山區(qū)峽谷大跨度鐵路橋梁方案設(shè)計(jì)研究*

周 繼

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063； 2.中鐵建大橋設(shè)計(jì)研究院 武漢 430063)

隨著國(guó)家鐵路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)修建山區(qū)鐵路的機(jī)遇越來(lái)越多。山區(qū)鐵路建設(shè)條件大多艱險(xiǎn)困難，山高谷深，地形陡峻，地質(zhì)復(fù)雜，交通不便。

山區(qū)鐵路橋梁一般墩高較高且差異大、跨度大，橋位受地質(zhì)和環(huán)保因素控制的情況較多。而在橋式方案選擇上需綜合考慮鐵路橋梁剛度要求、施工便捷性、養(yǎng)護(hù)維修難易性和經(jīng)濟(jì)性等因素，因此山區(qū)鐵路橋梁方案大多以梁橋和拱橋居多。

選擇合理的橋梁結(jié)構(gòu)形式，將橋梁結(jié)構(gòu)安全、列車運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)合理化設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)和發(fā)展意義。文中以甕馬鐵路北延伸線湘江特大橋(見圖1)為研究對(duì)象，探討山區(qū)峽谷大跨度鐵路橋梁[1]設(shè)計(jì)方案選型，為山區(qū)峽谷橋梁設(shè)計(jì)提供一定借鑒。

圖1 甕馬鐵路湘江特大橋效果圖

1 工程概況

甕馬鐵路北延伸線從在建甕馬鐵路甕安站引出，向北經(jīng)過(guò)甕安縣，跨湘江進(jìn)入遵義市，接入既有川黔鐵路閣老壩站，正線長(zhǎng)99.63 km。湘江特大橋位于甕安縣與遵義交界處，工程處于黔北高原向黔中山丘過(guò)渡地帶，海拔高程一般為750～1 400 m，沿線地形復(fù)雜，橋址位于湘江河谷，屬于深切V形谷，地形條件復(fù)雜，山巒起伏，溝壑縱橫，兩岸岸坡陡峭，左岸自然坡度約65°，坡頂至坡腳高程為582.7～854.9 m，坡頂至坡腳水平距離約269.8 m；右岸自然坡度35°，坡頂至坡腳高程為478.4～817.6 m，坡頂至坡腳水平距離約508 m。兩岸地勢(shì)起伏較大，植被覆蓋，多為樹林、灌木及雜草，局部地區(qū)有基巖裸露，道路交通不便。

線路至峽谷底高差約277 m，水深50 m。兩岸穩(wěn)定邊坡線角度分別為62°和27°。橋位處工程地理環(huán)境見圖2。

圖2 工程地理環(huán)境

橋區(qū)內(nèi)表層為第四系全更新統(tǒng)沖洪積層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，下伏巖層由下第三系(E)鈣質(zhì)角礫巖組成，基本承載力：σ0=1 500 kPa。

工程區(qū)域地震基本烈度為VI度，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

湘江航道標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀為V級(jí)，規(guī)劃IV級(jí)，百年一遇洪水位H1%=630.5 m。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1) 鐵路等級(jí)：II級(jí)(貨運(yùn)預(yù)留客運(yùn)開行條件)。

2) 正線數(shù)目：?jiǎn)尉€。

3) 線路條件：直線、縱坡0.6%。

4) 設(shè)計(jì)行車速度：120 km/h。

5) 設(shè)計(jì)活載：ZKH荷載。

6) 設(shè)計(jì)洪水頻率：1/100。

7) 地震基本烈度：VI度。

3 橋梁方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)之初根據(jù)地質(zhì)及線路平縱斷面情況，為合理利用橋址V形地形，提出一跨過(guò)江方案和雙主跨過(guò)江方案。一跨方案主跨425 m，可實(shí)現(xiàn)降低墩高同時(shí)橋墩基礎(chǔ)設(shè)置于兩岸岸坡穩(wěn)定性以內(nèi)；出于工程經(jīng)濟(jì)性考慮，原則上盡量減少高墩[2]數(shù)量，同時(shí)避免水中立墩和不良地質(zhì)區(qū)，提出雙主跨235～252 m方案。

橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足使用功能的前提下[3]，遵循“安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀、耐久，以及環(huán)保”六項(xiàng)原則；同時(shí)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，選用技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便可行的橋梁方案。山區(qū)鐵路橋梁主跨425 m跨度較大且地形陡峭，斜拉橋方案不合理，宜采用拱橋[4]方案；而主跨235 m的可選橋梁方案主要有：連續(xù)剛構(gòu)橋、拱形V撐剛構(gòu)橋、剛構(gòu)斜拉橋。普通的連續(xù)剛構(gòu)橋在200 m跨度范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)適用性較好，但本橋跨度達(dá)235 m，混凝土徐變不易控制，設(shè)計(jì)難度大，傳統(tǒng)的連續(xù)剛構(gòu)橋方案不推薦采用。拱形V撐[5]剛構(gòu)橋可有效降低墩高，提高橋梁縱向剛度的同時(shí)增大橋梁跨度，提升剛構(gòu)橋在大跨度橋梁方案中的應(yīng)用。

按照適用、經(jīng)濟(jì)、安全和美觀的原則進(jìn)行比選，最終提出136 m+2×252 m+136 m拱形V撐連續(xù)剛構(gòu)、1×425 m上承式提籃拱橋、120 m+2×235 m+120 m剛構(gòu)斜拉橋3種橋型，以下對(duì)各橋型方案分別進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

3.1 V撐連續(xù)剛構(gòu)方案

湘江特大橋墩高近200 m，此方案可有效降低墩高，提高橋梁縱向剛度的同時(shí)增大橋梁跨度，大大提升剛構(gòu)橋在大跨度橋梁方案中的應(yīng)用。

3.1.1結(jié)構(gòu)體系

136 m+2×252 m+136 m V撐連續(xù)剛構(gòu)為拱形V撐與梁體剛結(jié)而成的組合結(jié)構(gòu)，為墩梁固結(jié)[6]體系，橋梁全長(zhǎng)777.5 m，橋梁結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖3 V撐連續(xù)剛構(gòu)方案(單位：m)

3.1.2主要結(jié)構(gòu)尺寸

1) 梁部。邊跨梁長(zhǎng)136.75 m，空腹段長(zhǎng)38 m，中跨跨度252 m，中主墩處梁高40 m，其中V撐上弦梁高7.5 m，上下弦凈距24.5 m，跨中梁高和邊墩梁高均為6 m，橋面布置見圖4。

圖4 V撐連續(xù)剛構(gòu)方案主梁跨中橫截面示意圖(單位：m)

V撐上弦采用單箱單室截面，梁頂寬10.3 m，梁底寬8.3 m，頂板厚0.64 m，腹板厚1.12 m。V撐下弦采用矩形空心截面，頂板和底板均寬8.3 m，高8.0 m，頂板厚均為1.5 m，腹板厚1 m。

V撐范圍外梁部采用單箱單室截面，梁頂寬10.3 m，梁底寬8.3 m，跨中梁高6 m，在上下弦相交處梁高按拋物線過(guò)渡到15.941 m，頂板厚0.64 m，腹板厚0.4～0.64～0.86 m，底板厚0.58～1.5 m。

梁部在中主墩墩頂設(shè)置2道4 m厚橫隔墻，橫隔墻凈距6 m。橫隔墻與橋墩豎向貫通，將梁部荷載傳遞給橋墩。

2) 橋墩。左邊墩、中墩、右邊墩墩高分別為74，168，55 m。兩邊墩均采用雙肢薄壁空心截面，距墩頂30 m范圍兩肢凈距6 m，單肢等截面部分為順橋向4 m，橫橋向8.3 m，30 m范圍以下橫、縱向均按圓弧放坡；墩底縱橋向分別漸變?yōu)?，8 m，橫橋向分別漸變?yōu)?3.3，12.3 m。中墩采用空心墩，距墩頂80 m范圍順橋向不放坡，橫橋向按1∶35放坡，為提高橋墩橫向剛度，中墩橫向分叉形成“人”字形橋墩，單肢墩底橫向尺寸6 m，縱向尺寸為20 m。

3) 基礎(chǔ)。中墩承臺(tái)尺寸為38 m(橫橋向)×31.5 m(縱橋向)×6 m，基礎(chǔ)采用30根3 m柱樁；邊墩承臺(tái)尺寸為25.2 m×25.2 m×6 m，基礎(chǔ)采用25根直徑2.5 m柱樁。

3.1.3施工方案

1) 橋墩基礎(chǔ)。基礎(chǔ)采用挖孔樁基礎(chǔ)，墩身采用爬模施工，3座橋墩同時(shí)施工。

2) 梁部。V撐處設(shè)置臨時(shí)扣索，V撐上弦按支架施工，主梁采用掛藍(lán)施工，主梁邊直段采用支架現(xiàn)澆。

3) 橋面合龍，施工橋面系。

4) 動(dòng)靜載實(shí)驗(yàn)及竣工驗(yàn)收。

3.1.4主要計(jì)算結(jié)果

V撐連續(xù)剛構(gòu)方案有限元模型見圖5。

圖5 V撐連續(xù)剛構(gòu)方案有限元模型圖

經(jīng)計(jì)算，V撐連續(xù)剛構(gòu)方案計(jì)算結(jié)果如下。

1) 位移及轉(zhuǎn)角。靜活載作用下邊跨最大撓度值-22.4 mm，為跨度的1/6 071，中跨最大撓度值-55.3 mm，為跨度的1/4 557；最大梁端轉(zhuǎn)角為0.08%；在列車橫向搖擺力、風(fēng)力和溫度力的作用下，梁體橫向撓跨比為1/2 290。

2) 主梁應(yīng)力。最大壓應(yīng)力15.47 MPa，最小壓應(yīng)力為0.25 MPa。

3) 橋墩應(yīng)力。墩頂壓應(yīng)力8.23 MPa，墩底壓應(yīng)力16.8 MPa。

3.2 上承式提籃拱方案

3.2.1結(jié)構(gòu)體系

采用提籃式上承式鋼桁-混凝土結(jié)合拱橋(見圖6)，拱肋計(jì)算跨度L=425 m，拱肋矢高f=123 m(拱平面內(nèi))，矢跨比f(wàn)/L=1/3.455。拱上梁跨布置為：2×90 m T構(gòu)+5×24.0 m簡(jiǎn)支梁+1×32 m簡(jiǎn)支梁+5×24.0 m簡(jiǎn)支梁+2×90 m T構(gòu)。

圖6 上承式提籃拱方案(單位：m)

3.2.2主要結(jié)構(gòu)尺寸

1) 主拱圈構(gòu)造。拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.69，主拱結(jié)構(gòu)由2根拱肋與橫向聯(lián)接系組成(見圖7)，拱肋橫向內(nèi)傾角為5.02°，拱肋中心距在拱頂為10.0 m，在拱腳為31.6 m。

圖7 上承式提籃拱方案主拱圈平面示意圖(單位：m)

單片拱肋由箱形弦桿組成，箱形截面肋寬0.8 m，肋高1.0 m，2片拱肋之間通過(guò)共用箱形截面頂、底板聯(lián)結(jié)，上弦桿共用頂板結(jié)合0.5 m高混凝土，下弦桿通過(guò)共用底板結(jié)合0.5 m高混凝土。拱腳處拱肋高13.4 m，弦桿中心距11.9 m，拱頂處拱肋高度8.47 m，拱肋中心距7.47 m，拱肋高度按李特規(guī)律變化，截面慣性矩從拱頂至拱腳逐漸增大。主桁為N形桁架，節(jié)間水平投影長(zhǎng)度8.0 m。

拱肋在靠近拱腳長(zhǎng)度64.5 m范圍內(nèi)(水平距離)為實(shí)腹段，上、下弦桿采用H形截面通過(guò)混凝土外包形成勁性骨架混凝土箱形截面，其余部分采用箱形弦桿上下層結(jié)合混凝土的鋼桁-混凝土結(jié)合截面。

箱形弦桿高度0.8 m，高1.0 m，頂?shù)装灏搴?0 mm、腹板板厚32 mm，縱向頂、底、腹板均設(shè)置1道加勁肋，加勁肋板厚16 mm。H形弦桿翼緣板厚20 mm，腹板板厚24 mm。

拱桁腹桿為H形和箱形截面，在設(shè)置拱上立柱處豎腹桿截面，采用452 mm×736 mm的箱形截面，板厚24 mm；一般腹桿截面采用H形截面，翼緣板厚16 mm、寬450 mm，腹板高736 mm、厚度16 mm；在設(shè)置拱上立柱處斜腹桿截面有所加強(qiáng)，翼緣板厚24 mm、寬450 mm，腹板高736 mm，厚度24 mm。

橫聯(lián)截面均采用H形截面，翼板寬450 mm，總高500 mm，翼板、腹板厚16 mm。

平聯(lián)采用H形截面，翼板寬450 mm，總高500 mm，翼板、腹板厚24 mm。

2) 拱上立柱構(gòu)造。拱上立柱采用鋼桁架墩，墩高1.98～40.8 m。立柱采用箱型截面，傾斜角度與拱肋一致。立柱橫橋向截面內(nèi)寬1 200 mm，順橋向截面內(nèi)側(cè)高度2 000，2 500 mm，立柱板厚28，44 mm。橫橋向2根立柱間設(shè)置 “×”形橫聯(lián)。立柱在其底部通過(guò)節(jié)點(diǎn)板和拱肋栓接形成固結(jié)體系。立柱橫梁采用箱型截面，高度1 000 mm、寬1 200 mm，板厚24，32 mm。橫梁上設(shè)加勁板及墊板以便后期更換支座進(jìn)行頂梁。

3) 剛構(gòu)墩。剛構(gòu)墩為矩形空心墩，小、大里程交界墩墩高分別為112，115 m。小里程側(cè)墩頂縱橋向?qū)挾?.5 m，橫橋向?qū)挾?.2 m，墩底縱橋向?qū)挾?.5 m，橫橋向?qū)挾?0.6 m，矩形截面壁厚1.5～3.0 m，實(shí)體段長(zhǎng)5.0 m；大里程側(cè)墩頂縱橋向?qū)挾?.5 m，橫橋向?qū)挾?.2 m，墩底縱橋向?qū)挾?.5 m，橫橋向?qū)挾?.77 m，矩形截面壁厚1.5～3.0 m。

4) 梁部結(jié)構(gòu)。拱上建筑為2×90 m T構(gòu)+5×24 m簡(jiǎn)支梁+32 m簡(jiǎn)支梁+5×24 m簡(jiǎn)支梁+2×90 m T構(gòu)，其中2×90 m梁部采用預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)。

5) 主拱基礎(chǔ)。主拱基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，拱座縱橋向長(zhǎng)27.80 m，橫橋向長(zhǎng)42.2 m。

3.2.3施工方案

1) 邊坡防護(hù)、施工拱座基礎(chǔ)。

2) 施工兩岸扣塔、錨碇等大型臨時(shí)結(jié)構(gòu)，爬模施工交界墩。

3) 主拱圈采用斜拉扣掛法吊裝。

4) 剛構(gòu)懸臂澆筑、拱上立柱吊裝架設(shè)，預(yù)制架設(shè)拱上簡(jiǎn)支梁。

5) 動(dòng)靜載實(shí)驗(yàn)及竣工驗(yàn)收。

3.2.4主要計(jì)算結(jié)果

1) 位移及轉(zhuǎn)角。靜活載作用下?lián)峡绫葹?/5 789，梁端轉(zhuǎn)角為0.18%；橫向力作用下，梁體橫向撓跨比為1/2 009。

2) 主拱圈應(yīng)力。鋼材最大壓應(yīng)力為173 MPa，混凝土最大壓應(yīng)力為18.5 MPa。

3.3 剛構(gòu)斜拉橋方案

3.3.1結(jié)構(gòu)體系

主橋采用120 m+2×235 m+120 m高低塔[7]剛構(gòu)斜拉橋(見圖8)，為塔墩梁固結(jié)體系，主橋全長(zhǎng)711.7 m。邊墩采用雙肢薄壁結(jié)構(gòu)降低橋墩剛度，提升長(zhǎng)聯(lián)大跨橋梁溫度力和地震力的適應(yīng)性；中墩采用空心高墩，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。

圖8 剛構(gòu)斜拉橋方案(單位：m)

3.3.2主要結(jié)構(gòu)尺寸

1) 主梁。邊跨直線段及中跨跨中截面最低點(diǎn)處梁高為6.5 m，邊、中墩處截面最低點(diǎn)處梁高為12.5 m，截面梁高按圓曲線變化。箱梁頂面寬10.3 m(見圖9)，橋塔處加寬至11.5 m，斜拉索采用箱外錨固形式。

圖9 剛構(gòu)斜拉橋方案主梁橫截面示意圖(單位：m)

箱梁橫截面為單箱單室直腹板截面，頂板厚64 cm，腹板厚分別為50，75，100 cm，底板厚由跨中的50 cm按圓曲線變化至中支點(diǎn)梁根部的135 cm，中墩支點(diǎn)處局部加厚到250 cm；全橋共設(shè)10道橫隔梁，分別設(shè)于邊墩、中墩支點(diǎn)、邊直段支點(diǎn)和中跨跨中。邊直段支點(diǎn)處分別設(shè)置厚1.5 m橫隔梁，跨中合龍段設(shè)置厚0.8 m的中橫隔梁，兩側(cè)邊墩處設(shè)置2道橫隔板厚分別為2.5 m和 2.0 m，中心間距分別為9.5 m和10 m，中墩處設(shè)置2道厚3.0 m橫隔板，中心間距6.5 m。全梁共設(shè)50道半橫梁，高度為2.02 m，寬度為0.66～1.0 m，位置與斜拉索下錨固端位置一一對(duì)應(yīng)。

2) 橋塔。索塔采用雙柱式橋塔[8]形式，中塔橋面以上塔高45 m，邊塔橋面以上塔高35.5 m。為適應(yīng)分絲管索鞍，塔柱采用矩形實(shí)體截面，橋塔順橋向呈現(xiàn)拱形，邊塔最寬12 m，中墩最寬16 m，橫橋向?qū)?.5 m，四周設(shè)25 cm圓弧。在墩塔梁固結(jié)處橋塔分叉為2個(gè)獨(dú)立塔柱。

3) 斜拉索。斜拉索采用單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線拉索體系，外套HDPE，平行雙索面體系。斜拉索梁上間距9.0 m，與主梁采用成品梁端錨具形式，主梁內(nèi)設(shè)置錨固梁，張拉端設(shè)置在梁上。斜拉索在塔端采用分絲管索鞍貫通，間距為1.1 m。斜拉索規(guī)格為55-7φ5 mm、43-7φ5 mm 2種，索端水平夾角最小為19.64°，斜拉索采用單根張拉。

4) 橋墩、承臺(tái)、樁基。3座橋墩高度分別為80.5，164.5，53.5 m，兩邊墩采用鋼筋混凝土矩形雙肢薄壁式柱墩，縱向?qū)挾确謩e為2.5，2.0 m，雙肢中心距為9.5，10 m，墩底加寬至5.7 m；承臺(tái)順橋向×橫橋向×厚度為17.4 m×26.6 m×6.0 m，樁基礎(chǔ)均采用24根直徑2.2 m鉆孔柱樁，行列式布置，樁中心距為4.6 m。中墩采用鋼筋混凝土矩形空心墩，縱向?qū)挾?6 m，橫橋向?qū)挾?1.5 m漸變30 m；承臺(tái)順橋向×橫橋向×厚度尺寸為31.5 m×37.5 m×8.5 m，樁基礎(chǔ)均采用30根直徑2.8 m鉆孔柱樁，行列式布置，樁中心距6.0 m。

3.3.3施工方案

1) 橋墩基礎(chǔ)。施工樁基礎(chǔ)、承臺(tái)、墩身、頂帽。

2) 爬模施工塔柱。

3) 掛籃懸澆施工主梁，同時(shí)掛設(shè)對(duì)應(yīng)節(jié)段的斜拉索，在邊直段搭設(shè)支架或墩頂托架。

4) 橋面合龍，施工橋面系。

5) 動(dòng)靜載實(shí)驗(yàn)及竣工驗(yàn)收。

3.3.4主要計(jì)算結(jié)果

剛構(gòu)斜拉橋方案有限元模型見圖10。

圖10 剛構(gòu)斜拉橋方案有限元模型圖

經(jīng)計(jì)算，剛構(gòu)斜拉橋方案計(jì)算結(jié)果如下。

1) 位移及轉(zhuǎn)角。靜活載作用下邊跨最大撓度值-18.0 mm，為跨度的1/6 667，中跨最大撓度值-75.0 mm，為跨度的1/3 133；最大梁端轉(zhuǎn)角為0.06%。在橫向力作用下，梁體的橫向撓跨比1/3 809，橫向振動(dòng)基頻0.314 1 Hz；水平彎曲引起的最大轉(zhuǎn)角為0.03%，水平曲線半徑為111 882 m。

2) 梁部應(yīng)力。最大壓應(yīng)力為14.19 MPa，最小壓應(yīng)力為0.16 MPa。

3) 橋墩應(yīng)力。墩頂壓應(yīng)力15.99 MPa(邊墩)，墩底壓應(yīng)力9.52 MPa(邊墩)；墩頂壓應(yīng)力6.59 MPa(中墩)，墩底壓應(yīng)力7.91 MPa(中墩)。

4) 斜拉索應(yīng)力。最大拉應(yīng)力908 MPa，最小拉應(yīng)力832 MPa，安全系數(shù)按2.0控制。

4 橋梁方案比選

上述3個(gè)橋梁方案均通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算，方案安全可行。表1從施工難易程度、工期、造價(jià)、景觀等方面對(duì)各方案進(jìn)行比選。

表1 橋梁方案比選表

綜上所述，方案一采用拱形V撐構(gòu)造復(fù)雜、施工難度大；方案二施工困難，鋼結(jié)構(gòu)維修難度大，施工工期長(zhǎng)且造價(jià)高，故最終推薦120 m+2×235 m+120 m剛構(gòu)斜拉橋方案。湘江特大橋?yàn)閲?guó)內(nèi)聯(lián)長(zhǎng)最長(zhǎng)的鐵路部分斜拉橋，主墩164.5 m為世界最高鐵路橋墩，目前本橋正在施工中。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)甕馬鐵路北延伸線湘江特大橋橋梁方案進(jìn)行充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，3個(gè)橋梁方案均是合理的可行方案。結(jié)合本橋建設(shè)條件，相對(duì)而言剛構(gòu)斜拉橋在鐵路領(lǐng)域運(yùn)用成熟，施工方便且風(fēng)險(xiǎn)較小，具有較強(qiáng)的技術(shù)先進(jìn)性和良好的經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)勢(shì)較為明顯。