大跨雙層公鐵兩用鋼箱拱橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

王 志,梅新詠,蘇 楊

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430056)

1 工程概況

成貴鐵路宜賓金沙江公鐵兩用橋位于四川省宜賓市郊區(qū)。為了充分利用稀有的橋位資源，大橋采用公鐵合建。上層為4線有砟鐵路，其中2線為成貴高鐵，設(shè)計(jì)速度250 km/h，其余2線為預(yù)留線路，線間距4.6 m；下層采為雙向六車道城市快速路，設(shè)計(jì)速度60 km/h，兩側(cè)布置人行道[1-2]。該橋位于西南山區(qū)，主跨336 m，主墩最高98.1 m，是成貴鐵路控制性工程，也是世界上首座高速鐵路布置在上層、公路布置在下層的公鐵兩用鋼箱系桿拱橋，具有公鐵合建、兩岸地形高差大、高速、重載、大跨、高墩等技術(shù)難點(diǎn)。

2 結(jié)構(gòu)布置

結(jié)合通航凈空尺度論證、橋位河段珍稀魚類保護(hù)區(qū)等控制因素，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、施工便利性等，宜賓金沙江公鐵兩用橋主橋跨徑布置為(116+120+336+120+116) m，其中336 m主拱采用拱墩固結(jié)、拱梁分離的鋼箱系桿拱橋，120 m和116 m邊拱為混凝土簡(jiǎn)支系桿拱橋。見圖1。

圖1 宜賓金沙江公鐵兩用橋總體布置

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

336 m跨主拱采用拱墩固結(jié)、拱梁分離的鋼箱系桿拱。拱肋采用鋼箱結(jié)構(gòu)，與橋墩固結(jié)，拱軸線為拋物線，矢跨比為1/3.36，拱肋采用等高截面，高9 m，寬3 m。兩片拱肋橫向平行布置，中心線間距28.5 m，拱肋間采用“一”字形和“K”形橫撐連接。

上層鐵路橋面采用箱形邊主梁、縱橫梁體系的正交異性整體鋼橋面板。標(biāo)準(zhǔn)段主梁寬28.5 m，邊主梁高3.0 m，寬1.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)12 m。鐵路橋面通過剛性吊桿連接到拱肋上。

下層公路橋面采用工字形邊主梁形式的正交異性鋼橋面板。邊主梁的中心間距為28.5 m，外側(cè)布置4 m寬的挑臂，梁高2.6 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)12 m。公路橋面通過柔性吊索連接在拱肋上。

剛性吊桿將鐵路橋面連接于拱肋上，順橋向間距12 m。剛性吊桿采用八邊箱形截面，高1.4 m，寬1.4 m。柔性吊索采用雙束布置，內(nèi)穿于鐵路剛性吊桿并錨固在拱肋上，順橋向間距12 m，吊索采用PES7-55(109)低松弛鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 670 MPa。

系桿采用高強(qiáng)度可換型鍍鋅鋼絞線索，布置在公路橋面的柔性吊索兩側(cè)。系桿規(guī)格為55φs15.2 mm，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，全橋共用32根。主墩采用鋼筋混凝土框架墩。成都側(cè)主墩高89.6 m，基礎(chǔ)采用28根φ3.4 m樁基礎(chǔ)；貴陽側(cè)主墩高98.1 m，基礎(chǔ)采用36根φ3.4 m樁基礎(chǔ)。

120 m和116 m邊拱采用混凝土簡(jiǎn)支系桿拱，拱肋采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鐵路主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，公路主梁采用混凝土邊主梁結(jié)構(gòu)。

4 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 多跨雙層結(jié)構(gòu)體系

國(guó)內(nèi)外已建成的公鐵兩用橋均為公路布置在上層，鐵路布置在下層[3-11]。該橋橋址區(qū)兩岸地形高差大，如采用常規(guī)的合建橋梁，將公路設(shè)置在鐵路的上層，則大橋設(shè)計(jì)高程與成都側(cè)所接沿江道路高程高差約83 m，導(dǎo)致公路接線規(guī)模大，經(jīng)濟(jì)性差。為解決大橋公鐵合建、兩岸地形高差大等技術(shù)難題，因地制宜地采用鐵路在上層、公路在下層的分離式雙層橋面拱橋新結(jié)構(gòu)，兩層橋面高差32 m。

結(jié)合通航凈空尺度論證、橋位河段珍稀魚類保護(hù)區(qū)等控制因素，主橋采用多跨拱橋結(jié)構(gòu)，跨度布置為：(116+120+336+120+116) m=808 m，如圖2所示。

圖2 宜賓金沙江公鐵兩用橋多跨雙層橋面結(jié)構(gòu)(單位：m)

(1)336 m主拱支承體系

因336 m跨徑較大，對(duì)于系桿拱，混凝土等材料將造成系桿力大，結(jié)構(gòu)較難實(shí)現(xiàn)，因此選擇鋼結(jié)構(gòu)材料的拱肋和梁體。高速鐵路對(duì)行車舒適度要求高，對(duì)橋梁豎向撓度及梁端轉(zhuǎn)角均有嚴(yán)格限制，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支系桿拱橋，梁端轉(zhuǎn)角等無法滿足規(guī)范要求，而采用拱墩固結(jié)體系時(shí)，鐵路梁端轉(zhuǎn)角可以控制在1‰以下，滿足高速鐵路對(duì)行車安全與舒適性的要求。

如果采用拱、墩、公路梁一起固結(jié)，固結(jié)體系構(gòu)造復(fù)雜，施工難度大，另外通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，拱梁墩固結(jié)體系中，公路主梁不僅未起到系梁的作用(承受拉力)，反而消耗了系桿拉力，致使系桿軸力及墩身剪力均有所增加，造成公路主梁截面、系桿截面以及墩身截面均有所增加，經(jīng)濟(jì)性差。綜合考慮336 m主拱采用鋼箱拱肋與橋墩固結(jié)、公路梁分離的結(jié)構(gòu)體系[12-20]。

(2)120(116) m邊拱支承體系

邊拱跨徑較小，采用混凝土材料的系桿拱較易實(shí)現(xiàn)。相比鋼結(jié)構(gòu)材料的系桿拱，混凝土材料的系桿拱造價(jià)低，同時(shí)梁體剛度大，更利于高速鐵路對(duì)行車安全與舒適的要求。采用簡(jiǎn)支系桿拱，具有受力明確，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便等優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮，120(116) m邊拱采用混凝土簡(jiǎn)支系桿拱。

4.2 雙層橋面吊桿構(gòu)造

國(guó)內(nèi)外公鐵兩用橋較多采用整體式鋼桁梁方案，優(yōu)點(diǎn)是梁體剛度大，不需要考慮吊桿的布置和錨固，缺點(diǎn)是兩層橋面相互干擾較大，同時(shí)不適合兩層橋面高差較大的橋梁。336 m跨鋼箱拱橋采用雙層橋面的拱橋方案，橋面間高差32 m，吊桿的選擇、布置、錨固對(duì)運(yùn)營(yíng)安全尤為重要。

為了滿足高速列車行駛安全性以及舒適性等要求，鐵路橋面吊桿選用剛度大、疲勞性能好、維護(hù)和施工簡(jiǎn)單的八邊箱形截面的剛性吊桿。而公路與鐵路橋面相差32 m，如公路橋面選擇剛性吊桿則經(jīng)濟(jì)性差，因此在滿足公路橋剛度的前提下，公路橋面吊桿選擇低松弛鍍鋅高強(qiáng)鋼絲的柔性吊索。柔性吊索為了結(jié)構(gòu)安全和換索方便，采用雙束布置，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 670 MPa。剛性吊桿和柔性吊索的縱向間距均為12 m。

為了解決雙層橋面吊桿布置和錨固難的問題，大橋采用鋼箱剛性吊桿連接鐵路橋面、高強(qiáng)鋼絲柔性吊索連接公路橋面，將柔性吊索內(nèi)穿剛性吊桿并獨(dú)立錨固在鋼拱肋的錨固體系。這樣的布置和錨固方式有以下優(yōu)點(diǎn)：①減小了下層公路橋面和上層鐵路橋面運(yùn)營(yíng)的相互影響，使得鐵路和公路橋面運(yùn)營(yíng)更加安全和舒適；②剛性吊桿僅承受鐵路荷載，降低了鐵路剛性橋面吊桿疲勞破壞的概率；③鐵路橋面與公路橋面在活載作用下傳力明確，相互獨(dú)立，構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于施工。見圖3。

圖3 雙層橋面吊桿構(gòu)造

公路橋面與鐵路橋面分離，公路橋面獨(dú)立運(yùn)營(yíng)時(shí)，柔性吊索相對(duì)于剛性吊桿會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，在運(yùn)營(yíng)中需要避免柔性吊索和剛性吊桿的刮擦碰撞所出現(xiàn)的安全隱患，經(jīng)計(jì)算，各運(yùn)營(yíng)工況下柔性吊索與剛性吊桿的最大相對(duì)位移112 mm小于160 mm的預(yù)留空間，滿足運(yùn)營(yíng)安全需要。

4.3 雙層橋面吊桿構(gòu)造

對(duì)于大跨度拱橋，常見的拱梁連接方式有：①在拱梁交接處拱肋間設(shè)置橫梁，主梁與橫梁通過固定支座連接，而另一側(cè)則用活動(dòng)支座連接；②同樣在拱梁交接處設(shè)置橫梁，兩側(cè)主梁與橫梁通過大噸位阻尼裝置連接，同時(shí)增設(shè)防止橋面縱向漂移的軟約束。336 m跨鋼箱拱橋采用鋼箱拱肋與橋墩固結(jié)，公路梁分離的結(jié)構(gòu)體系，橋梁的整體剛度較大，常見的拱肋與鐵路梁連接方式在溫度、制動(dòng)力和活載作用下對(duì)鐵路橋面較短的剛性吊桿應(yīng)力和疲勞問題均有較大影響。見圖4。

圖4 拱梁間連接構(gòu)造

設(shè)計(jì)中采用水平鋼箱連桿連接拱肋與鐵路橋面，可以有效約束主梁縱向位移，改善由活載、溫度等帶來的短剛性吊桿的疲勞性能，同時(shí)能簡(jiǎn)單明確傳遞列車制動(dòng)力、替代傳統(tǒng)大噸位阻尼裝置，施工和養(yǎng)護(hù)更加便利。

4.4 拱墩固結(jié)段

336 m鋼箱拱橋采用拱墩固結(jié)體系。鋼箱拱肋與混凝土墩身的接頭受力大，構(gòu)造復(fù)雜。設(shè)計(jì)要求鋼-混凝土接頭對(duì)各種荷載產(chǎn)生的軸力、彎矩、剪力等傳力順暢可靠，在荷載作用下有一定的承載安全儲(chǔ)備，剛度過渡良好，構(gòu)造上力求減小應(yīng)力集中。常見的鋼-混凝土接頭有直接承壓式和埋入式，直接承壓式主要是鋼結(jié)構(gòu)的壓力通過底座承壓板擴(kuò)散到混凝土，而彎矩引起的拉力則通過錨栓等施加的預(yù)壓力平衡；埋入式主要是通過埋入段鋼箱側(cè)壁的剪力釘將壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榧袅鬟f到混凝土結(jié)構(gòu)，本橋拱腳受力主要以受壓為主，直接承壓式較埋入式傳力更均勻、更直接，鋼-混凝土接頭采用直接承壓式。

設(shè)計(jì)中在鋼箱拱和混凝土接觸面設(shè)置厚度為120 mm的承壓板，將拱肋壁板及加勁肋熔透焊接在承壓板上，通過承壓板將拱肋壁板及承壓加勁肋的壓力均勻傳至混凝土底座。并在鋼-混結(jié)合段采用M56的錨栓提供預(yù)壓力，錨栓一端錨固在混凝土橋墩內(nèi)，另外一端錨固在鋼箱拱承壓加勁板與錨固墊板共同構(gòu)成的錨梁上。

拱墩固結(jié)段構(gòu)造復(fù)雜，采用模型試驗(yàn)和有限元分析研究，拱墩固結(jié)段模型與實(shí)際固結(jié)段比例1∶6，模型制作、安裝和試驗(yàn)時(shí)，采取將模型豎立，利用剪力墻、反力臺(tái)座和反力架提供反力的加載方式進(jìn)行試驗(yàn)，見圖5。

圖5 拱墩固結(jié)段模型加載試驗(yàn)

試驗(yàn)荷載采用等效的金沙江公鐵兩用橋拱墩固結(jié)段最不利彎矩和最不利軸力工況進(jìn)行設(shè)計(jì)荷載加載和1.4倍超載加載，試驗(yàn)中未出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)宏觀開裂、鋼結(jié)構(gòu)屈曲、結(jié)構(gòu)位移突然增大等結(jié)構(gòu)破壞跡象，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平小于Q370qE鋼的容許應(yīng)力，混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平小于C50混凝土的容許應(yīng)力。拱墩固結(jié)段有較大的強(qiáng)度、剛度和承載能力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、安全可靠。

4.5 正交異性板組合橋面鋪裝體系

目前已建成公路鋼橋面鋪裝方案多采用瀝青鋪裝。瀝青長(zhǎng)期處于高溫、重載等條件下，鋪裝層容易出現(xiàn)車轍、縱向和橫向裂縫、坑槽等等病害，鋼橋面結(jié)構(gòu)也容易疲勞開裂。

為解決大跨度鋼梁鋼橋面易疲勞開裂和瀝青混凝土鋪裝層易破損的典型病害難題，336 m鋼箱拱橋公路橋面應(yīng)用正交異性鋼橋面板、底層超高性能混凝土和面層改性瀝青的組合橋面鋪裝體系，基于超高性能混凝土良好的力學(xué)性能及耐久性能，將配有鋼筋網(wǎng)的超高性能混凝土通過短剪力釘與鋼橋面板連接，形成組合橋面鋪裝體系，顯著提高鋼橋面板剛度，有效降低了鋼橋面的應(yīng)力和疲勞開裂風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)大幅延長(zhǎng)鋪裝使用壽命，節(jié)省投資和維養(yǎng)工作量。

4.6 抗風(fēng)性能研究

大橋跨度大，橋墩高，橋梁的抗風(fēng)問題較為關(guān)鍵。為了提高橋梁的抗風(fēng)性能，336 m鋼箱拱橋主梁采用了氣動(dòng)性能較好的封閉式箱梁斷面，極大地提高了其抗風(fēng)穩(wěn)定性。同時(shí)為了改善鐵路橋面剛性吊桿的渦振性能，設(shè)計(jì)中剛性吊桿采用八邊形截面，同時(shí)在吊桿內(nèi)安裝了可抑制順橋向和橫橋向振動(dòng)的減振器。對(duì)大橋進(jìn)行了風(fēng)洞模型試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D6。主要研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析、靜力節(jié)段、動(dòng)力節(jié)段模型試驗(yàn)、成橋狀態(tài)及施工階段氣彈模型試驗(yàn)、吊桿風(fēng)致振動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)、主墩處風(fēng)場(chǎng)繞流特性分析等。

圖6 風(fēng)洞模型試驗(yàn)

試驗(yàn)風(fēng)速達(dá)90 m/s時(shí)未發(fā)生顫振穩(wěn)定性問題，該風(fēng)速已大于成橋狀態(tài)顫振檢驗(yàn)風(fēng)速49.2 m/s，其顫振穩(wěn)定性滿足要求；成橋狀態(tài)在低于設(shè)計(jì)風(fēng)速30.1 m/s之內(nèi)沒有明顯的渦激振動(dòng)發(fā)生，滿足舒適度的要求。

成橋狀態(tài)在設(shè)計(jì)風(fēng)速下跨中截面的風(fēng)致抖振響應(yīng)位移見表1。

表1 成橋狀態(tài)跨中截面的風(fēng)致位移均方根相應(yīng)值

從表1可見，在成橋設(shè)計(jì)風(fēng)速下，跨中截面的豎向位移、橫向位移和扭轉(zhuǎn)角均較小，滿足規(guī)范要求。

4.7 風(fēng)-車-橋耦合動(dòng)力研究

為了保障橋梁的動(dòng)力性能和列車通過橋梁時(shí)的安全性和舒適性，對(duì)大橋進(jìn)行了風(fēng)-車-橋耦合動(dòng)力分析。選用CRH3動(dòng)車組列車，列車以200～300 km/h五種速度，風(fēng)速25 m/s工況下通過大橋時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)見表2和表3。

表2 不同運(yùn)行速度下動(dòng)車的響應(yīng)

表3 不同運(yùn)行速度下橋梁的響應(yīng)

從表2和表3可看出， CRH3動(dòng)車組列車以速度200～300 km/h通過橋梁時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的橫向撓跨比、豎向撓跨比、橫向加速度及豎向加速度、動(dòng)力系數(shù)等均滿足要求。動(dòng)車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪對(duì)橫向力、橫向及豎向加速度均滿足要求，橫向、豎向舒適度指標(biāo)均達(dá)到優(yōu)秀水平，滿足行車的安全性和舒適性要求。

5 結(jié)語

成貴鐵路宜賓金沙江公鐵兩用橋根據(jù)兩岸獨(dú)特的地形地貌特征，創(chuàng)新地將高速鐵路布置在上層，公路布置在下層，且兩層橋面高差32 m，解決了公鐵合建、兩岸地形高差大、高速、重載、大跨、高墩等技術(shù)難題；采用公路柔性吊索內(nèi)穿于鐵路剛性吊桿并獨(dú)立錨固于拱肋的新技術(shù)，解決了雙層橋面吊桿布置和錨固技術(shù)難題；采用水平鋼箱連桿連接拱肋與鐵路橋面新技術(shù)，改善了由活載、溫度帶來的短吊桿疲勞性能，同時(shí)施工方便；采用正交異性板、底層超高性能混凝土和面層改性瀝青的組合橋面鋪裝體系，降低了鋼橋面的應(yīng)力和疲勞開裂風(fēng)險(xiǎn)。大橋于2013年12月開工建設(shè)，2019年6月通車運(yùn)營(yíng)，具有跨越能力強(qiáng)、公鐵橋面分離、整體剛度大等優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了艱險(xiǎn)山區(qū)公鐵兩用拱橋的設(shè)計(jì)難題，該橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)可為今后類似橋梁的建設(shè)提供參考。