新井口嘉陵江大橋四線鐵路連續剛構設計關鍵技術

童登國，劉曉琴

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

新井口嘉陵江大橋四線鐵路連續剛構設計關鍵技術

童登國，劉曉琴

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

以蘭渝鐵路重點控制性工程新井口嘉陵江大橋84m+152m+76m四線鐵路預應力混凝土連續剛構橋為工程背景，從線路方案及橋位控制條件、橋跨布置方案、橋面布置型式及結構型式、多線橋梁車橋動力性能等方面進行了研究，提出了主橋四線并行、墩身上段及梁體分修、墩身下段及基礎合修的新型結構型式及設計關鍵技術，可為同類型橋梁建造提供思路及參考。

鐵路橋；四線；連續剛構；動力性能；新井口嘉陵江大橋

0 引言

隨著我國鐵路建設事業的飛速發展，大跨度超高墩連續剛構橋不斷涌現。當前國內外的鐵路單線及雙線預應力混凝土連續剛構橋技術已經十分成熟。隨著橋梁比例在鐵路線路中不斷提高，三線以上的橋梁的數量也逐漸增加，但已建成的三線以上的大跨度連續剛構橋不多。目前，對于鐵路多線大跨高墩剛構橋施工階段及運營階段空間靜力行為、車橋耦合振動性能、橋墩的合理型式以及寬幅箱梁的力學性能等問題的研究還遠不夠，不能滿足鐵路橋梁設計的發展需求，嚴重地影響了其在鐵路橋梁中應用和推廣[1-5]。

為了保證結構施工和運營階段的安全性與經濟性，開展鐵路多線、高墩、大跨預應力混凝土連續剛構橋設計關鍵技術研究是十分必要的。

1 工程概況

新建蘭渝鐵路重點控制性工程新井口嘉陵江大橋位于重慶市沙坪壩區嘉陵江井口河段，在已建渝懷鐵路井口嘉陵江大橋下游45 m處過江。蘭渝鐵路與渝利貨車外繞線共用橋位，四線一次建成。

蘭渝鐵路為客車雙線，設計速度為200 km/h，雙線線間距4.6 m。渝利貨車外繞線為貨車雙線，設計速度為120 km/h，雙線線間距4.0 m。蘭渝鐵路與渝利貨車外繞線線間距5.3 m。

主橋設計活載為四線“中-活載”，采用跨區間無縫線路。為減小梁軌相互作用對軌道結構的影響，在全橋范圍內布設小阻力扣件。

大橋主橋四線并行段采用：（64 m+64 m）混凝土連續T構+（84 m+152 m+76 m）混凝土連續剛構+（64 m+64 m）混凝土連續T構。

大橋主橋84 m+152 m+76 m混凝土連續剛構是世界第一座墩身下段及基礎合修，墩身上段及梁部分修，四線并行的大跨度預應力混凝土連續剛構橋，其成橋實景見圖1。

圖1 蘭渝鐵路新井口嘉陵江四線大橋實景照片（合龍）

2 設計主要控制因素

2.1 線路條件及橋位方案

本橋為重慶北站往蘭州方向出站后的第一座大型橋梁，距離重慶北站僅8 km，被稱為“千里蘭渝第一橋”。受重慶北站站位及鐵路沿線城市建設影響，蘭渝鐵路線路走向受限于既有渝懷鐵路兩側的狹長走廊內。因此，本橋臨近區段線路條件及橋位方案受控因素較多。

2.2 橋跨布置方案

橋區河段河勢總體穩定，地質條件較好，因而影響主跨跨度的主要因素是通航及行洪的影響。考慮到既有橋梁為主跨144 m，因此本橋的跨度也應與之匹配。

主橋孔跨布置確定從以下幾個方面考慮：（1）主橋的孔跨布置盡量與既有橋對孔；（2）邊跨孔跨布置應盡量結合施工方案確定，降低施工難度及造價；

（3）合理的邊中跨使橋型方案結構受力合理、橋式新穎且具有良好的剛度；

（4）水利部門建議在與既有橋梁對孔的基礎上盡量加大主跨的跨度，降低橋梁與水流存在夾角帶來的阻水不利影響。

結合各方面的意見和建議，主橋主跨初步確定采用152 m，比既有井口嘉陵江大橋大8 m，具體方案考慮以下幾種：預應力混凝土矮塔斜拉橋；連續鋼桁梁橋；預應力混凝土連續梁-拱組合橋；預應力混凝土連續梁橋；預應力混凝土連續剛構橋。

2.3 橋面布置方案

針對本橋四線共橋位并線合修的特點，橋面布置方案可將蘭渝鐵路雙線和渝利鐵路雙線分別布置于兩個相互獨立的箱梁上，即“并置雙箱”方案，見圖2；也可采用四線整體箱梁方案，即“單箱雙室”方案，見圖3。采用“并置雙箱”方案還是“單箱雙室”方案，涉及到的結構型式及受力行為區別較大。

圖2 梁體橫斷面-“并置雙箱”箱梁布置方案（單位：cm）

圖3 梁體橫斷面-“單箱雙室”箱梁布置方案（單位：cm）

布置方案一：蘭渝鐵路與渝利鐵路分別布置于兩個梁體上，各梁體均采用單箱單室箱梁截面。

布置方案二：蘭渝鐵路與渝利鐵路共用一個箱梁，截面為單箱雙室截面。

2.4 多線橋梁剛度控制

本橋為四線大跨度橋梁，之前未有類似橋梁建設先例。一方面，蘭渝鐵路與渝利貨車外繞線鐵路設計列車運行速度高，高速列車與橋梁結構的動力相互作用突出。另一方面，該橋為多線鐵路橋，不僅涉及到單線和雙線列車作用下的車橋動力分析，還可能涉及到多線列車共同作用下的車橋振動的問題。

3 主要應對措施

3.1 采用六線并線橋位

為了最大限度地減少鐵路夾心地，蘭渝鐵路、既有渝懷鐵路及渝利鐵路貨車外繞線六線鐵路并線布置，在跨越嘉陵江井口河段時，除既有的渝懷鐵路井口嘉陵江大橋外，蘭渝鐵路與渝利貨車外繞線形成四線規模。考慮到該河段的河道條件，橋梁主跨宜在140～160 m左右。同時為了滿足《內河通航標準》關于跨河橋梁橋位的間距要求，本橋應采用四線共橋位修建。新橋位于既有橋的下游約45 m處，平行于既有橋布置。

3.2 采用四線并行合建連續剛構

針對預應力混凝土矮塔斜拉橋、連續鋼桁梁橋、預應力混凝土連續梁-拱組合橋、預應力混凝土連續梁橋、預應力混凝土連續剛構橋等五種橋梁設計方案，從橋梁長度、施工工藝、受力特點等方面進行比選，各自的優缺點比較列于表1。

通過對預應力混凝土矮塔斜拉橋、連續鋼桁梁橋、預應力混凝土連續梁-拱組合橋、預應力混凝土連續梁橋、預應力混凝土連續剛構橋等5種方案的比較，綜合方案的優缺點及經濟性，認為預應力混凝土連續剛構橋方案最適合本橋。

3.3 采用梁部分修、橋墩合修的結構方案

針對本橋四線共橋位并線合修的特點，對兩種橋面布置方案所對應的橋梁結構進行了分析：

針對四線橋梁分幅布置方案（方案一）和整體布置方案（方案二）：

（1）整體上兩種布置方案均能滿足本項目的需求。計算表明，施工階段和運營階段兩種布置方案的應力值均小于規范限值，但布置方案二在施工階段的最大壓應力值已接近容許應力值，因此從安全度的角度來看，布置方案一的應力水平較為合理；

表1 不同主橋設計方案綜合比較表

（2）在列車活載作用下，布置方案一的梁體主跨豎向變形比布置方案二大13%，但均遠小于規范所要求的豎向撓跨比限值；

（3）兩布置方案的自振頻率基頻相差很小；

（4）布置方案一梁體混凝土數量比布置方案二梁體大9.4%，但布置方案二的施工時間較長。并且布置方案（方案一）與普通雙線剛構橋差別不大，是一種成熟、經濟的布置方案，而整體布置4線鐵路方案（方案二）采用單箱雙室截面，梁體寬度大、施工節段重量大；

（5）從受力的角度方案二的橫向剪力滯效應較明顯，應力的不均勻分布程度較大，容易引起結構的病害，并且在施工階段其壓應力水平接近規范的容許限值；

（6）從施工的角度，布置方案二不能夠利用普通橋梁的既有設備，需專門研制大噸位、大尺寸掛籃，這會導致掛籃前移等工序的施工時間增長，總體上會增長施工時間，且增大施工設備的投入。

因此，本橋采用分幅箱梁布置方案，即推薦采用方案一。

新井口嘉陵江四線大橋主墩構造見圖4。

圖4 新井口嘉陵江四線大橋主墩構造（單位：cm）

3.4 采用車橋仿真分析驗證

根據車橋耦合振動分析理論，采用空間有限元方法建立其全橋動力分析模型，對該橋的空間自振特性進行了計算；同時，對該橋在CRH2、CRH3動車組和C80貨車作用下的車橋空間耦合振動進行了分析：

（1）橋梁自振特性分析

主梁一階橫彎0.632 Hz，主梁一階豎彎1.180 Hz。

（2）橋梁振動性能

在CRH2、CRH3動車組以速度160～240 km/h通過蘭渝鐵路和C80貨車以速度60～120 km/h通過渝利鐵路時，蘭渝鐵路側主跨跨中最大豎向位移為4.59 mm，最大豎向加速度為7.35 cm/s2；渝利鐵路側主跨跨中最大豎向位移為11.99 mm，最大豎向加速度為5.69 cm/s2，橋梁動力性能良好。

（3）列車行車安全性

主橋在CRH2、CRH3動車組以速度160～240 km/h通過蘭渝鐵路側和C80貨車以速度60～120 km/h通過渝利鐵路側時，車輛的脫軌系數、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內。

（4）列車乘坐舒適性

主橋在CRH2、CRH3動車組以速度160～240 km/h通過蘭渝鐵路側和C80貨車以速度60～120 km/h通過渝利鐵路側時，除C80貨車以速度120 km/h通過時車輛乘坐舒適性指標為“良”，其余均能達到“優”。

4 主要技術特點

新井口嘉陵江大橋為國內最大跨度的四線鐵路預應力混凝土連續剛構橋，其主墩墩身下段及基礎合修，墩身上段及梁部分修的結構型式為世界首創。該橋的成功修建，解決了多線共橋位大跨度連續剛構橋面臨的系列難題，對類似橋梁工程具有較高的指導價值。

大橋設計具有以下技術特點：

（1）新井口嘉陵江大橋為國內時速200公里客貨共線鐵路最大跨度的四線預應力混凝土連續剛構。它的成功實施為高墩多線連續剛構橋在鐵路橋梁建設中的應用提供了借鑒。

（2）該橋充分考慮了通航條件、河槽地形與水文條件；主橋四線并行，主墩墩身下段及基礎合修有效保證了結構剛度和行車安全性與舒適性；主墩墩身上段及梁體分修，給結構提供了適度的變形協調空間，有利于結構受力。

（3）該墩身結構較大地節約了圬工量，有效解決了高墩大跨橋梁橫向剛度控制難題，為國內同類型鐵路橋梁首例。

（4）該橋對深水高樁承臺基礎設計施工、土體-樁-高墩-多線連續剛構橋動力性能研究、靜動力特性分析等研究，對該類型橋梁的設計施工具有廣泛的指導意義。

[1]李國豪.橋梁結構穩定與振動[M].北京:中國鐵道出版社,1992.

[2]徐君蘭,顧安邦.連續剛構主墩剛度合理性的探討[J].西部交通利技,2005(2):59-62.

[3]韓嫁春.高速鐵路無砟軌道大跨度連續剛構設計[J].交通科技, 2007(4):7-9.

[4]馮鵬程.連續剛構橋設計關鍵技術問題探討[J].橋梁建設，2009(4): 46-49.

[5]辛躍輝.不對稱超大跨度單線連續剛構設計與研究[J].鐵道工程學報,2012(8):45-48.

U448.23

B

1009-7716（2017）04-0059-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.018

2017-03-01

童登國（1983-），男，湖北枝江人，高級工程師，從事公路、鐵路大跨度橋梁設計工作。