高速鐵路跨越京杭運河水上服務區(qū)連續(xù)梁拱設計

陳 杰

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海市 200070）

1 概 述

京杭運河鎮(zhèn)江服務區(qū)全長約1 km，連鎮(zhèn)高鐵在京口工業(yè)園區(qū)穿越京杭運河服務區(qū)的綜合樓與遠調樓（見圖1），大運河與高鐵兩張中國名片在此深度融合。高鐵跨運河橋梁設計需要考慮航道、防洪、水上服務區(qū)、景觀等因素。本文介紹了連鎮(zhèn)高鐵跨越京杭運河Ⅲ級航道連續(xù)梁拱橋梁設計，可供同類橋梁設計借鑒參考。

圖1 跨越蘇南京杭運河（76+136+76）m 連續(xù)梁拱成橋照片

2 總體設計

連續(xù)梁拱橋梁具有高度低、跨度大和外形美觀的優(yōu)點，在鐵路橋梁設計中得到了越來越廣泛的應用[1-10]。連鎮(zhèn)鐵路設計速度250 km/h，跨點處航道凈寬90 m、凈高7.5 m，采用（76+136+76）m 連續(xù)梁拱主跨一跨跨越航道，邊跨跨越服務區(qū)和城市道路，如圖2 所示。主橋距離大港制梁場10 km，距離接軌站約14 km。由于受城區(qū)制梁場布置限制，連續(xù)梁拱之后還有377 孔預制簡支梁需要通過連續(xù)梁拱運梁，因此本橋成為全線控制工期的大通道，橋面需加寬運梁。

圖2 京杭運河（76+136+76）m 連續(xù)梁拱橋梁立面（單位：cm）

2.1 主梁

主梁全長289.5 m，中支點梁高8.0 m，跨中和邊跨直線段梁高4.5 m，梁高按圓曲線變化，邊支座中心線至梁端0.75 m，主梁橫斷面圖如圖3 所示。

圖3 主梁中支點、跨中橫斷面布置圖（單位：cm）

橋面頂板寬16.0 m，底板寬12.4 m。頂板厚40 cm梁端和中墩處頂板加厚至70 cm。底板厚35～80 cm。腹板厚40～50～60 cm，跨中至支點折線變化。對應拱腳處腹板局部加厚130 cm。

箱梁底板下緣和上緣均采用圓曲線，下緣半徑R=449.75 m，上緣半徑R=515.623 m。全聯在中跨跨中、端支點、中支點和吊點處共設置19 道橫隔板，端支點和中支點的橫隔板厚度分別為1.4 m、3.0 m，吊點處橫隔板厚度為0.4 m。為方便養(yǎng)護人員通過，橫隔板和橋墩處底板設有進人孔。

2.2 拱肋

拱肋矢跨比為1/5，計算跨度為136 m，矢高為27.2 m，拱軸線為二次拋物線，設計拱軸線方程：Y=-1/170X+0.8X（坐標原點取拱軸線和支座中心線的交點）。在拱頂設置最大8 cm 的預拱度，施工矢高f=27.28 m。拱肋實際施工均采用施工拱軸線制作和拼裝。

拱肋設計成啞鈴形，截面如圖4 所示。拱肋總高2.8 m，鋼管直徑為0.8 m，腹板寬0.55 m，采用C50 微膨脹混凝土灌注腹腔、上下鋼管、兩肋橫向中心距14.1 m。

圖4 拱肋截面（單位：cm）

全橋共設6 道K 撐（直徑0.6 m 的圓形鋼管，斜撐截面采用直徑0.45 m 的圓形鋼管）、1 道一字撐（直徑0.6 m 的圓形鋼管）。

2.3 吊桿

全橋共設吊桿14 對，縱向間距為8 m，單側14根。吊桿采用低應力防腐平行鋼絲束（PES（FD）7-109 型），外側套復合不銹鋼管，采用冷鑄鐓頭錨。吊桿上端、下端分別錨于拱頂、橋面。

2.4 橋墩與基礎

兩個圓端型主墩墩高分別為15 m、8 m，橋墩縱橋向4 m、橫橋向15.1 m，承臺縱橋向15.8 m、橫橋向20 m、厚4.5 m，20 根直徑2 m 鉆孔灌注樁，樁長分別為42.5 m、49 m。服務區(qū)橋墩緊鄰綜合樓與遠調樓房屋基礎，采用鉆孔樁圍護施工承臺。運河東岸主墩采用鉆孔樁圍護，并在靠航道側設置臨時防撞墩，水邊施工作業(yè)平臺。施工完成后按照服務區(qū)要求進行恢復。鄰近鐵路駁岸邊坡采用生態(tài)混凝土預制塊護砌。

2.5 施工步驟

（1）本橋用掛籃懸澆主梁，先合龍邊跨，再合龍中跨。

（2）橋面少支架拼裝鋼管拱肋，泵送拱肋上下弦管和綴板內混凝土。

（3）按順序張拉各吊桿。

（4）吊桿力調整后施工橋面系。

（5）吊桿力調整至設計索力后完成施工。

3 結構計算

3.1 主梁

3.1.1 主梁應力

全橋空間結構分析共分為682 個節(jié)點，420 個單元，模型如圖5 所示。主梁各階段正應力計算結果見表1，主梁抗裂和強度計算結果見表2，均滿足規(guī)范要求。

圖5 結構計算模型

表1 主梁正應力計算結果

表2 主梁抗裂及強度計算結果

3.1.2 主梁撓度

雙線靜活載作用下，邊跨撓度值為14.6 mm，為邊跨的1/5 205，小于L/1 400=54.3 mm。中跨撓度值為24.3 mm，為中跨的1/5 597，小于L/1 400=97.1 mm。ZK 靜活載作用下，梁端轉角為0.7‰，小于2‰，梁的徐變上拱值應嚴加控制。線路鋪設后，梁的徐變上拱值為7.8 mm，小于20 mm，均滿足規(guī)范要求。

3.2 拱肋

運營情況下計算結果見表3。恒載、靜活載及其他荷載作用下，拱肋面外穩(wěn)定。一階線彈性屈曲系數為10.6，二階線彈性屈曲系數為13.0，三階線彈性屈曲系數為10.94，四階線彈性屈曲系數為12.30，五階線彈性屈曲系數為13.51。面內穩(wěn)定安全系數計算值為5.45，均滿足規(guī)范要求。

表3 鋼管混凝土拱肋計算結果 單位：MP a

3.3 吊桿

在主力作用下，吊桿最大拉應力為320 MPa，最小拉應力為90 MPa。在主力+ 附加力作用下，吊桿最大拉應力為355 MPa，最小拉應力為68 MPa。在運梁車作用下，吊桿最大拉應力為254 MPa，最小拉應力為45 MPa。強度安全系數K 大于2.5，活載作用下吊桿的最大應力幅為129 MPa。

3.4 橫向受力計算

主梁橫向受力分無吊桿區(qū)和有吊桿區(qū)開展[11-12]。無吊桿區(qū)沿縱向取單位長度主梁簡化成腹板底端支承的橫向框架模型計算。有吊桿區(qū)域沿橋縱向取吊點橫梁翼緣板的有效寬度，簡化成腹板下緣支承的框架，吊點處加豎向集中荷載計算。

4 橋梁景觀設計

蘇南運河運量大、船舶密度高，鎮(zhèn)江水上運河服務區(qū)是蘇南運河水運行業(yè)形象的重要窗口，是航道上一道亮麗的風景線。高鐵是中國的一張亮麗名片，高鐵橋梁建設需要結合周圍環(huán)境和橋梁自身特點形成人文造景。橋梁景觀設計主要研究了如下內容：

（1）橋梁是單方向延伸結構，采用連續(xù)梁拱結構，線條流暢，變化豐富，輕盈優(yōu)美，體量與環(huán)境協調。

（2）連續(xù)梁拱鋼管拱、橫撐、斜撐和吊桿錨箱的涂裝顏色采用孔雀藍，橋梁色彩與藍天、碧水渾然一體。

（3）結合運河文化特點，以船帆和波浪為要素，橋梁欄桿采用點綴景觀欄片+ 波形欄片，形成千帆競渡、乘風破浪的動感意象和美好寓意。

鐵路運營后橋梁現場照片如圖6 所示。

圖6 跨越京杭運河水上服務區(qū)連續(xù)梁拱實景

5 結 語

（1）連鎮(zhèn)高鐵采用連續(xù)梁拱跨越鎮(zhèn)江京杭運河水上服務區(qū)橋梁跨越能力大，結構高度低，“先梁后拱”施工，橋面加寬滿足運梁通道施工工期，確保了全線關鍵控制節(jié)點的順利實施。

（2）連續(xù)梁拱的拱肋分擔了部分恒載和活載，有效地降低了主梁截面高度，動力性能和豎向剛度都較好，能適應高標準鐵路橋梁建設的需要。

（3）通過本橋連續(xù)梁拱的工程應用，將高鐵橋梁與京杭大運河水上服務區(qū)成功融合。橋梁景觀設計和建設反映了地域特色和時代特色。