南京大勝關長江大橋主橋主要設計參數分析研究

查京屏,梅大鵬

(中鐵大橋勘測設計院有限公司,武漢 430050)

1 概述

南京大勝關長江大橋是京滬高速鐵路、滬漢蓉鐵路和南京地鐵跨越長江的通道,正橋為雙線高速正線、雙線Ⅰ級干線鐵路橋梁,應南京市規劃部門的要求同時搭載雙線地鐵。主橋采用(108+192+336+336+192+108)m 6跨連續鋼桁拱橋,橫橋向為3片主桁構造,桁間距2×15.0 m,橋面為正交異性板整體鋼橋面。南京地鐵外掛于橫梁懸臂上,分列于主桁兩側。橋式布置見圖1。

圖1 南京大勝關長江大橋主橋橋式布置(單位：m)

本橋的技術特點為跨度大、荷載重、桿件軸力大、設計行車速度高、技術復雜,其建設規模和設計荷載在世界高速鐵路史上都是前所未有的,而現有的鐵路規范以及高速鐵路規范對于本橋的一些技術標準未有詳細的規定,因此,根據有關標準合理確定本橋設計參數是完成本橋設計的基礎。本文簡要介紹本橋設計行車速度目標值、活載折減系數、鋼桁拱矢跨比3個主要設計參數的分析論證情況。

2 設計行車速度目標值

設計行車速度是南京大勝關長江大橋一個重要的技術標準,直接關系到大橋建成后能否滿足列車高速和安全運行的要求。由于本橋的跨度、設計荷載和建設規模在世界高速鐵路史上都是絕無僅有的,因此,對于本橋的行車速度目標值必須采取審慎的研究態度。

《京滬高速鐵路設計暫行規定》中規定：京滬高速鐵路設計速度為高速列車300 km/h、中速列車160 km/h及以上。線路平、縱斷面及基礎設施的設計標準應滿足最高行車速度350 km/h的要求[1]。作為京滬高速鐵路的組成部分,本橋能否達到總體設計要求的行車速度目標值,這是設計必須明確的一個重要參數。

分析研究首先收集國內外高速鐵路橋梁的工程實例,與之進行分析對比,對本橋的高速行車性能進行總體上判別；然后從結構靜、動力性能及線路條件2個方面計算可以達到的速度目標值,并對不同速度目標值的經濟性進行分析。

2.1 國外高速鐵路橋梁工程實例

與國外已建成通車的高速鐵路大跨橋梁(表1)進行對比,可以看出世界各國高速鐵路橋梁由于橋式不同、跨度不同,其設計行車速度也不盡相同。

2.2 結構性能所能滿足的速度目標值

在靜力性能方面,活載按四線鐵路加兩線輕軌折減后加載,計算分析表明：在滿足橋梁結構強度的前提下,主跨跨中活載撓跨比1/2 316、邊跨撓跨比1/1 190、端跨撓跨比1/1 622,梁端豎向轉角1.9‰、水平轉角0.16‰,各項剛度指標均能滿足《新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定》的要求[3]。

由于我國高速鐵路設計規范中規定的橋梁梁部剛度的限值僅適用于跨度小于96 m的混凝土結構[4],因此針對南京大勝關長江大橋還進行了車橋動力仿真分析,以判別橋梁結構能否滿足高速行車要求。車橋動力仿真分析結果(表2)表明：高速列車以350 km/h通過本橋時,安全性、舒適性指標均能滿足《新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定》的要求[3]。

表1 高速鐵路大跨度橋梁一覽[2]

表2 車橋動力仿真分析評價結果[5]

2.3 線路運營條件所確定的速度目標值

由于本橋離南京南站較近,且離南大堤2.69 km處還有1處半徑5500 m曲線。根據高速列車運行工況及V-S曲線的分析結果(表3)可知,在遠期不考慮曲線限速的情況下,高速列車通過大橋最高運行速度可達到343 km/h,基本接近設計行車速度目標值,而大多數情況下達不到設計行車速度目標值[6]。

表3 通過大橋最高速度分析結果 km/h

根據以上分析,雖然本橋的靜、動力性能經計算研究都能滿足規范要求,但理論計算能否完全正確地反映實際運營情況還有待實踐的檢驗。且國外高速鐵路橋梁列車最高時速均是在一定運營時間基礎上初步達到,所以在工程判斷上采取審慎的態度應該是需要的。考慮到目前國外尚無跨度超過300 m的橋梁達到300 km/h及以上運營速度的情況,故將本橋設計行車速度目標值暫定為300 km/h。建議大橋建成通車后,通過一段時間的試運營并結合科研、測試結果逐步提高行車速度,直至達到最高值350 km/h。

3 活載折減系數

本橋設計活載為兩線ZK活載、兩線中-活載和兩線輕軌活載。關于多線鐵路橋梁的活載折減問題,《鐵路橋涵設計基本規范》中規定：同時承受多線列車活載的橋跨結構和墩臺,其列車豎向活載對主要桿件雙線應為兩線列車活載總和的90%,三線及三線以上應為各線列車活載總和的80%；對承受局部活載的桿件,則均應為該活載的100%；各線均假定采用同樣情況的最不利列車活載[7]?！缎陆〞r速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定》中規定：對于多于兩線的橋梁結構,應按下列最不利情況考慮：(1)按兩條線路在最不利位置承受ZK活載,其余線路不承受列車活載；(2)所在線路在最不利位置承受75%的ZK活載[3]。顯然,以上2個規范對四線鐵路活載折減系數的規定是不一樣的。

多線橋梁活載折減系數理論上是根據列車出現的概率,經過數理統計分析確定的,而且既要考慮橋梁在設計壽命期內機車車輛荷載的發展,又要考慮橋梁設計的經濟性。京滬高速鐵路將運行350 km/h動力分散式高速列車和跨線的200 km/h動車組,滬漢蓉線為客貨混運線路。

為了研究設計活載折減對橋梁結構內力及經濟的影響,按恒載、設計活載(四線鐵路活載折減系數分別取0.7、0.75、0.8,輕軌活載不折減)、實際運營荷載組成4種荷載組合形式,分別對6跨連續鋼桁拱橋支點反力、桿件內力及結構變形進行了計算,并作了初步的用鋼量分析比較。

計算結果表明：由于本橋恒載在整個荷載組合中占的比重很大,活載折減系數對計算結果的影響很小。桿件內力基本相當,故用鋼量的差別也很小。基于安全的角度考慮,本橋活載折減系數定為：β=0.75(四線鐵路)，β=1.0(兩線輕軌)。

4 鋼桁拱矢跨比

連續鋼桁拱橋的矢高對結構受力合理性、吊桿長度和豎、橫向剛度等均存在較大影響。本橋由于設計荷載重、行車速度高、桿件規模大,必須兼顧結構的受力合理性與高速鐵路行車性能所要求的豎、橫向剛度,合理確定拱橋的矢跨比。為此,本橋的矢跨比分別按1/3、1/4、1/5、1/6四種方案計算主橋在設計荷載下的結構內力、撓度及用鋼量(表4)。

表4 結構采用不同矢跨比計算結果比較

計算表明,在結構性能方面,隨著矢跨比及矢高增大,拱圈拱腳處壓桿的受力減小,豎向剛度及梁端轉角進一步改善,但拱肋部分桿件長度加大,橫向剛度逐步減弱。

(1)矢跨比為1/3的主桁結構拱肋桿件最大軸力最小,截面最小,豎向剛度最大,但矢高增加后拱圈及吊桿桿件長度加大,用鋼量與矢跨比1/4主桁結構基本持平。矢高加大,導致拱腳高程下降近10 m,對通航帶來一定影響。且由于拱圈高度加大,吊桿件長度加大,吊桿的風致振動問題會更加明顯,過長吊桿的施工也有一定難度。

(2)矢跨比為1/5、1/6的主桁結構拱圈軸力加大,最大軸力均超過100 000 kN,豎向剛度降低,截面規模加大,設計、制造、安裝均有難度,用鋼量明顯增加。

(3)綜合考慮設計、制造、施工難度,剛度及行車條件以及用鋼量,認為矢跨比取用1/4是合理的。

5 結語

南京大勝關長江大橋既是京滬高速鐵路的一個控制工程,亦是世界上行車時速超過300 km的最大跨度的鐵路橋梁。無論是在橋梁工程技術還是在高速鐵路技術方面,本橋均具有一定的挑戰性。因此,結合本橋工程的特點和難點,開展主要設計參數的分析論證,既可保證大橋工程設計的順利完成,也可為我國鐵路橋梁技術創新奠定堅實的基礎。

[1] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2003]13號 京滬高速鐵路設計暫行規定[S].北京：中國鐵道出版社,2003.

[2] 錢立新.世界高速鐵路技術[M].北京：中國鐵道出版社,2003.

[3] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2007]47號 新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定[S].北京：中國鐵道出版社,2007.

[4] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2009]209號 高速鐵路設計規范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社,2010.

[5] 李小珍,強士中.京滬高速鐵路橋梁動力特性仿真分析報告[R]. 成都：西南交通大學,2004.

[6] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.京滬高速鐵路南京大勝關長江大橋速度目標值論證材料[Z].武漢：鐵道第四勘察設計院,2004.

[7] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2005]108號 鐵路橋涵設計基本規范[S].北京：中國鐵道出版社,2005.