成達萬高速鐵路渠江特大橋主橋橋式方案研究

尹春燕，彭嵐平，張夫健

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 工程概述

新建成達萬高速鐵路是京蓉高速鐵路的一部分，是中國高速鐵路網(wǎng)“八縱八橫”中“沿江通道”的重要組成，是四川東向出川的重要大通道。線路在達州市渠縣李馥鄉(xiāng)、河東鄉(xiāng)跨越渠江，跨越處位于南陽灘電站下游，河道順直，兩側河堤坡度較平緩，堤外為農(nóng)田、村落，地勢較緩；橋位所在兩岸防護對象均為農(nóng)田，不屬于鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍，橋區(qū)河段現(xiàn)狀無堤防和護岸工程規(guī)劃；橋址平面如圖1所示。

圖1 橋址平面

1.1 氣象、水文情況

橋址區(qū)屬亞熱帶濕潤季風氣候，冬季寒冷，夏季酷熱，四季分明，雨量充沛，終年濕潤。橋址區(qū)年平均氣溫17.4 ℃，最冷月和最熱月平均氣溫6.6 ℃和27.4 ℃，極端最低和極端最高氣溫-3.3 ℃和42.7 ℃。年平均相對濕度80%，年平均風速1.3 m/s，最大風速17.9 m/s。

橋位以上匯水面積31 745 km2，三百年一遇洪峰流量33 500 m3/s，H300=258.71 m；百年一遇洪峰流量29 900 m3/s，H100=256.75 m；2020年3月期間水位高程234.65 m，受汛期影響水位高差變化很大。

1.2 通航情況

根據(jù)《廣安港總體規(guī)劃》、渠江規(guī)劃的船型及營運組織及貨物吞吐量預測，規(guī)劃渠江航道建設標準按Ⅲ-(3)級建設，其航道尺寸為2.4 m×60 m×480 m(水深×寬度×彎曲半徑)。最高通航水位采用十年一遇洪水位253.93 m，最低通航水位242.60 m，通航凈高和通航凈寬分別為10 m和210 m。

1.3 地質情況

橋址區(qū)位于川中丘陵區(qū)，地勢起伏不大，多為農(nóng)田、旱地，房屋較為密集，場地區(qū)地層結構較為簡單。橋位上覆第四系覆蓋層主要為全新統(tǒng)人工堆積層素填土，殘坡積粉質黏土及沖洪積粉質黏土、淤泥質粉質黏土；下伏侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組砂巖、泥質砂巖、砂質泥巖，全風化～弱風化，σ0=120～500 kPa。

地震效應：地震動峰值加速度為0.067g，地震動反應譜特征周期為0.35 s。

1.4 防洪及通航結論

渠江流域目前現(xiàn)有防洪規(guī)劃為《四川省渠江流域防洪規(guī)劃》，擬建橋梁位于達州市渠縣境內，左岸為河東鄉(xiāng)箱石村，右岸為李馥鄉(xiāng)涼風村，橋梁所在左右岸均防護對象均為農(nóng)田，不屬于鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍內，橋區(qū)河段現(xiàn)狀無堤防和護岸工程規(guī)劃。因此橋梁建設對防洪規(guī)劃無影響。

擬建渠江特大橋跨主河槽跨徑為248 m，滿足通航寬度210 m要求。橋梁最高通航水位采用10年一遇，對應最高通航水位253.93 m，通航凈空高度10 m，通航要求最低梁底高程為263.93 m，橋梁跨渠江處最低橋梁底設計高程為283.23 m，比通航要求最低梁底高程為19.3 m，橋梁設計滿足通航要求。橋梁建設對航道規(guī)劃無影響。

陳家溝所在區(qū)域為鄉(xiāng)村，無防洪、水利水電、采砂等規(guī)劃，橋梁建設不存在對規(guī)劃的影響。

2 主要技術標準

成達萬鐵路為高速鐵路，設計最高列車運行速度350 km/h，雙線線路，直線，縱坡-6.5‰，線間距為5.0 m，軌道采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，橋上不設人行道檢查車。

3 主橋結構形式選擇

3.1 橋型選擇原則

橋型選擇需滿足安全、先進、耐久性好、經(jīng)濟合理的要求，且應符合景觀和環(huán)保的要求進行設計，并考慮因地制宜、便于施工和養(yǎng)護維修等因素[1]。

3.2 主橋橋式方案比選

本橋主跨跨度248 m，列車最高時速為350 km，針對列車活載荷載大、對橋梁結構豎向剛度和橫向剛度要求高的特點，主橋橋式方案設計除滿足通航需求外，還應符合列車高速行駛對橋梁剛度的要求；參照已建成的高速鐵路大跨橋梁工程，可供選擇的橋式方案有連續(xù)剛構部分斜拉橋、鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋、連續(xù)剛構拱橋[2-11]。

3.2.1 連續(xù)剛構部分斜拉橋方案

部分斜拉橋方案為雙塔雙索面預應力混凝土主梁斜拉橋，主橋全長505.6 m，計算跨徑為(128+248+128) m，采用墩-塔-梁固結體系，如圖2所示。主梁采用直腹板單箱雙室截面，中支點和中跨跨中梁高分別為13.5 m和6.5 m，梁體下緣采用二次拋物線變化，箱梁橋面寬15.0 m，箱寬12.6 m；全橋在邊支點、中支點處共設置4道橫隔板。主梁采用懸臂澆筑施工。

圖2 連續(xù)剛構部分斜拉橋立面布置(單位：m)

橋塔采用H形索塔，橋面以上塔高39 m，高跨比1/6.3，橋塔采用鋼筋混凝土結構，為矩形實心截面，塔頂縱橫向尺寸為6.0 m和2.5 m，塔底縱橫向尺寸8.0 m和2.5 m；橋塔在橋面以上約20 m處設1道橫撐。

斜拉索橫橋向為雙索面布置，立面為扇形布置，每個橋塔對稱設置10對斜拉索，塔上索距為1.2 m，梁上索距為8.0 m，中間無索區(qū)長30 m，斜拉索采用抗拉強度標準值1860 MPa高強鋼絞線拉索，設雙層HDPE護套，拉索規(guī)格為(55-61-73)-7φ5 mm。斜拉索在橋塔處設分絲管索鞍，索鞍設單側抗滑錨固裝置；斜拉索在梁端設齒塊錨固，并在梁端進行張拉。

兩個主墩墩高分別為52 m和48 m，主墩采用空心箱形截面；主墩基礎采用24根φ2.5 m的鉆孔摩擦樁。

主梁中跨最大豎向撓度為121.9 mm，撓跨比為1/2 034，梁端轉角0.87‰，最大徐變變形為20.1 mm(下?lián)?，各項指標均滿足高速鐵路鋪設無砟軌道的要求。部分斜拉橋方案在國內外同類型鐵路橋梁的成功應用多，設計和施工技術均比較成熟，結構風險小。

3.2.2 鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋方案

部分斜拉橋為斜拉加勁組合橋，主梁剛度大，動力性能好。我國高鐵部分斜拉橋，一般采用預應力混凝土主梁。隨著橋梁跨度的增加，主梁梁高等比例加高，主梁恒載所占比重隨之加大，結構承載力用于負擔活載的比例相對減少，承載力利用系數(shù)減小，對抗震設計和景觀設計帶來挑戰(zhàn)，對材料和能源都是極大的浪費[3]；另外混凝土主梁一般采用現(xiàn)澆施工，養(yǎng)護時間長，影響橋梁的整體施工進度，而大跨橋梁往往是全線控制工程和運梁通道，從而拖延了整體工期，制約了部分斜拉橋的進一步發(fā)展。為解決上述困難，提出一種主梁高度低、梁體自重輕、施工速度快，且景觀性和環(huán)保性能好的鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋[12-14]。

鋼管混凝土桁架組合主梁斜拉橋方案為雙塔雙索面布置，主橋全長569.4 m，計算跨徑為(48+112+248+112+48) m，為墩-塔-梁固結體系，如圖3所示。主梁主跨和輔助跨采用等高鋼管混凝土桁架組合主梁，桁架高7.1 m，橋面板厚0.4 m，梁全高7.5 m，高跨比為1/33.1；橋面寬為15.0 m，主桁采用無豎桿三角桁，節(jié)間長8.0 m，上、下弦主桁中心距分別為12.92 m和7.0 m。上弦桿采用箱形截面，高約1 300 mm，腹板內寬為800 mm；下弦桿采用鋼管混凝土圓形截面，直徑1 500 mm；斜腹桿采用H形截面，高800 mm，翼緣寬450～600 mm。主桁采用整體式節(jié)點，上、下弦桿在節(jié)點外拼接，斜腹桿采用插入式與整體節(jié)點拼接；鋼管混凝土桁架組合主梁橫截面如圖4所示。主梁邊跨為等高度預應力混凝土單箱雙室箱梁，梁高為6.0 m，頂板寬15.0 m，底板寬10.168 m。

圖3 鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋立面布置(單位：m)

圖4 鋼管混凝土桁架組合主梁橫截面布置(單位：m)

橋塔采用H形索塔，橋面以上塔高55 m，高跨比1/4.5，橋塔采用鋼筋混凝土結構，為矩形實心截面，橫橋向寬為2.6 m，順橋向塔頂和塔底寬為6 m和7 m，塔柱橫向設橫梁，以提高索塔橫向穩(wěn)定性。

斜拉索橫橋向為雙索面布置，立面為扇形布置，每個橋塔對稱設置10對斜拉索，塔上索距為1.2 m，梁上索距為8.0 m，中間無索區(qū)長16 m，斜拉索采用抗拉強度標準值1 860 MPa高強鋼絞線拉索，設雙層HDPE護套，拉索規(guī)格為(31-37-43-55)-7φ5 mm。斜拉索在橋塔處設分絲管索鞍，索鞍設單側抗滑錨固裝置；斜拉索在梁端設拉錨箱錨固，并在梁端進行張拉。

兩個主墩墩高為58.0 m和54.0 m，采用空心矩形截面，順橋向長7 m，橫橋向寬分別為17.75 m和15 m。主墩基礎采用19根φ2.5 m鉆孔摩擦樁。

該方案結構新穎，與方案一部分斜拉橋相比，降低了主梁梁高，景觀性好；減輕了主梁自重，抗震性能優(yōu)；同時節(jié)省了基礎數(shù)量和水中施工措施工程量。鋼管混凝土桁架主梁采用大節(jié)段懸拼施工，橋面板采用預制板、現(xiàn)場澆筑濕接縫施工，提高了施工效率。

主梁中跨最大豎向撓度為293.1 mm，撓跨比為1/846，梁端轉角0.21‰，最大徐變變形30.2 mm(下?lián)?，橫向撓跨比1/9 649，各項指標均滿足高速鐵路鋪設無砟軌道的要求。該方案效果圖如圖5所示。

圖5 鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋效果圖

3.2.3 連續(xù)剛構拱橋方案

連續(xù)剛構拱橋方案主橋全長505.6 m，計算跨徑為(128+248+128) m，采用墩-梁固結體系，如圖6所示。主梁采用直腹板單箱雙室截面，中支點和中跨跨中梁高分別為14.5 m和6.5 m，梁體下緣采用二次拋物線變化，箱梁橋面寬15.5 m，箱寬13.3 m；全橋在邊支點、中支點處共設置4道橫隔板。

圖6 連續(xù)剛構拱橋方案立面布置(單位：m)

拱肋計算跨度248 m，設計矢高49. 6m，矢跨比1/5，拱軸線方程采用二次拋物線。拱肋截面為等高啞鈴形，拱肋高4 m。拱肋弦管直徑1.4 m，由32 mm和26 mm厚的鋼板卷制而成，拱肋弦管之間用20 mm厚鋼板連接，拱肋弦管及腹板內用C50無收縮混凝土填充。兩榀拱肋中心距14.5 m，拱肋間設1道“一”字撐，10道“K”撐，其中橫撐采用φ1 500 mm×24 mm空鋼管，斜撐采用φ900 mm×20 mm空鋼管，材料均為Q345qD鋼[15]。

梁部吊桿間距9.0 m，全橋共設25組吊桿，吊桿采用鋼絞線整束擠壓拉索，吊桿拉索型號為GJ15A-22(即22根φ15.2 mm鋼絞線)。

2個主墩墩高為51 m和47 m，主墩采用空心箱形截面；主墩基礎采用25根φ2.5 m鉆孔摩擦樁。

該方案充分發(fā)揮了梁拱的受力性能，因拱的存在，橋梁主跨豎向剛度有較大提高。主梁中跨最大豎向撓度為70.9 mm，撓跨比為1/3 500，梁端轉角0.9‰，最大徐變變形為16.5 mm(下?lián)?，各項指標均滿足高速鐵路鋪設無砟軌道的要求。主梁采用懸臂澆筑法施工，待全橋合龍后，在主梁上搭設支架，拼裝主拱肋；在拼裝拱肋時，需消耗大量鋼材，增加了臨時工程費。

3.3 橋式方案比選

對主橋橋式方案分別從景觀、經(jīng)濟、技術先進性、碳排放以及施工與養(yǎng)護方面綜合比較，比較見表1所示。

表1 各橋式方案綜合比選

經(jīng)綜合比較，方案三投資多，施工工期長，不推薦；其余兩個方案的全壽命周期投資基本相當，但方案二相比方案一具有主梁高度低、梁體自重輕、施工速度快(節(jié)省3個月)，景觀性能和環(huán)保性能好等優(yōu)點，且方案二符合橋梁的工廠化、標準化和智能制造化方向，確定將鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋作為推薦方案。

4 鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋性能分析

4.1 靜力計算

采用Midas Civil 2019軟件建立整體分析模型，主梁、橋塔和承臺離散為梁單元，斜拉索離散為桁架單元，梁單元2 472個，桁架單元104個，節(jié)點1 330個，離散模型如圖7所示。

圖7 鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋Midas有限元模型

主力和主+附工況下，主桁最大應力分別為210.8 MPa和252.8 MPa，均小于Q345qD鋼容許應力252 MPa和304.5 MPa，滿足規(guī)范要求[16-19]。

橋面板按A類構件檢算，主力工況，橋面板全截面受壓，最小壓應力為1.5 MPa；主+附工況，橋面板最大拉應力為0.9 MPa，最大壓應力為20.7 MPa，均小于C60容許應力，滿足規(guī)范要求[16-19]。

斜拉索最大應力845 MPa，安全系數(shù)為2.2，大于容許安全系數(shù)2.0；斜拉索最大應力幅120 MPa，小于容許應力幅140 MPa，均滿足設計要求。

4.2 橋梁動力特性

根據(jù)前述橋梁計算模型，對該橋的自振特性進行計算與分析，前5階的自振頻率及振型主要特點見表2。

表2 橋梁動力特性

4.3 列車走行性分析

建立車橋系統(tǒng)耦合振動模型，模擬CRH3型車分別以設計車速250～350 km/h和檢算車速375～420 km/h通過橋梁，分析結果如下。

(1)當CRH3型車以設計速度和檢算速度通過時，橋梁動力響應、列車橫豎向振動加速度、列車行車安全性能均滿足要求[20]。

(2)當CRH3型車以設計速度和檢算速度通過時，列車乘坐舒適性達到“良好”標準和達到“合格”標準以上[20]。

分析結果表明，本方案滿足列車時速350 km高速行車時橋梁安全和乘坐舒適的要求[21]。

5 結語

渠江特大橋主橋通過3種橋式方案優(yōu)缺點比較，分別從橋梁的景觀效果、經(jīng)濟性、施工難度、技術創(chuàng)新性、碳排放以及后期養(yǎng)護維修等方面進行綜合比較，主跨(48+112+248+112+48) m鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋方案具有景觀好、經(jīng)濟性能優(yōu)、碳排放少及具有技術創(chuàng)新等優(yōu)點，該橋式方案在國內高速鐵路線路中采用較少，在設計和施工上都具有較大挑戰(zhàn)。鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋符合橋梁的工廠化、標準化和智能制造化方向，本橋方案的選取可為高鐵橋梁智造提供一個方向，為同類型橋梁設計提供借鑒。