.0 m＋6.7 m，充分利用兩側聯(lián)絡線與安九正線6.7 m的空間設置拱腳，避免了空間的浪費；立面布置圖見圖2，橫斷面圖見圖3。

圖2 80 m系桿拱橋(單位:cm)

圖3 80 m系桿拱橋橫斷面(單位:cm)

2.2.2 設計特點

本橋位于孔壟北站附近，為了使橋梁與孔壟北高架站、梅濟港河道周圍的景觀協(xié)調統(tǒng)一、橋景一體，采用了系桿拱的橋梁結構設計，合理的矢跨比、拱肋尺寸和拱軸線的選擇，較好地滿足了無砟軌道的剛度要求。創(chuàng)造性地利用兩側聯(lián)絡線與安九正線6.7 m的空間設置拱腳，有效縮減了箱體尺寸，四線拱的設計為多線拱橋在高速鐵路上的應用進行了一次開拓性的嘗試。由于本橋為四線橋，箱體較寬，為此本橋設計采用卡榫進行橫向限位，梁與墩溫差按10℃考慮，這樣與小里程側相鄰處溫度引起相對變形Δ＝9.2×1 000×10×1.0×10-5＝0.92 mm，滿足無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側的鋼軌支點橫向相對位移不應大于1 mm的要求。

2.3 (2×50＋224＋672＋174＋3×50)m斜拉橋

安九鐵路長江特大橋是目前國內跨度較大的四線高速鐵路橋梁，本橋橋位處水文條件復雜，線路等級、行車舒適性要求、結構剛度的要求都非常高，具有長江通航等級高、潮汐變化大、防洪等級高等特點。采用主跨672 m鋼箱斜拉橋跨越主航道，主橋采用的結構體系技術成熟、輔助墩結合結構及地形合理設置、主塔和加勁梁桁的高度合理設計、本橋采用的橋面體系在大跨度橋梁中適應性也比較好。結合通航論證要求，在備用航道橋采用獨塔斜拉橋，引橋采用連續(xù)梁、40 m簡支箱梁等橋式，同時也考慮了防洪要求、技術經濟條件等因素的影響。安九鐵路長江特大橋的設計較好地滿足了各項功能要求[4]。

2.3.1 總體設計

本橋跨度布置為(2×50＋224＋672＋174＋3×50)m，主橋采用8跨連續(xù)的雙塔混合箱梁斜拉橋，主橋全長1 320 m。主跨和輔助孔采用帶雙邊箱的扁平鋼箱梁，簡支跨采用與鋼梁外形匹配帶底板的混凝土邊主梁，混凝土梁總長262 m。邊跨總長與主跨比為0.482，4號主塔高252 m(塔座頂以上)，5號主塔高242 m(塔座頂以上)，軌面以上塔高h＝195.465 m(含塔冠高度)，有效塔高與主跨比為1/3.44；主梁全寬32.1 m，橋面中心處梁高4.79 m，高寬比1/6.7，高跨比1/140.3。索對稱布置成鉛垂雙索面，索橫向中心距為29 m，跨中72 m范圍采用交叉索布置，交叉索區(qū)索縱向間距為12 m，鋼梁標準梁段索縱向間距為9 m，混凝土梁段部分索縱向間距為6 m[5]。如圖4所示。

圖4 長江特大橋主航道橋式布置(單位:m)

2.3.2 結構體系

主橋結構采用8跨連續(xù)半漂浮體系，鉛垂雙索面布置，塔墩固結。主梁在主塔及輔助墩處設豎向支座，在索塔處設橫向抗風支座，塔梁間縱向采用的阻尼器連接對靜荷載不提供剛度，只對動荷載產生緩沖和約束作用，在1號墩和9號墩處設橫向位移約束裝置[6-9]。

2.3.3 主橋鋼箱梁設計

主橋鋼箱梁梁段全長1 060 m，共分為63個節(jié)段，其中索交叉鋼段長72 m。鋼箱梁采用帶雙邊箱的流線型扁平鋼箱梁結構，鋼箱梁高4.79 m(不計道砟槽板厚度)，邊箱高4.5 m，橋面設置雙向2%的橫坡。如圖5所示。

圖5 鋼箱梁橫斷面(單位:cm)

鋼箱梁寬(不含風嘴)32.24 m，斜拉索采用雙索面形式，斜拉索橫向間距為29 m，斜拉索縱向間距非交叉區(qū)段為9 m，交叉區(qū)斜拉索縱向12 m。斜拉索在鋼箱梁上的錨固采用鋼錨箱結構形式。非交叉索區(qū)鋼箱梁斜拉索在邊箱中心錨固。橋面系采用正交異性橋面板的形式，標準段頂、底板厚16 mm，鋼梁頂面全寬范圍內鋪有15 cm的混凝土道砟槽板，通過剪力釘將道砟槽板與鋼箱梁連接一起。道砟槽板設置斷縫不參與縱向受力，鋼箱梁標準節(jié)段長度為18 m，每節(jié)段重量約550 t。

2.3.4 主塔設計

主塔結構設計為H型結構，由(下、中、上)塔柱及上、下橫梁組成，塔柱為鋼筋混凝土結構，上、下橫梁為預應力混凝土結構。

全橋共南北兩個主塔，其中北塔高(塔座頂面以上)為252 m，南塔高(塔座頂面以上)為242 m，橋面以上塔柱高約195.5 m。塔柱間中心距:在北塔座頂33.5 m，在南塔座頂36.056 m，下橫梁中心線處45.0 m，上橫梁中心線及塔頂29.0 m，中間部分按線性變化。

2.3.5 斜拉索設計

斜拉索采用標準強度為1 670 MPa的φ7 mm鍍鋅平行鋼絲斜拉索。塔上斜拉索采用鋼錨箱錨固，鋼梁內斜拉索錨固采用鋼錨箱錨固，混凝土梁內斜拉索錨固采用梁底槽口錨固。

鋼斜拉索在鋼箱梁上的錨固采用鋼錨箱結構形式。九江側和黃梅側交叉索及相應背索在標準拉索錨固位置的基礎上向外、內分別為30 cm，索面保持平行索面(即鉛錘索面)，避開交叉索的相互干擾。

2.3.6 橋墩及基礎

兩個塔墩基礎均采用45根直徑3.0 m的鉆孔灌注樁，均以弱風化灰?guī)r為持力層。

輔助墩及邊墩:1～2號墩以弱風化的泥質灰?guī)r為持力層，6～9號墩以弱風化灰?guī)r為持力層。墩身結構均采用n型墩，船撞部位以下用隔墻連成整體。1和6～9號墩基礎采用12根直徑2.5 m的樁，2號墩采用15根直徑3.0 m樁，3號墩采用18根直徑3.0 m樁。

2.3.7 設計特點

安九鐵路長江特大橋采用主跨672 m鋼箱斜拉橋，是目前干線鐵路跨長江四線斜拉橋中采用鋼箱結構的最大跨度；跨中72 m范圍內創(chuàng)造性采用了交叉索布置，以增加主跨跨中不滿足動態(tài)坡區(qū)段拉索及主梁剛度為主來提高體系剛度，不僅滿足了跨度和受力需求，更降低了造價，是大跨度干線鐵路斜拉橋一次有益的工程實踐，具有良好的工程參考價值。

2.4 1-96 m鋼-混組合桁架梁

安九鐵路上跨武九客專鐵路受凈空及交叉角度的限制，采用1-96 m鋼-混組合桁架梁跨越武九鐵路廬山1號特大橋，跨越范圍為在建橋梁14號橋墩～九江臺，右前角164°，如圖6所示。

圖6 96 m鋼-混組合桁架梁橋(單位:cm)

根據(jù)橋址現(xiàn)狀及凈空要求，考慮鋼桁梁的后期養(yǎng)護、維修對橋下行駛的列車產生不安全的影響；選擇采用鋼-混組合桁架梁為本橋的設計方案。結合平面情況，采用側位拼裝、現(xiàn)澆，轉體架設的施工方案[10]。

2.4.1 結構設計

廬山特大橋跨越在建武九客專采用1-96 m鋼-混組合桁架梁，主梁為鋼-混凝土組合桁架結構，梁長L＝98 m，支座中心至梁端1 m。桁架高12.6 m，主桁中心距離6.7 m，節(jié)間距離12 m。采用預應力混凝土槽形梁結構用作橋面系。主梁部分位于緩和曲線上，曲梁直做[11]。

槽形梁梁高180 cm，底板寬790 cm，支點厚度為230 cm，腹板厚度為120 cm；道床板跨中厚度45 cm，支點處厚95 cm；人行道懸臂部分長100 cm，懸臂端部板厚20 cm，梗肋處厚35 cm。如圖7所示。

圖7 槽形梁橫斷面(單位:cm)

2.4.2 設計特點

凈空受限的情況下設計一般采用鋼桁梁跨越既有鐵路，安九鐵路跨武九鐵路處創(chuàng)新性地采用了1-96 m鋼-混組合桁梁，結構高度低滿足了橋下凈空的需求，采用預應力槽形梁作為行車道，減少了鋼桁梁在既有線上方維護保養(yǎng)的困難，橋梁外觀也比較簡潔大方。采用側位拼裝、現(xiàn)澆的施工方案，對既有線運營影響少，施工安全更有保證[12]。

3 結束語

國內已建和在建高速鐵路設計的各個典型案例給安九線橋梁設計提供了很多成功經驗，本線橋梁設計在繼承以往成功經驗的同時，結合本線的具體情況因地制宜而有針對性地進行了拓展和創(chuàng)新，工程可實施性、滿足軌道平順性、運營舒適性、方便養(yǎng)護維修等特點在本線橋梁設計中得到了充分體現(xiàn)。

(1)(80＋136＋80)m跨度的選定為高速鐵路大跨度混凝土連續(xù)梁不設軌溫調節(jié)器的適用跨度范圍做了進一步探索。

(2)80 m四線系桿拱在安九鐵路上的成功應用，是多線拱橋在高速無砟軌道鐵路上應用的一次開拓性的嘗試。

(3)安九鐵路長江特大橋跨中72 m范圍內交叉索布置，以增加主跨跨中不滿足動態(tài)坡區(qū)段拉索及主梁剛度為主來提高體系剛度，為解決大跨度鋼箱梁斜拉橋跨中體系剛度不足問題提出了新思路。

(4)96 m鋼-混組合桁梁采用低高度預應力混凝土槽形梁作為行車道板，既滿足了橋下凈空需求，又解決了既有鐵路上方鋼結構維修養(yǎng)護困難的問題，進一步拓展了該結構在高速鐵路上的適用范圍。