大跨雙層公鐵兩用鋼箱拱橋設計關鍵技術

王 志,梅新詠,蘇 楊

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司,武漢 430056)

1 工程概況

成貴鐵路宜賓金沙江公鐵兩用橋位于四川省宜賓市郊區。為了充分利用稀有的橋位資源，大橋采用公鐵合建。上層為4線有砟鐵路，其中2線為成貴高鐵，設計速度250 km/h，其余2線為預留線路，線間距4.6 m；下層采為雙向六車道城市快速路，設計速度60 km/h，兩側布置人行道[1-2]。該橋位于西南山區，主跨336 m，主墩最高98.1 m，是成貴鐵路控制性工程，也是世界上首座高速鐵路布置在上層、公路布置在下層的公鐵兩用鋼箱系桿拱橋，具有公鐵合建、兩岸地形高差大、高速、重載、大跨、高墩等技術難點。

2 結構布置

結合通航凈空尺度論證、橋位河段珍稀魚類保護區等控制因素，綜合考慮經濟性、施工便利性等，宜賓金沙江公鐵兩用橋主橋跨徑布置為(116+120+336+120+116) m，其中336 m主拱采用拱墩固結、拱梁分離的鋼箱系桿拱橋，120 m和116 m邊拱為混凝土簡支系桿拱橋。見圖1。

圖1 宜賓金沙江公鐵兩用橋總體布置

3 主橋結構設計

336 m跨主拱采用拱墩固結、拱梁分離的鋼箱系桿拱。拱肋采用鋼箱結構，與橋墩固結，拱軸線為拋物線，矢跨比為1/3.36，拱肋采用等高截面，高9 m，寬3 m。兩片拱肋橫向平行布置，中心線間距28.5 m，拱肋間采用“一”字形和“K”形橫撐連接。

上層鐵路橋面采用箱形邊主梁、縱橫梁體系的正交異性整體鋼橋面板。標準段主梁寬28.5 m，邊主梁高3.0 m，寬1.4 m，標準段長12 m。鐵路橋面通過剛性吊桿連接到拱肋上。

下層公路橋面采用工字形邊主梁形式的正交異性鋼橋面板。邊主梁的中心間距為28.5 m，外側布置4 m寬的挑臂，梁高2.6 m，標準節段長12 m。公路橋面通過柔性吊索連接在拱肋上。

剛性吊桿將鐵路橋面連接于拱肋上，順橋向間距12 m。剛性吊桿采用八邊箱形截面，高1.4 m，寬1.4 m。柔性吊索采用雙束布置，內穿于鐵路剛性吊桿并錨固在拱肋上，順橋向間距12 m，吊索采用PES7-55(109)低松弛鍍鋅高強鋼絲，標準強度fpk=1 670 MPa。

系桿采用高強度可換型鍍鋅鋼絞線索，布置在公路橋面的柔性吊索兩側。系桿規格為55φs15.2 mm，標準強度fpk=1 860 MPa，全橋共用32根。主墩采用鋼筋混凝土框架墩。成都側主墩高89.6 m，基礎采用28根φ3.4 m樁基礎；貴陽側主墩高98.1 m，基礎采用36根φ3.4 m樁基礎。

120 m和116 m邊拱采用混凝土簡支系桿拱，拱肋采用普通鋼筋混凝土結構，鐵路主梁采用預應力混凝土箱梁，公路主梁采用混凝土邊主梁結構。

4 設計關鍵技術

4.1 多跨雙層結構體系

國內外已建成的公鐵兩用橋均為公路布置在上層，鐵路布置在下層[3-11]。該橋橋址區兩岸地形高差大，如采用常規的合建橋梁，將公路設置在鐵路的上層，則大橋設計高程與成都側所接沿江道路高程高差約83 m，導致公路接線規模大，經濟性差。為解決大橋公鐵合建、兩岸地形高差大等技術難題，因地制宜地采用鐵路在上層、公路在下層的分離式雙層橋面拱橋新結構，兩層橋面高差32 m。

結合通航凈空尺度論證、橋位河段珍稀魚類保護區等控制因素，主橋采用多跨拱橋結構，跨度布置為：(116+120+336+120+116) m=808 m，如圖2所示。

圖2 宜賓金沙江公鐵兩用橋多跨雙層橋面結構(單位：m)

(1)336 m主拱支承體系

因336 m跨徑較大，對于系桿拱，混凝土等材料將造成系桿力大，結構較難實現，因此選擇鋼結構材料的拱肋和梁體。高速鐵路對行車舒適度要求高，對橋梁豎向撓度及梁端轉角均有嚴格限制，對于鋼結構簡支系桿拱橋，梁端轉角等無法滿足規范要求，而采用拱墩固結體系時，鐵路梁端轉角可以控制在1‰以下，滿足高速鐵路對行車安全與舒適性的要求。

如果采用拱、墩、公路梁一起固結，固結體系構造復雜，施工難度大，另外通過計算發現，拱梁墩固結體系中，公路主梁不僅未起到系梁的作用(承受拉力)，反而消耗了系桿拉力，致使系桿軸力及墩身剪力均有所增加，造成公路主梁截面、系桿截面以及墩身截面均有所增加，經濟性差。綜合考慮336 m主拱采用鋼箱拱肋與橋墩固結、公路梁分離的結構體系[12-20]。

(2)120(116) m邊拱支承體系

邊拱跨徑較小，采用混凝土材料的系桿拱較易實現。相比鋼結構材料的系桿拱，混凝土材料的系桿拱造價低，同時梁體剛度大，更利于高速鐵路對行車安全與舒適的要求。采用簡支系桿拱，具有受力明確，構造簡單，施工方便等優點，綜合考慮，120(116) m邊拱采用混凝土簡支系桿拱。

4.2 雙層橋面吊桿構造

國內外公鐵兩用橋較多采用整體式鋼桁梁方案，優點是梁體剛度大，不需要考慮吊桿的布置和錨固，缺點是兩層橋面相互干擾較大，同時不適合兩層橋面高差較大的橋梁。336 m跨鋼箱拱橋采用雙層橋面的拱橋方案，橋面間高差32 m，吊桿的選擇、布置、錨固對運營安全尤為重要。

為了滿足高速列車行駛安全性以及舒適性等要求，鐵路橋面吊桿選用剛度大、疲勞性能好、維護和施工簡單的八邊箱形截面的剛性吊桿。而公路與鐵路橋面相差32 m，如公路橋面選擇剛性吊桿則經濟性差，因此在滿足公路橋剛度的前提下，公路橋面吊桿選擇低松弛鍍鋅高強鋼絲的柔性吊索。柔性吊索為了結構安全和換索方便，采用雙束布置，標準強度fpk=1 670 MPa。剛性吊桿和柔性吊索的縱向間距均為12 m。

為了解決雙層橋面吊桿布置和錨固難的問題，大橋采用鋼箱剛性吊桿連接鐵路橋面、高強鋼絲柔性吊索連接公路橋面，將柔性吊索內穿剛性吊桿并獨立錨固在鋼拱肋的錨固體系。這樣的布置和錨固方式有以下優點：①減小了下層公路橋面和上層鐵路橋面運營的相互影響，使得鐵路和公路橋面運營更加安全和舒適；②剛性吊桿僅承受鐵路荷載，降低了鐵路剛性橋面吊桿疲勞破壞的概率；③鐵路橋面與公路橋面在活載作用下傳力明確，相互獨立，構造簡單，便于施工。見圖3。

圖3 雙層橋面吊桿構造

公路橋面與鐵路橋面分離，公路橋面獨立運營時，柔性吊索相對于剛性吊桿會產生相對位移，在運營中需要避免柔性吊索和剛性吊桿的刮擦碰撞所出現的安全隱患，經計算，各運營工況下柔性吊索與剛性吊桿的最大相對位移112 mm小于160 mm的預留空間，滿足運營安全需要。

4.3 雙層橋面吊桿構造

對于大跨度拱橋，常見的拱梁連接方式有：①在拱梁交接處拱肋間設置橫梁，主梁與橫梁通過固定支座連接，而另一側則用活動支座連接；②同樣在拱梁交接處設置橫梁，兩側主梁與橫梁通過大噸位阻尼裝置連接，同時增設防止橋面縱向漂移的軟約束。336 m跨鋼箱拱橋采用鋼箱拱肋與橋墩固結，公路梁分離的結構體系，橋梁的整體剛度較大，常見的拱肋與鐵路梁連接方式在溫度、制動力和活載作用下對鐵路橋面較短的剛性吊桿應力和疲勞問題均有較大影響。見圖4。

圖4 拱梁間連接構造

設計中采用水平鋼箱連桿連接拱肋與鐵路橋面，可以有效約束主梁縱向位移，改善由活載、溫度等帶來的短剛性吊桿的疲勞性能，同時能簡單明確傳遞列車制動力、替代傳統大噸位阻尼裝置，施工和養護更加便利。

4.4 拱墩固結段

336 m鋼箱拱橋采用拱墩固結體系。鋼箱拱肋與混凝土墩身的接頭受力大，構造復雜。設計要求鋼-混凝土接頭對各種荷載產生的軸力、彎矩、剪力等傳力順暢可靠，在荷載作用下有一定的承載安全儲備，剛度過渡良好，構造上力求減小應力集中。常見的鋼-混凝土接頭有直接承壓式和埋入式，直接承壓式主要是鋼結構的壓力通過底座承壓板擴散到混凝土，而彎矩引起的拉力則通過錨栓等施加的預壓力平衡；埋入式主要是通過埋入段鋼箱側壁的剪力釘將壓力轉變為剪力傳遞到混凝土結構，本橋拱腳受力主要以受壓為主，直接承壓式較埋入式傳力更均勻、更直接，鋼-混凝土接頭采用直接承壓式。

設計中在鋼箱拱和混凝土接觸面設置厚度為120 mm的承壓板，將拱肋壁板及加勁肋熔透焊接在承壓板上，通過承壓板將拱肋壁板及承壓加勁肋的壓力均勻傳至混凝土底座。并在鋼-混結合段采用M56的錨栓提供預壓力，錨栓一端錨固在混凝土橋墩內，另外一端錨固在鋼箱拱承壓加勁板與錨固墊板共同構成的錨梁上。

拱墩固結段構造復雜，采用模型試驗和有限元分析研究，拱墩固結段模型與實際固結段比例1∶6，模型制作、安裝和試驗時，采取將模型豎立，利用剪力墻、反力臺座和反力架提供反力的加載方式進行試驗，見圖5。

圖5 拱墩固結段模型加載試驗

試驗荷載采用等效的金沙江公鐵兩用橋拱墩固結段最不利彎矩和最不利軸力工況進行設計荷載加載和1.4倍超載加載，試驗中未出現混凝土結構宏觀開裂、鋼結構屈曲、結構位移突然增大等結構破壞跡象，鋼結構的應力水平小于Q370qE鋼的容許應力，混凝土結構的應力水平小于C50混凝土的容許應力。拱墩固結段有較大的強度、剛度和承載能力，結構設計合理、安全可靠。

4.5 正交異性板組合橋面鋪裝體系

目前已建成公路鋼橋面鋪裝方案多采用瀝青鋪裝。瀝青長期處于高溫、重載等條件下，鋪裝層容易出現車轍、縱向和橫向裂縫、坑槽等等病害，鋼橋面結構也容易疲勞開裂。

為解決大跨度鋼梁鋼橋面易疲勞開裂和瀝青混凝土鋪裝層易破損的典型病害難題，336 m鋼箱拱橋公路橋面應用正交異性鋼橋面板、底層超高性能混凝土和面層改性瀝青的組合橋面鋪裝體系，基于超高性能混凝土良好的力學性能及耐久性能，將配有鋼筋網的超高性能混凝土通過短剪力釘與鋼橋面板連接，形成組合橋面鋪裝體系，顯著提高鋼橋面板剛度，有效降低了鋼橋面的應力和疲勞開裂風險，同時大幅延長鋪裝使用壽命，節省投資和維養工作量。

4.6 抗風性能研究

大橋跨度大，橋墩高，橋梁的抗風問題較為關鍵。為了提高橋梁的抗風性能，336 m鋼箱拱橋主梁采用了氣動性能較好的封閉式箱梁斷面，極大地提高了其抗風穩定性。同時為了改善鐵路橋面剛性吊桿的渦振性能，設計中剛性吊桿采用八邊形截面，同時在吊桿內安裝了可抑制順橋向和橫橋向振動的減振器。對大橋進行了風洞模型試驗，試驗模型見圖6。主要研究結構動力特性分析、靜力節段、動力節段模型試驗、成橋狀態及施工階段氣彈模型試驗、吊桿風致振動風洞試驗、主墩處風場繞流特性分析等。

圖6 風洞模型試驗

試驗風速達90 m/s時未發生顫振穩定性問題，該風速已大于成橋狀態顫振檢驗風速49.2 m/s，其顫振穩定性滿足要求；成橋狀態在低于設計風速30.1 m/s之內沒有明顯的渦激振動發生，滿足舒適度的要求。

成橋狀態在設計風速下跨中截面的風致抖振響應位移見表1。

表1 成橋狀態跨中截面的風致位移均方根相應值

從表1可見，在成橋設計風速下，跨中截面的豎向位移、橫向位移和扭轉角均較小，滿足規范要求。

4.7 風-車-橋耦合動力研究

為了保障橋梁的動力性能和列車通過橋梁時的安全性和舒適性，對大橋進行了風-車-橋耦合動力分析。選用CRH3動車組列車，列車以200～300 km/h五種速度，風速25 m/s工況下通過大橋時的動力響應見表2和表3。

表2 不同運行速度下動車的響應

表3 不同運行速度下橋梁的響應

從表2和表3可看出， CRH3動車組列車以速度200～300 km/h通過橋梁時，橋梁結構的橫向撓跨比、豎向撓跨比、橫向加速度及豎向加速度、動力系數等均滿足要求。動車的脫軌系數、輪重減載率、輪對橫向力、橫向及豎向加速度均滿足要求，橫向、豎向舒適度指標均達到優秀水平，滿足行車的安全性和舒適性要求。

5 結語

成貴鐵路宜賓金沙江公鐵兩用橋根據兩岸獨特的地形地貌特征，創新地將高速鐵路布置在上層，公路布置在下層，且兩層橋面高差32 m，解決了公鐵合建、兩岸地形高差大、高速、重載、大跨、高墩等技術難題；采用公路柔性吊索內穿于鐵路剛性吊桿并獨立錨固于拱肋的新技術，解決了雙層橋面吊桿布置和錨固技術難題；采用水平鋼箱連桿連接拱肋與鐵路橋面新技術，改善了由活載、溫度帶來的短吊桿疲勞性能，同時施工方便；采用正交異性板、底層超高性能混凝土和面層改性瀝青的組合橋面鋪裝體系，降低了鋼橋面的應力和疲勞開裂風險。大橋于2013年12月開工建設，2019年6月通車運營，具有跨越能力強、公鐵橋面分離、整體剛度大等優點，較好地解決了艱險山區公鐵兩用拱橋的設計難題，該橋設計關鍵技術可為今后類似橋梁的建設提供參考。