高速鐵路高墩橋梁橋式方案比較研究

鄭 偉,尹國偉

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 研究背景

隨著我國高速鐵路建設的飛速發展，并配合我國“一帶一路”倡議、交通強國等國家戰略的實施，高速鐵路的建設不斷由平原向艱險山區拓展，各類高墩大跨橋梁結構陸續出現，對高墩大跨度橋梁的設計施工提出了新的挑戰。

吳再新等[1-2]依托渝利鐵路新橋特大橋和蔡家溝大橋的超百米高墩，提出了人型墩和A形墩的橋墩構造，并取得了良好的技術經濟效果。陳思孝等[3]對80～100 m墩高下墩型的適應性展開研究，提出了不同墩型的最優適用墩高，對墩型的合理選用具有指導意義。李宗建[4-5]依托黃韓侯鐵路縱目溝特大橋的105 m高墩，提出了新型柱板式空心墩，并對不同截面形式進行了比選，新型橋墩可較傳統空心墩節省圬工20%以上，大幅降低工程造價。楊勇[6]對重載鐵路50～70 m墩高下，32～64 m跨度簡支梁進行比較，認為64 m簡支梁的技術性和經濟性均最優。

新建襄陽至常德鐵路荊門西至五峰段為高速鐵路，是國家 “八縱八橫”高速鐵路網之一的重要組成部分。其中五峰4號特大橋、磨市特大橋跨越山間寬闊谷地，最大墩高80 m，墩高50 m以上橋長合計約900 m。依托該項目2座橋梁，開展高墩大跨度橋梁橋式方案及經濟性研究。

2 主要技術標準

設計行車速度：350 km/h

正線數目：雙線

設計活載：ZK活載

軌道類型：無砟軌道

最小曲線半徑：5 500 m

3 梁部參數

根據山區鐵路橋梁的建設特點，選取常用移動模架法施工的32、40、48、64 m跨度簡支梁，及(40+64+40) m、(48+80+48) m、(60+100+60) m跨度的連續梁、連續剛構3種梁型進行橋式方案的比較研究。各梁型主要技術參數見表1，其中簡支梁采用等截面單箱單室箱梁，連續梁及連續剛構采用變截面變高度單箱單室箱梁，梁底下緣按二次拋物線變化，箱梁斷面見圖1～圖3。

圖1 32～48 m簡支箱梁斷面(單位:cm)

表1 各梁型主要技術參數 m

圖2 64 m簡支箱梁斷面(單位:cm)

圖3 連續梁及連續剛構箱梁斷面(單位:cm)

4 下部結構設計

4.1 剛度限值及主要控制標準

我國高速鐵路采用跨區間無縫線路，故由于溫度變化、列車制動等產生的鋼軌附加應力對橋梁結構的安全影響較大[7-8]。橋梁下部結構的縱向水平剛度主要受軌道強度和穩定性及制動力作用下梁軌相對位移兩方面因素控制[9-10]。

猜想1對于完全二分圖[2],完全正則多部圖[3],系列平行圖[4]和最大度Δ=3,4,5,6,10(見文獻[2,5-7])的正則圖已經被證實是成立的。另外,對于所有的平面圖[8-9]猜想1也是成立的。近年,很多學者對最大度較高的平面圖能否得到一個具體的線性蔭度非常感興趣。其中Wu[8]證明了對于最大度Δ≥13的平面圖,la(G)=「Δ/2?。Cygan[10]等人證明了對于最大度Δ≥9的平面圖,la(G)=「Δ/2?,并且提出了猜想2。

TB10002—2017《鐵路橋涵設計規范》[11]中僅對48 m以下跨度簡支梁的縱向水平線剛度提出了要求，未明確48 m以上跨度簡支梁及連續梁的下部結構剛度限值。綜合相關研究成果，擬定以上各跨度梁型的墩頂縱向水平線剛度限值見表2。

表2 各梁型墩頂縱向水平線剛度限值

4.2 橋墩選型

高速鐵路在墩高不高時簡支梁及連續梁一般采用圓端形實體墩，連續剛構主墩一般采用雙薄壁墩，其具有縱橋向抗推剛度小的特點，使縱橋向的容許位移增大，從而減小溫度作用和混凝土收縮徐變帶來的不利影響。

當墩高在30～80 m時，一般采用單變坡空心墩，較為經濟合理，在墩頂及墩底設置實體過渡段，可使支座反力較均勻地傳至墩壁，同時減少活載沖擊力對墩壁的影響，同時墩壁應力能擴大傳至基底，使基底應力分布較均勻。

墩高在80～100 m時，通常采用二次放坡空心墩，橋墩下部坡度較緩以增大橫向剛度，上部坡度較陡以減少圬工量。

當墩高超過100 m時，可采用墩身下部分岔的人字形空心墩，或人字分岔區增加橫向系梁的A字形空心墩。通過調整分岔斜腿的橫向間距來滿足橫向剛度要求。

4.3 下部結構計算

根據以上各梁型剛度限值及控制標準，擬定簡支梁60～90 m橋墩及基礎尺寸并計算橋墩線剛度及墩頂彈性水平位移。

根據相關研究成果，當地質條件較好時，單位力墩身位移占單位力總位移40%的情況下，橋墩和基礎總圬工量較省[20]，且剛度容易滿足，經濟性和技術性最為合理。本次即按墩身剛度與基礎剛度比值約為6∶4擬定下部結構尺寸。

簡支梁及連續梁根據TB10002—2017《鐵路橋涵設計規范》要求，縱向考慮制動力及風荷載，橫向考慮搖擺力、離心力、風荷載及溫度力，檢算下部結構強度、剛度及穩定性并統計工程量。由于不同地震動水準下橋墩及基礎尺寸差異較大，故擬定結構尺寸時未考慮地震力荷載。

橋墩均采用圓端形單變坡空心墩，頂部壁厚0.55～0.9 m，外側坡度(25∶1)～(35∶1)，內側坡度(50∶1)～(60∶1)，基礎采用鉆孔灌注樁基礎。橋墩構造見圖4，下部結構尺寸及墩頂縱向剛度見表3。

圖4 簡支梁及連續梁橋墩構造圖

表3 簡支梁下部構造及主要技術參數

連續剛構梁型采用Midas civil 2020軟件建立全橋模型，邊墩按與相同跨度剛構相接考慮，縱橫向荷載同簡支梁及連續梁，僅考慮常規力作用下荷載。橋墩采用矩形空心墩，墩壁縱向等厚為1.0 m，墩頂橫向壁厚0.7 m，橫向外坡坡度為22∶1～30∶1，內坡坡度為30∶1～40∶1，基礎采用鉆孔灌注樁基礎。計算剛構下部結構剛度及變形并統計工程量。橋墩構造見圖5，下部結構尺寸及墩頂縱向剛度見表4。

表4 連續梁及連續剛構下部構造及主要技術參數

圖5 連續剛構主墩構造

5 經濟指標比較

由于梁部不同施工方法下工程投資的差異較大，故簡支梁按移動模架現澆法施工，連續梁及連續剛構按掛籃懸澆法施工，據此計算各墩高下的工程投資。根據計算所得簡支梁下部結構尺寸，對比分析不同墩高下各簡支梁的每延米工程投資見圖6。

由圖6可知，相同墩高下，每延米工程投資隨跨度增大而降低；相同跨度下，工程投資隨墩高增大而增加。

圖6 簡支梁每延米經濟指標對比

由于高墩橋梁常存在于“V”形山谷處，谷底處墩高較高，兩側山坡墩高較低，故選擇橋式方案時，可選擇較大跨度的簡支梁，減少谷底的高墩數量，從而節省投資。

對比分析不同墩高下連續梁及連續剛構橋梁的每延米工程投資見圖7。相同墩高及跨度下，連續梁與連續剛構的造價比為1.5～2.2。因此，大跨度混凝土連續結構橋梁采用連續剛構，主體工程數量較連續梁更省，同時采用連續剛構體系可省去大噸位支座及其養護維修和更換費用。

圖7 連續梁各梁型每延米經濟指標對比

綜合各梁型每延米工程投資見圖8，由圖8可知，相比連續梁及連續剛構，小跨度簡支梁由于跨度較小，橋墩數量較多，故工程投資更高，相同墩高下投資為連續剛構的2～2.7倍。因此，選擇橋式方案時，采用更大跨度梁型，減少高墩數量，降低平均墩高的方案更經濟合理。

圖8 各梁型每延米經濟指標對比

6 結論

隨著山區高速鐵路的發展建設，對橋梁跨越能力的要求越來越高，需要增加橋梁跨度、橋墩高度來跨越障礙。只有不斷加深對各種橋式的研究，選擇經濟合理的橋式方案，才能取得更好的社會經濟效益。

通過對不同跨度類型的高墩經濟指標進行比較研究，提出了高速鐵路高墩橋梁經濟合理的橋式方案及跨度建議，并得出如下結論。

(1)相同墩高條件下，采用更大跨度的簡支梁工程投資更省。

(2)相同墩高及跨度條件下采用連續剛構工程投資較連續梁更省，更經濟合理。

(3)對比分析簡支梁、連續梁及連續剛構橋梁的每延米工程投資，相同墩高條件下采用連續剛構橋梁的工程投資更省，且采用更大跨度梁型，相應降低墩高的方案更經濟合理。