大西客運專線晉陜黃河特大橋主橋橋式方案比選

康 煒

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，西安 710043)

1 橋址概況

大西客運專線晉陜黃河特大橋位于陜西省與山西省交界處禹門口至潼關段黃河上，東側位于山西永濟市張營鎮小樊村，右岸位于合陽縣黑池鎮北廉村附近，橋址處地形平坦，地勢開闊，河道寬近10 km，河床寬淺，主河槽寬約3.3 km。東西岸位于黃河三級階地上，高差約為50 m。橋梁大部分坐落于黃河一級階地、漫灘及河床區，穿越大片黃河濕地。該河段屬淤積性游蕩型河道，橋位處設計流量Q1%=24 318 m3/s，檢算流量Q0.33%=29 216 m3/s。橋位處年平均氣溫13.7℃，最熱月平均氣溫 26.1℃，最冷月平均氣溫－1.2℃，年平均濕度64%。地層主要以粉細砂為主，地震動峰值加速度值采用0.20g，地震動反應譜特征周期采用0.35 s。

2 橋梁總體設計

2.1 總體設計原則

本橋為控制性重點工程，橋梁規模龐大，在設計過程主要遵循以下原則:

(1)橋式方案必須滿足行洪、防凌、通航及水文、地質條件的要求;

(2)本橋為客運專線橋梁，需具備良好完善的使用功能，同時應充分考慮實施條件、耐久性能、運營維修、工程造價等因素;

(3)本橋為特大型橋梁工程，技術上先進可行，積極穩妥地推進新型橋梁結構，體現當代橋梁建設的技術水平。

(4)在滿足上述功能的基礎上，結合橋位景區特點，重視橋梁景觀設計。

2.2 橋梁跨度的選擇

根據黃河水利委員會確定的主要控制指標要求:主河槽孔跨不小于100 m，灘地孔跨不小于40 m。即主河槽范圍DK704+160～DK707+400，該范圍內橋梁跨度按不小于108 m控制。

2.3 主橋橋式方案的選擇

結合橋位處具體特點，為使結構經濟合理，主河槽范圍內橋式選擇的總體思路為:盡可能采用等跨結構或跨度差異較小的結構，可選用橋型主要有連續梁、連續剛構、鋼桁梁、梁拱組合結構、索梁組合結構以及橋梁自身重量較輕的鋼混組合結構等。若采用一般連續梁或連續剛構，考慮合理配跨要求，勢必造成主跨跨度接近180 m，由于橋址處于高地震區，地震力成為控制設計的主要因素，且工程造價會大幅度增加，已不盡合理。另外橋梁穿越洽川黃河濕地景區，橋梁形式應充分考慮景觀效果，在空曠的河道內，橋梁結構與周圍環境比較相對較小，因此橋梁應突顯輪廓美，主河槽范圍內橋梁宜形成整體規模，考慮合理經濟指標，橋梁跨度無需太大。基于上述分析，主橋橋型選擇了單T剛構加勁鋼桁組合結構、部分斜拉橋、連續梁邊孔加拱組合結構、下承式連續鋼桁梁、空腹連續剛構5種橋型進行比較分析。

2.4 聯長的選擇

橋梁聯長主要受控于地震力及軌道溫度聯長，本線鋪設CRTSⅡ型連續板式無砟軌道，軌道溫度聯長主要受控于軌道應力及底座配筋率。各方案聯長比較見表1。

表1 各方案聯長比較 m

3 橋式方案比較

3.1 方案一:單T剛構加勁鋼桁組合結構

3.1.1 主橋孔跨布置

本方案主橋孔跨布置為15-(2×108 m)(圖1)。

圖1 方案一橋式效果圖

3.1.2 方案構思

根據橋跨布置思路，且盡量避免水中施工膺架，雙孔單T剛構完全符合布孔思路。但由于單T剛構跨度大，要滿足梁端轉角要求，相應梁體斷面、圬工需大幅增加，導致地震力較大。通過鋼桁加勁能較好改善上述影響，同時，由于加勁鋼桁作用，主梁正彎矩得到有效降低，配束較少，從而減小了大跨結構的徐變上拱值。

3.1.3 方案形成過程

(1)加勁鋼桁桁式的選擇

分別對三角形無豎桿桁式與帶豎桿桁式進行了比較分析。根據計算比較結果，2種桁式用鋼量及對梁端轉角貢獻程度基本相當，但由于有豎桿三角形鋼桁形式桿件間夾角小，節點構造處理相對困難，節點板也比無豎桿桁架略大，同時由于節間數、桿件數較多，桿件安裝精度要求高，施工周期會略長，外在形式亦略顯凌亂，故采用無豎桿三角形桁架。

(2)加勁桁長度范圍的選擇

為取得加勁鋼桁對主梁剛度的合理貢獻值，對鋼桁加勁范圍分別按鋼桁長48、56、64 m及全梁加勁進行了比較分析，比較結果見圖2。

圖2 鋼桁加勁長度比較

從圖2可知，加勁范圍從48 m依次增加至64 m時，梁端轉角依次減小10.6%、7.5%，而用鋼量依次增加15.5%、12.6%，當增至整個梁跨范圍內時，相對64 m而言梁端轉角減小1.73%，而用鋼量增加92.5%，綜合考慮加勁范圍采用64 m。

(3)加勁桁桁高的選擇

為取得合理桁高，選取桁高6～10 m針對梁端轉角及鋼桁用鋼量進行比較，比較結果見圖3。

圖3 加勁鋼桁桁高比較

從圖3可知，桁高從6 m依次增加至10 m時，梁端轉角依次減小4.0%、3.2%、1.9%、1.13%，而用鋼量依次增加7.8%、7.2%、6.7%、6.3%，綜合考慮桁高采用9 m。

(4)加勁鋼桁距梁端的距離選擇

在鋼桁形式、加勁范圍及桁高確定的基礎上，就加勁桁距梁端的距離分別按0、4、8 m進行了分析比較，比較結果見圖4。

圖4 加勁桁距梁端距離與梁端轉角關系

從圖4可知，加勁桁距梁端的距離0、4 m，梁端轉角基本一致，當增加至8 m時，梁端轉角增大2.8%，結合構造加勁桁距梁端的距離采用4 m。

(5)加勁桁上弦、端斜桿填充混凝土效應分析比較

根據加勁桁受力特點，上弦桿及端斜桿均為受壓桿件，為此對其桿件內是否填充混凝土進行了分析比較。比較結果顯示，當梁端轉角基本相當時，若不填充混凝土，用鋼量將增加113%，為充分發揮混凝土抗壓性能，降低用鋼量，選用填充混凝土方案。

(6)主梁梁高及施工方案比較

方案1 梁高5～11.5 m，等高梁段長54 m，箱梁掛籃懸臂灌注施工不加設輔助措施;

存在問題:懸拼長度過大，箱梁正負彎矩差達16倍，由于二者彎矩相差太大，箱梁配束難度很大。計算結果表明，1/4跨附近主梁主拉應力達－4.9 MPa，同時截面正應力達20 MPa，造成部分截面受壓區高度超限。針對該問題，為改善箱梁受力狀況，對箱梁施工工序及梁高進行了調整。

方案2 在箱梁懸臂灌注階段，部分梁段澆筑時采用臨時塔架及臨時拉索。

方案3 中支點梁高增至12.5 m，等高梁段縮至40 m，箱梁懸灌階段不采取輔助措施。

計算結果表明，方案2、3均可有效地解決上述問題，方案2施工過程較為復雜，用鋼量較方案3增加8%，故采用方案3。

(7)加勁鋼桁對徐變上拱值的分析

大跨度預應力混凝土結構徐變上拱較為顯著，對加勁鋼桁改善主梁徐變上拱的影響進行了分析，分析結果表明，無加勁鋼桁時主梁徐變上拱值12 mm，設加勁鋼桁時主梁徐變上拱值2.8 mm，加勁鋼桁能有效降低結構的徐變上拱值。

3.2 方案二:部分斜拉橋方案

3.2.1 主橋孔跨布置

主橋孔跨布置為15－(2×108 m)單塔部分斜拉橋(圖5)。

3.2.2 部分斜拉橋在高速鐵路橋梁中應用的可行性

圖5 方案二橋式效果圖

部分斜拉橋自1988年首次提出以來，以其優越的結構性能、較高的跨越能力及良好的經濟指標，近年來在國內外得到迅猛發展。據不完全統計，國外已建成或在建同類橋梁38座，國內14座，跨度已達312 m，但大多屬公路橋梁，鐵路橋梁較少，國外已建成鐵路橋梁為日本屋代南北鐵路橋，國內已建成鐵路橋梁為蕪湖長江大橋。

部分斜拉橋為介于斜拉橋和連續梁之間的過渡性橋梁，集2種橋型的優點于一體，形成一種剛柔相濟的新型結構，顯示出強大的發展潛力。其具有以下的結構特點:(1)主梁的剛度大，以梁為主，索為輔，斜拉索實質上起體外預應力索的作用;(2)橋塔的建筑高度低，拉索的傾角小，拉索為梁提供較大的軸向力;(3)后期換索對行車運營干擾小，可在不中斷行車僅限速的情況下進行;(4)拉索的應力幅小，有效提高了拉索的抗疲勞性能;(5)拉索索力無須調整或調整有限，施工控制的難度小;(6)梁端轉角及活載撓度易于保證。綜上所述，作為近年發展起來的一種新的橋梁形式，部分斜拉橋兼有梁式橋和一般斜拉橋的優點，它較好地解決了制約斜拉式橋梁應用于鐵路橋梁的兩大技術問題:結構的柔性和抗疲勞性能差，只要合理選取索梁承擔荷載的比例，部分斜拉橋完全可以應用于高速鐵路橋梁中。

3.2.3 部分斜拉橋在本橋中應用的合理性

部分斜拉橋挺拔剛勁的主塔、纖細規整的斜索、輕盈的主梁，體現出現代氣息，與古老的黃河文明形成鮮明的對比，并相得益彰，景觀效果明顯。同時由于有效降低了結構自重，結構的抗震性能得到明顯提高。橋梁跨度完全可實現等跨相連的結構，符合布跨思路，避免了水中施工膺架，且主梁徐變上拱值較小。

3.2.4 方案形成過程

(1)單雙索面的選取

單雙索面的選擇主要受橋面寬度的影響，由于鐵路橋梁橋面較窄，已建成橋梁均采用了雙索面形式。單索面布置造成橋面較寬，達15.1 m，箱梁需采用單箱雙室截面，造成箱梁圬工增加，且線間距需改變，線路平面線型局部惡化，另外橋梁感觀整體抗扭剛度較弱，故本次設計采用雙索面形式。

(2)橋塔塔高、塔形的選取

部分斜拉橋塔高較低，一般為橋跨的1/6～1/12，結合構造、景觀等綜合因素，通過對比計算采用1/7～1/8，橋塔有效高度(橋面以上)取21.5 m。

塔形的選擇多姿多樣，受主觀因素影響較多，主要有H形、鉆石形、Y形?！癏”形橋塔造型簡潔，應用范圍比較廣泛，鉆石形橋塔在斜拉橋中應用較多，由于部分斜拉橋橋塔較低，綜合3種塔形的特點，選用介于“H”形與“Y”形之間，向下內收的橋塔造型。

(3)箱梁有索區、無索區長度的選取

無索區長度對部分斜拉橋至關重要，主梁無索區的長度決定了主梁的梁高。無索區的長度過大，會引起主梁剛度不足，控制主梁的設計，造成斜拉索應力幅等各項指標的上升，從而不得不提高主梁的梁高，這對全橋的經濟指標是十分不利的。通過對梁端轉角、箱梁活載撓度、箱梁彎矩分別對不同的無索區長度進行對比分析，分析結果見表2。

表2 部分斜拉橋方案無索區長度比較

分析結果表明，無索區長度對梁端轉角及活載撓度影響較小，說明所選主梁剛度足夠強大，但不同無索區長度對主梁的設計彎矩影響較大，結合景觀效果、斜拉索用量，考慮主梁合理受力狀況，采用L1=L2=22 m。

(4)斜拉索間距、索對數的選取

斜拉索間距的選取主要影響因素為主梁施工梁段長度、無索區長度及景觀等，根據上述對主梁無索區長度的分析，參照已建橋梁索間距，結合本橋主梁施工梁段長度，索間距取8.0 m。

斜拉索對數結合主梁無索區長度的布置，分別對8、9、10對索，針對斜拉索分擔橋梁豎向荷載的的比例進行了對比分析，結果見表3。

表3 部分斜拉橋方案斜拉索對數比較

分析結果表明，斜拉索承擔活載比例均較小，相應斜拉索應力幅亦較小，綜合考慮在控制斜拉索應力幅的情況下，為使主梁計算配束合理，采用9對索方案。

(5)結構體系比較(表4)

部分斜拉橋是一個由索、塔、梁、墩4種基本構件組成的組合結構，根據其不同的組合方式，可以組成飄浮(半飄浮)、塔墩固結箱梁支承、塔梁固結和全固結4種體系。由于高速鐵路橋梁對行車的安全性、平穩性及乘車的舒適性要求高，橋梁需要具有較大抗彎、抗扭剛度，故不考慮飄浮體系，主要對其他3種結構體系進行對比分析。(1)塔墩固結，箱梁支承體系;(2)塔梁固結體系、塔墩分離體系;(3)剛構體系:即塔墩梁固結。

表4 部分斜拉橋方案結構體系比較

根據分析結果可知，體系一、二梁端轉角不滿足要求，需加大主梁高度，故采用體系三。

3.3 方案三:連續梁邊孔加拱方案

3.3.1 主橋孔跨布置

主橋橋跨布置為:7－(4×108 m)連續梁邊孔加拱組合結構(圖6)。

圖6 方案三橋式效果圖

3.3.2 方案構思及形成

連續梁邊跨加設加勁拱使橋梁可達到等跨布置效果，4孔一聯較3孔一聯橋梁景觀效果更為協調與流暢，減小了臨時墩及現澆支架等臨時工程量。

(1)加勁拱拱軸線的選用

加勁拱承擔荷載主要為二期恒載和活載，對于拱肋來說，承擔的荷載較小且比較均勻，對于該種情況，拱軸線常選用二次拋物線和拱軸線系數m較小的懸鏈線。經對比分析，2種拱軸線與壓力線的偏差均較小，引起拱肋彎矩差值亦較小，本次設計采用線型較為簡單的二次拋物線。

(2)加勁拱矢跨比的選用

已建成的拱橋，矢跨比一般在1/4～1/6。對于108 m跨而言，當矢跨比采用1/6時，矢高為18 m，結構高度較低，拱較坦，造成拱腳水平推力較大，對主梁影響亦較大。該比值的矢跨比較少采用，故對矢跨比按1/4和1/5進行了比較計算，比較結果見表5。

比較結果顯示，矢跨比1/4較1/5的拱肋最大軸力、彎矩、推力分別減少2.6%、15.7%、10.3%，而吊桿長度、拱肋長度分別增加23%、4.5%。從景觀效果來看，矢跨比1/4時，線形接近圓形，結合橋梁整體效果來看，線形不夠流暢，矢跨比1/5時，曲線流暢，整體曲線起伏均勻，故矢跨比采用1/5。

表5 拱肋矢跨比比較

(3)拱肋形式及結構參數的選用

鋼管混凝土拱截面形式主要有:單管、雙管啞鈴形，多管桁架式等。單管截面加工簡單，抗扭性能好，但抗彎效率低，一般應用于跨徑不大的拱橋中。桁架式截面能夠采用較小的鋼管直徑取得較大的縱橫向抗彎剛度，在跨徑較大的橋梁中應用較廣，但其截面成型工藝復雜，橫向寬度較大，橋面較寬，在跨度100 m左右的拱橋中較少采用。啞鈴形截面較單管截面抗彎剛度大，較桁架式截面施工簡單，相對而言，其受力明確，制造工藝簡單，是較合適的截面形式，故采用啞鈴形截面。

拱肋鋼管直徑D與跨徑L比值一般為1/60～1/150，高度H與跨度L比值一般為1/30～1/60，拱肋鋼管直徑D與高度H比值為1/2.11～1/2.67，以1/2.5居多，結合計算，鋼管直徑選用 1.0 m，拱肋高度2.5 m。

(4)結構體系的比選

本橋橋高接近40 m，針對本橋特點，本次設計對剛構與連續體系進行了分析對比。根據比較結果，剛構體系主梁、橋墩受力較為復雜，設計較為困難;對于連續體系，雖然本方案聯長較長，但橋高較高，連續結構可以實現，且主梁受力較為合理，配束較為均勻，故采用連續體系。

3.4 雙孔連續鋼桁梁

3.4.1 主橋孔跨布置

主橋采用15－(2×108)m連續鋼桁梁(圖7)。

圖7 方案四橋式效果圖

3.4.2 方案形成

(1)結構體系的選用

對于鋼桁結構來講，以等跨結構跨越其經濟性能最優。為此分別對108 m簡支鋼桁梁、108 m簡支鋼桁拱、2×108 m連續鋼桁梁進行設計比選。見表6。

根據比較結果，結合施工工藝，采用2×108 m連續鋼桁梁方案。

表6 鋼桁梁方案結構體系比較

(2)桁式、桁高的選取

通過對三角形無豎桿桁架與帶豎桿桁架進行比較，無豎桿的三角形桁架，可減少桿件數量，外觀簡潔，節點板構造相對簡潔、構造尺寸也可適當減小，節省鋼料，節點板高度相對較小，施工相對簡單，周期短，采用無豎桿三角形桁架。

連續鋼桁梁的桁高一般在1/8～1/12跨度間，國內修建的鐵路108 m連續鋼桁梁桁高一般在13.6 m左右，但考慮到高速鐵路無砟軌道對主梁的剛度要求較高，桁高也應相應增高，故對加勁梁桁高在14～16 m間進行了設計比選。根據比較結果，當桁高16 m時用鋼量最省，但考慮其與15 m桁高的用鋼量相差約2%，但由于桁高增加，導致腹桿夾角變小，施工困難，綜合考慮桁高采用15 m。

(3)橋面結構形式的選取

鋼混結合橋面結構可有效降低行車噪聲，減少環境污染，能夠避免軌枕與縱梁連接處易銹蝕的缺點。正交異性板結合橋面結構橋面板直接參與主結構受力，可提高橋梁的縱橫向剛度，同時其上鋪設的混凝土板利用剪力釘與橋面板結合，橋面豎向荷載一部分通過混凝土板直接傳遞到橫梁、橫肋，也可達到提高結構剛度的作用，但鋼橋面板的制作和安裝困難，用鋼量較大?？v橫梁結合橋面因混凝土橋面沿縱向一定間隔設置橫向斷縫，混凝土橋面板僅起到傳遞橋面豎向荷載的作用，不考慮其參與體系受力，對剛度沒有貢獻，橋面系需設置下平聯及制動聯結系，該類橋面系形式不具備結合梁的優點。密布橫梁結合橋面的優點是橫梁及混凝土橋面板提供了較大的橫向剛度，橋面系不需設置下平縱聯，結構簡單，鋼桁梁制作和架設施工方便，用鋼量較少，但混凝土板承受較大的拉力、易開裂?？紤]到無砟軌道對橋梁剛度的更高要求，采用剛度較好的正交異性板結合橋面。

3.5 空腹剛構方案

3.5.1 主橋孔跨布置

主橋采用8－(108+156+108)m空腹剛構(圖8)。

3.5.2 方案構思

上述方案主橋范圍內均采用等跨布置，本方案采用不等跨布置。綜合考慮地震力及軌道溫度聯長，增大了邊跨與中跨比值，縮短了整體聯長，為進一步減小地震力影響，主跨采用156 m。

圖8 方案五橋式效果圖

3.5.3 結構特點

空腹式剛構即通過鋼腹桿、混凝土頂底板結構將鋼材與混凝土有機結合為一體，具有以下主要特點:

(1)由于腹板采用鋼腹桿，其結構自重可減少20% ～30%，明顯減小結構的地震反應，提高結構在地震作用下的動力性能，進而降低下部結構的工程造價;

(2)在有效降低箱梁圬工的情況下，該結構可有效提高結構的剛度，對提高列車運行的安全性和舒適度十分有利，從而對高速鐵路的行車更加有利;

(3)在剪力較大的支點截面和梁端截面采用普通預應力混凝土箱梁，充分發揮混凝土箱梁抗剪能力強的優勢;而在剪力相對較小的中部斷面則采用空腹式箱梁，以減輕梁體的重量，從而減小結構內力，使整個結構的內力狀態趨于合理。經分析采用空腹式箱梁連續剛構方案后，支點彎矩可下降30%左右。

4 各方案綜合比較(表7)

表7 各橋式方案綜合比較

5 結論

通過上述詳細比較，本橋主橋橋式方案采用方案一。

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