350 km/h高速鐵路鋼-混混合連續剛構橋設計研究

孫宗磊 向律楷 劉何亮

(`.中國鐵路經濟規劃研究院有限公司， 北京 100845； 2.中國國家鐵路集團有限公司， 北京 100845;3.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

鐵路連續剛構橋主要以預應力混凝土連續剛構為主，預應力混凝土連續剛構具有結構剛度大、施工技術成熟、耐久性好等優點，同時具有跨越能力較小、梁體收縮徐變大等缺點。目前已建成的大跨度鐵路混凝土連續剛構橋有玉磨鐵路阿墨江特大橋，跨度為(116+212+116) m；襄渝增建二線牛角坪大橋，跨度為(100+192+100) m等。從既有工程實例來看，鐵路連續剛構的最大跨度為200 m左右，且軌道結構形式基本都為有砟軌道，梁體收縮徐變值也較大。而高速鐵路無砟軌道200 m左右跨度預應力混凝土連續剛構還未見實例，主要原因在于無砟軌道對于徐變變形要求較高，難以滿足高速鐵路橋梁設計規范的要求。近年來主要鐵路預應力混凝土連續剛構主要參數如表1所示[1]。

表1 近年來鐵路預應力混凝土連續剛構主要參數表

TB 10621-2014《高速鐵路設計規范》規定殘余徐變變形的限值為20 mm。從表1可以看出，殘余徐變變形普遍超過20 mm[2]。

為解決預應力混凝土連續剛構跨越能力較小、梁體收縮徐變大的問題，可采用了鋼-混凝土混合連續剛構，即在主墩及兩側一定區域采用混凝土梁形式，而主跨跨中區域和邊跨端部區域采用鋼箱梁形式，混凝土梁和鋼箱梁間設置鋼-混結合段。鋼-混凝土混合連續剛構與純混凝土連續剛構相比，具有梁高低、自重小、跨越能力大、建設工期短和收縮徐變小等優點[3]。

本文以廣州至湛江高速鐵路西江特大橋為例，詳細介紹350 km/h鋼-混混合連續剛構橋的設計研究。

1 工程概況

新建廣州至湛江高速鐵路西江特大橋，中心里程為DK 49+146.85。上距廣昆高速金馬大橋16.20 km，緊臨下游廣明高速富灣特大橋，距離約50 m。本橋與既有廣明高速富灣特大橋對孔布置，采用(109+2×200+109) m鋼-混凝土混合連續剛構。

橋位地處廣東省佛山市，跨越西江主航道，該處航道等級為I-(3)級。橋址區地形平緩，水域寬闊，水流較急，過往船舶很多。

區內上覆地層為第四系全新統人工填筑土(Q4ml)、第四系全新統沖積的(Q4al)淤泥質土、松軟土、粉質黏土、粉細砂、中粗砂，下伏基巖為上第三系(N)泥質粉砂巖、下第三系(E)泥質粉砂巖夾頁巖、石炭系下統巖關階(C1y)灰巖。測段地表大部分被土層覆蓋，厚度大，下伏基巖零星出露，未見明顯構造形跡。地震動峰值加速度為0.11 g，地震動反應譜特征周期0.4 s。橋區巖溶強烈發育，工程地質條件較差。

橋位處屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，氣候溫和，雨量充足。年平均氣溫22.5 ℃，1月最冷，平均氣溫13.9 ℃，極端最低氣溫曾達到-1.9 ℃；7月最熱，平均氣溫29.2 ℃，極端的最高氣溫曾出現過39.2 ℃。年降雨量 1 681.2 mm。年平均相對濕度為76%。

2 主要技術標準

廣州至湛江高速鐵路主要技術標準如表2所示。

表2 主要技術標準表

3 橋型方案比選

考慮技術成熟度、可靠性、施工組織、經濟性、地質條件等因素，本橋位合適的橋型方案有鋼-混混合連續剛構方案、矮塔斜拉橋及連續剛構拱橋方案。根據西江特大橋的建設條件以及上述分析，初步擬定3個橋型方案，方案比較如表3所示。

表3 橋型方案比較表

考慮橋梁方案施工難度、施工工期、橋梁總造價等各方面因素，選取(109+2×200+109) m鋼-混混合剛構橋作為推薦方案。

4 推薦方案細部比選

4.1 主墩結構型式

對于連續剛構橋，常用的墩型有矩形空心墩和雙薄壁墩。由于本橋主墩較矮，跨度較大，矩形空心墩在溫度及收縮徐變作用下將產生較大的彎矩，而雙薄壁墩由于橋墩剛度較低，在溫度及收縮徐變作用下產生的彎矩較小[4]。因此有必要對矩形空心墩和雙薄壁墩兩種方案進行研究。

(1)雙薄壁墩方案：雙柱中心距10 m，墩頂橫向寬12.5 m，縱向長2.5 m。縱向為直坡，橫向坡度為25∶1，主墩墩高均為41 m，承臺采用分離式承臺。細部構造如圖1所示。

圖1 雙薄壁墩立面圖(cm)

(2)矩形空心墩方案：墩頂橫向寬10 m，縱向長6 m。縱向為直坡，橫向外坡為25∶1，內坡30∶1，主墩墩高均為41 m，水面以上橋墩為矩形空心截面，水面以下為圓端形空心截面，細部構造如圖2所示。

圖2 矩形空心墩立面圖(cm)

對兩方案的內力及配筋計算進行對比分析，如表4、表5所示。

表4 最不利工況內力對比表

從表4可以看出，雙薄壁墩方案的橋墩內力遠小于矩形空心墩方案。這是因為雙薄壁墩的剛度比矩形空心墩小，溫度及收縮徐變產生的彎矩也相應小。

從表5可以看出，雙薄壁墩方案和矩形空心墩方案的最大鋼筋拉應力和裂縫基本一致，但是矩形空心墩方案的最大混凝土壓應力較大。

表5 配筋計算對比表

經過上述分析，可得到以下結論：

(1)采用雙薄壁墩方案，整體剛度較小，工程投資較小。

(2)采用矩形空心墩方案，整體剛度較大，工程投資較大，同時墩頂混凝土壓應力較大。矩形空心墩由于行洪阻水率指標控制，其墩身縱向(迎水面)尺寸僅為6.0 m，其截面高度與主梁相比差距過大，不協調，采用雙薄壁墩方案更合理。

4.2 鋼-混接頭位置的確定

鋼-混接頭位置是鋼-混凝土混合連續剛構受力的關鍵部位，原則上應設置在受力彎矩零點，由于橋梁受活載作用，要找到絕對的零點是不可能的。經研究，擬選定恒載+0.5倍活載彎矩受力為零點的彎矩附近。為此，進行不同鋼-混接頭位置的比選，包括跨中鋼箱梁長度分別為59 m、67 m、75 m和83 m 4種情況，為保證混凝土T構為對稱結構，邊跨鋼箱梁長度根據中跨鋼箱梁長度做相應調整。

綜上對比4個方案，中跨鋼箱梁長度取75 m，邊跨取47.2 m時，鋼-混接頭位置較接近彎矩零點，且接頭位置處的彎矩值較小，鋼箱梁長度設計較合理，選為推薦方案。

4.3 鋼結構區段結構型式

常見的鋼結構橋面有正交異性板橋面板、鋼-混組合橋面板及正交組合橋面板方案，正交異性板由于易疲勞且不宜與無砟軌道底座板直接連接，所以不適用于本橋。鋼-混組合梁方案和正交異性組合板都適用于本橋，但是由于正交異性組合板相對于鋼-混組合梁在抗震性能、施工費用、維修難度等方面具有優勢，且整體性更好，因此推薦采用正交異性組合板方案。

常見的混凝土橋面板縱向型式有連續、設斷縫兩種型式。由于鋼結構區段位于中跨跨中及邊跨端部，混凝土橋面板位于截面受壓區，因此混凝土板與鋼箱梁宜共同參與受力。另外，經計算，當混凝土板不參與整體受力時，梁端轉角為1.3‰>1‰，不滿足規范要求，故混凝土橋面板縱向連續，不設縱向斷縫，鋼箱頂板上通過剪力釘與混凝土橋面板連接成整體。

高速鐵路無砟軌道混凝土底座與鋼橋面板連接可根據軌道結構、橋梁主體結構特點通過鋼筋焊接、設置剪力鍵等措施實現，連接構造及設置位置既要適用混凝土板底座，滿足軌道結構受力及變形要求，又要符合橋梁主體結構的受力和構造要求。常見的軌道板底座與鋼橋面板的連接主要有剪力釘連接、焊接U形鋼筋連接、PBL剪力鍵連接、預埋鋼筋連接等方式，其中剪力釘連接和焊接U形鋼筋連接，需要在橋面上焊接，焊接工作對橋面板有很大損傷，且允許疲勞應力較小；PBL剪力鍵連接是在鋼橋面板上焊接鋼板，在鋼板上打孔穿鋼筋，這種方式仍然要在橋面上焊接，此方法實際應用較少；預埋鋼筋連接方式要在鋼橋面板上鋪1層混凝土，無需在橋面板上焊接，可避免損傷鋼橋面板，也可減少焊接疲勞問題。因此，本橋無砟軌道板底座和梁面的連接推薦采用預埋鋼筋方式，如圖3所示。

圖3 軌道板底座與梁面連接形式圖(mm)

5 推薦方案結構設計

5.1 孔跨布置

主橋結構采用4跨連續剛構，跨徑組合為：(109+2×200+109) m，支座中心距梁端的距離0.7 m，梁縫值0.3 m，主橋全長619.4 m。邊跨47.2 m段，中跨75 m段為鋼箱組合梁段，其余為預應力混凝土梁段，3個主墩與梁體固結，2個邊墩采用球形鋼支座的活動支座，如圖4所示。

圖4 鋼-混凝土混合連續剛構立面布置圖(m)

5.2 梁部

本橋梁部為鋼-混凝土組合剛構結構，中跨跨中75 m節段和邊跨端部47.2 m節段為單箱單室鋼箱組合梁，其余節段采用單箱單室預應力混凝土梁，預應力混凝土梁采用懸臂澆筑施工，鋼箱組合梁節段采用節段整體提升吊裝施工。

箱梁中支點處梁高15.0 m，端支點及主跨跨中處梁高7.2 m，中支點處(梁高15.0 m)等高段長12.0 m，主跨跨中(梁高7.2 m)等高段長75 m，邊跨梁端(梁高7.2 m)等高段長47.2 m，其余部分梁底曲線按二次拋物線變化，箱梁橋面寬12.6 m，箱寬10 m。梁部橫斷面如圖5、圖6所示。

圖5 混凝土箱梁橫截面圖(mm)

圖6 鋼-混組合梁橫截面圖(mm)

(1)混凝土梁

混凝土梁為單箱單室、變高度、變截面箱梁，梁體全長125 m，梁高7.2～15.0 m；主墩支點處12.0 m梁段為等高梁段，梁高為15.0 m，其余梁段梁底下緣按二次拋物線Y=7.2+7.8X2/56.52(m)變化，其中以14號或52號截面頂板頂為原點，X=0～56.5(m)。箱梁頂板寬12.6 m，箱底寬10.0 m。頂板厚67 cm；底板厚50～120 cm，在梁高變化段范圍內按拋物線變化；腹板厚60～120 cm，按分段線性變化。梁體在主墩處設橫隔板，橫隔板中部設有孔洞，以利檢查人員通過。

(2)鋼箱梁

鋼箱梁為單箱單室、等高度、等截面箱梁，邊跨梁體長47.2 m，中跨梁體長75 m。中跨鋼箱梁頂板上鋪設25 cm厚混凝土板，鋼梁頂板上設有剪力釘，頂板、腹板和底板厚度為16 mm；邊跨鋼箱梁頂板和底板上均鋪設25 cm厚混凝土板，鋼梁頂底板上設有剪力釘，頂板和腹板厚度為16 mm，底板厚度為28 mm；支座位置截面設橫隔板，板上僅開設人洞，橫隔板厚度為12 mm；梁體縱向每6 m設1道橫隔肋，每2道橫隔肋間設2道加勁肋，間距2 m，頂板上設0.7 m高橫梁，腹板上設0.6 m寬加勁肋，底板上設0.7 m高加勁肋，橫隔肋和加勁肋厚度均為12 mm；腹板上設3道橫肋，間距為0.9 m和1.2 m，橫肋厚10 mm；底板上設 5道縱向加勁肋，間距為1.7 m，厚10 mm；頂板上設U肋，U肋橫向間距0.9 m，厚8 mm。

(3)鋼-混接頭

目前,橋梁結構中使用的鋼-混凝土接頭大致有鋼板式、填充混凝土前板式、填充混凝土后板式3種[5]。經調研，填充混凝土后板式構造剛度過渡較好，應力傳遞比較順暢，應力擴散比較緩和，更為合理。因此本橋采用填充混凝土后板式的鋼-混凝土接頭，如圖7、圖8所示。

圖7 西江特大橋鋼-混接頭平面圖(mm)

圖8 西江特大橋鋼-混接頭截面圖(mm)

通過將鋼箱梁端部的頂板、底板和腹板做成雙壁板，將填充的混凝土與緊鄰的混凝土箱梁段的頂板、底板和腹板通過PBL剪力鍵、預應力筋、普通鋼筋等連接，再稍往前延伸將其與混凝土橫隔板連接，預應力筋錨固在混凝土箱梁的齒塊和鋼箱梁的橫隔板上，鋼箱梁內的預應力筋采用預應力管道進行錨固。

西江特大橋為連續剛構橋，在荷載作用下，鋼-混凝土接頭主要承受彎矩和剪力作用。為使鋼-混凝土接頭混凝土結構在彎矩作用下不產生拉應力，設計采用大量的局部預應力筋，使鋼-混凝土接頭區段有較大的軸力。在接頭部位設計考慮了足夠的壓力儲備，增加局部預應力束。為了局部預應力在接頭部位能充分發揮作用，需保證局部預應力產生的軸向力通過鋼箱梁截面傳遞給鋼-混接頭結合面處的承壓板，使承壓板上預應力軸向力均勻分布。

5.3 主墩及基礎

主墩采用C40混凝土，雙薄壁墩，雙柱中心距10 m，墩頂橫向寬12.5 m，縱向長2.5 m。縱向為直坡，橫向坡度為25∶1，主墩墩高均為41 m。

主墩采用C40混凝土分離式承臺，即各墩柱單獨設置承臺，承臺尺寸為30.7 m(長)×9.15 m(寬)×4 m(高)。主墩基礎采用C40混凝土，均采用鉆孔柱樁基礎，樁基直徑2 m，采用34根，梅花式布置。

5.4 邊墩及基礎

本橋邊墩均采用圓端形空心墩，承臺采用矩形承臺，尺寸為12.8 m×23.5 m×4 m。樁基礎采用直徑1.5 m的鉆孔柱樁，梅花形布置，共17根。

5.5 指導性施工方案

針對本橋的特點，提出如下施工方案：(1)施工樁基、承臺及橋墩等下部結構；(2)用掛籃對稱懸臂澆筑混凝土梁段；(3)先合龍邊跨，施工邊跨臨時支墩，分兩段吊裝邊跨鋼梁，在臨時支墩上焊接成整體后與混凝土梁段連接為一體；(4)合龍中跨，即同步起吊兩個中跨的鋼箱梁，為保證中主墩混凝土梁段的平衡，架梁吊機需要安裝多點同步提升系統，保證每臺架梁吊機的受力一致；中跨鋼箱梁提升到位后，先與混凝土梁段臨時連接，再與鋼-混接頭焊接成為整體，至此，全橋合龍；(5)施工鋼箱梁梁上面的混凝土橋面板，為減小混凝土的收縮徐變對結構的影響，混凝土橋面板采用預制+現澆濕接縫的形式，即先預制混凝土板，存放一段時間后，再將預制混凝土板安裝在鋼箱梁上，然后現澆濕接縫，將混凝土板連接為整體；(6)施工橋梁附屬設施。

6 推薦方案主要計算結果

6.1 主要計算結果

(1)位移

列車豎向靜活載作用下的主跨跨中梁體豎向撓度為81.9 mm，撓跨比為 1/2 443；列車豎向靜活載作用下梁端轉角0.89‰；在列車橫向搖擺力、離心力、風力機溫度作用下，主跨跨中梁體水平位移為21.1 mm，撓跨比為 1/9 465；軌道鋪設完成后梁體的徐變變形主跨跨中為-12.43 mm。上述位移指標均滿足規范要求。

(2)梁部應力

運營階段，最不利工況下混凝土梁頂板最小壓應力為-1.4 MPa，底板最小壓應力為-1.4 MPa，頂板最大壓應力為-13.3 MPa，底板最大壓應力為-12.3 MP；鋼箱梁頂板最大壓應力為-75.1 MPa，底板最大拉應力為199.0 MPa，應力均滿足規范要求。

(3)橋墩計算結果

運營階段，最不利工況下邊主墩頂最大名義應力為-10.9 MPa，墩底最大名義應力為-8.0 MPa;中主墩頂最大名義應力為-8.4 MPa，墩底最大名義應力為-6.3 MPa。

布置φ32鋼筋，2根1束，間距 125 mm，計算結果如表6所示。

表6 最不利工況下橋墩檢算匯總表

從表6可以看出，最不利工況下雙薄壁墩墩頂墩底的混凝土應力，鋼筋應力和裂縫寬度均滿足規范要求。

6.2 無砟軌道適應性

佛山特大橋跨西江主橋自振特性計算結果如表7所示。

表7 佛山特大橋跨西江主橋自振特性計算結果表

為判斷高速列車通過橋梁時運行的安全性及舒適性，進行了車橋耦合動力分析[6-7]。采用國產CRH3動車組，16輛編組，速度等級160～420 km/h，軌道不平順采用德國低干擾軌道譜，為考慮溫度計及徐變對軌道不平順的影響，將溫度計徐變變形與德國低干擾譜疊加，作為軌道高低不平順。車橋耦合動力分析表明，列車以160～420 km/h運行時，西江橋的動力性能均滿足要求，列車的運行安全性有保證，乘坐舒適性均達到“良好”以上。

另外，由于列車豎向靜活載作用下梁端轉角0.89‰，小于無砟軌道橋梁梁端轉角限值1‰；主跨跨中為-12.43 mm，小于殘余徐變變形限值20 mm。

由此可知，軌道的平順性滿足列車安全性及舒適性要求，結構變形值滿足無砟軌道的要求，說明本橋結構與無砟軌道具有較好的適應性。

7 結論

本文以廣湛鐵路西江大橋為例，開展了相關研究，得出以下主要結論：

(1)根據廣湛鐵路西江橋的橋位特點，比選了鋼-混混合連續剛構、矮塔斜拉橋及連續剛構拱橋等方案，考慮橋施工難度、施工工期、橋梁總造價等各方面因素，選取(109+2×200+109) m鋼-混混合剛構橋作為推薦方案。

(2)由于本橋橋墩較矮，矩形空心墩相比雙薄壁墩方案彎矩更大且混凝土的壓應力過大，因此推薦本橋橋墩采用雙薄壁墩。理論上鋼-混接頭位置選取在彎矩零點較為合適，根據計算中跨鋼箱梁長度取 75 m，邊跨取47.2 m時，彎矩較為接近彎矩零點。為解決正交異性板由于易疲勞且不宜與無砟軌道底座板直接連接的問題，鋼結構區段采用正交異性組合板，混凝土板全橋連續，通過剪力釘與鋼箱梁連接，參與整體受力。

(3)靜力計算結果表明各項指標均滿足規范要求，車橋耦合動力分析結果表明列車的安全性有保證，舒適性達到良好以上。

廣湛鐵路西江特大橋工程設計表明，鋼-混混合連續剛構橋具有梁高低、自重小、跨越能力大、建設工期短等優點，能夠有效解決大跨連續剛構橋殘余徐變值較大的問題，各項計算指標均能滿足規范要求。橋型方案結構形式新穎，切實可行。