200 km/h客貨共線鐵路主跨216 m連續剛構橋總體設計及技術創新

張朝霞

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 工程概況

南三龍鐵路合福聯絡線在福建省南平市境內跨越閩江。南三龍鐵路合福聯絡線閩江特大橋，位于南三龍鐵路正線閩江特大橋上游1.5 km處，距水口水庫壩址上游約91.5 km，處于洄水區尾端。橋址區兩端橋臺位于剝蝕低山區邊緣帶，橋梁跨越閩江漫灘與河床，地形起伏較大。橋位處水面開闊，河道順直，河寬500 m左右，匯水面積F=42 320 km2，Q1%=33 200 m3/s，H1%=73.87 m，河道通航標準為內河Ⅳ(3)級航道，通行2×500 t船隊。橋軸線法線與水流流向夾角為26°。按《內河通航標準》(GB 50139—2014)[5]要求單孔單向通航凈寬80 m，單孔雙向通航凈寬150 m。

橋址處地層為淤泥、淤泥質黏土、淤泥質細砂、粉質黏土、粗砂、礫砂，下伏基巖為花崗閃長巖[1]。主橋立面布置見圖1，平面布置見圖2。

圖1 主橋立面布置(單位：m)

圖2 平面布置(單位：m)

2 主要技術標準

鐵路等級：客貨共線。

正線數目：雙線。

設計速度：客車行車速度200 km/h；貨車行車速度120 km/h。

設計荷載：ZK活載。

軌道類型：有砟軌道。

線路情況：直線。

線間距：4.4 m。

3 方案比選

考慮本橋橋位的地形、地貌、河流情況以及通航要求，本橋研究了3種橋跨方式跨越閩江。

方案1：(75+135+135+75) m雙線預應力混凝土連續梁方案，橋墩為圓端形實體墩，主墩墩高53.5～65.5 m。

方案2：(118+216+118) m雙線連續剛構方案，主跨橋墩采用雙肢薄壁墩，主墩墩高約65 m。

方案3：合福聯絡線閩江大橋一跨過河，水中不設置墩柱。

方案1因河中橋墩的存在，對水流改變的程度較大，且增加了船舶碰撞的風險，通航條件較差，但造價最低。方案2的橋墩位于近岸，對水流改變的程度相對較小，船舶碰撞的風險較低，大橋本身的安全系數及船舶通航的安全系數都相對較好。方案3在水中不設墩柱，不改變水流，通航水流條件好，大橋自身與船舶通航的安全系數相對較高，但投資增加過多。

綜合各種因素考慮，經過防洪評估、通航論證及福建省建設部門批準[6]，合福聯絡線閩江特大橋采用方案2跨越閩江，即采用(118+216+118) m連續剛構方案。

4 主橋設計

4.1 主梁

梁部設計為單箱單室、直腹板、變截面箱梁。通過計算研究，梁高，尤其是薄壁墩處的梁高對橋梁的剛度和后期徐變有很大的影響。經計算分析，比較了薄壁墩處梁高在15～17 m范圍內，跨中梁高在6.0～8.5 m范圍內，梁高對梁部剛度和后期徐變的影響，最后確定采用的梁高，在薄壁墩處16.5 m，高跨比為1/13.1；邊直段及跨中處梁高為7.5 m，高跨比1/28.8。梁底曲線采用圓曲線變化，曲線半徑R=486.6 m。箱梁寬度按線間距及橋面布置綜合考慮，頂板寬12.0 m，底板寬度考慮箱梁橫向穩定，加大寬跨比，底寬采用9.2 m。橋面橫向設置2%排水坡。頂板厚度62 cm，腹板厚度55～75～95～105～130 cm變化，底板厚度50～200 cm漸變。全橋共分為117個梁段，最長梁段為5.0 m，最大懸灌體積175.2 m3，箱梁典型截面見圖3。

圖3 箱梁典型截面(單位：cm)

主要工程數量指標如下：本橋采用C55混凝土，混凝土用量18 416 m3；每延米橋長混凝土用量為40.7 m3，預應力索用量1 005.7 t，每方混凝土預應力索用量54.4 kg。普通鋼筋用量2 563 t，混凝土普通鋼筋用量138.7 kg/m3。

4.2 下部結構

雙肢薄壁墩水平抗推剛度小，在跨度較大，主梁應力控制設計時應優先選用此墩型[7]，本橋主墩采用雙薄壁墩柱，墩高66.5 m。橋墩直坡，單壁縱橋向寬2.5 m，墩底加厚至3.8 m；橫橋向寬11.2 m，雙肢薄壁中心距8.7 m。橋墩尺寸對主梁的影響很大，墩身剛度過大，不利于主梁受力，剛度過小則橋墩本身受力難以滿足。本橋采用在墩底10 m范圍內加厚墩臂，并在變截面處設置1道系梁，有效地解決了這個問題。合龍前對梁體施加水平對頂力，對改善橋墩和基礎的受力效果明顯[8]，，通過計算，在中跨合龍前，施加了4 000 kN的對頂力，改善了橋墩和基礎的受力。剛構墩結構如圖4所示。

圖4 剛構墩結構(單位：cm)

4.3 體外索設計

考慮收縮徐變的不確定性[9-10]，設計時在邊跨、中跨分別預留了4根19φ15.20 mm的體外索備用。備用索采用環氧涂層無粘結鋼絞線。體外備用索采用分體式轉向器，可單根調索、換索。預留體外索成橋時不張拉，做好防腐保護措施。運營期間加強梁部位移的觀測，若發現主梁發生異常變形時，可及時申請啟用，以便改善橋梁受力狀況和梁部變形。經計算，當備用索以960 MPa的錨下控制應力張拉時，跨中的10年后期徐變值可減少7.8 mm。體外索布置示意如圖5所示。

圖5 體外索布置示意(單位：cm)

5 結構分析

結構分析采用有限元程序，對施工階段和使用階段進行了計算分析。計算中，主力除考慮了結構自重外，還考慮了預應力效應、活載及沖擊力、支座不均勻沉降等。附加力考慮了風力、制動力或牽引力、溫度變化引起的影響力、列車脫軌荷載等。對于施工臨時荷載，以及施工不同步造成的不平衡彎矩等進行了嚴格控制。對施工過程中產生的內力變化，如體系轉換、混凝土收縮徐變引起的內力變化以及其對預應力損失的影響等都給予了充分的考慮。

關于溫度荷載，計算中綜合考慮橋位處極限溫度和平均溫度，合龍溫度取16～20 ℃，整體溫度變化按+20 ℃、-15 ℃考慮；本橋采用有砟橋面，按規范可以不考慮沿梁高方向的溫差荷載[3-4]，考慮到溫差效應對大跨結構作用比較敏感，為提高結構的整體安全性，計算中考慮了沿梁高方向有不均勻溫差，按橋面板比梁體升高5 ℃計算溫度效應；在橫橋向計算時，考慮了日照和寒潮兩種模式。

支座不均勻沉降按2 cm計算。橋位處基巖埋深較淺，沖刷線已到基巖面，整體計算時，采用群樁模擬剛度和在承臺底固結兩種方式包絡計算。

5.1 全橋靜力分析

(1)主梁應力、強度及抗裂性，計算結果見表1。

表1 應力、強度及抗裂性計算結果

(2)主梁撓度

中跨最大靜活載撓度61.6 mm，為跨度的1/3 505；梁端最大豎向轉角0.50‰；邊跨最大靜活載撓度16.9 mm，為跨度的1/7 003。

(3)后期徐變

大跨度剛構徐變下撓成為普遍問題，控制徐變下撓值是全橋設計的難點。本橋在設計方面采用延長箱梁階段施工周期及二期恒載上橋時間、控制上下緣應力差等方法控制主梁徐變下撓。

本橋二期恒載上橋時間按成橋后150 d計算，較常規的60 d后上二期恒載后期徐變值，相對減小了10 mm的。上下緣應力差均控制在5 MPa之內。本橋30年徐變邊跨中上拱2.56 mm，中跨中下撓21.5 mm。

從以上計算結果可以得出，主梁各截面應力均滿足相關現行規范的要求。箱梁的剛度較大且橋面平順度較高，確保了行車的舒適性和安全性。

5.2 動力分析

建立統一車-線-橋一體空間模型，對主橋在CRH2、CRH3動車組，C80貨車作用下進行車-線-橋耦合振動分析，評價了該橋的動力性能及列車在風荷載作用下的運行安全性與舒適性。計算結果表明在設計行車速度內，橋梁和列車的各項動力響應均在容許值范圍內，行車的安全性有保證[2]。

6 結論

大跨連續剛構橋主梁設計的難點就是控制梁體的徐變撓度和結構抗裂性能[12-15]，本橋通過合理優化預應力索型，使全橋應力狀態比較合理，調整主梁的主拉應力值在適當范圍，嚴格控制箱梁上下緣混凝土應力差；在中跨合龍時，施加適當的對頂力，可以很好地改善墩身彎矩，優化梁部受力；同時，在梁體箱內預留預應力鋼絞線，必要時張拉，可及時補充預應力，可以調整梁體線形，控制梁體的徐變撓度，提高結構的抗裂性能。

[1] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.新建南三龍鐵路合福聯絡線閩江特大橋施工圖[Z].武漢：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2014.

[2] 中南大學.南三龍合福聯絡線閩江特大橋車橋動力分析報告[R].長沙：中南大學，2014.

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[4] 國家鐵路局.TB10621—2014 高速鐵路設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2015.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50139—2014 內河通航標準[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[6] 南京水利科學院，福建省航海學會.南平至龍巖鐵路跨閩江兩座大橋通航安全影響論證報告[R].福州：2012.

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