高速鐵路跨越京杭運河水上服務區連續梁拱設計

陳 杰

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海市 200070）

1 概 述

京杭運河鎮江服務區全長約1 km，連鎮高鐵在京口工業園區穿越京杭運河服務區的綜合樓與遠調樓（見圖1），大運河與高鐵兩張中國名片在此深度融合。高鐵跨運河橋梁設計需要考慮航道、防洪、水上服務區、景觀等因素。本文介紹了連鎮高鐵跨越京杭運河Ⅲ級航道連續梁拱橋梁設計，可供同類橋梁設計借鑒參考。

圖1 跨越蘇南京杭運河（76+136+76）m 連續梁拱成橋照片

2 總體設計

連續梁拱橋梁具有高度低、跨度大和外形美觀的優點，在鐵路橋梁設計中得到了越來越廣泛的應用[1-10]。連鎮鐵路設計速度250 km/h，跨點處航道凈寬90 m、凈高7.5 m，采用（76+136+76）m 連續梁拱主跨一跨跨越航道，邊跨跨越服務區和城市道路，如圖2 所示。主橋距離大港制梁場10 km，距離接軌站約14 km。由于受城區制梁場布置限制，連續梁拱之后還有377 孔預制簡支梁需要通過連續梁拱運梁，因此本橋成為全線控制工期的大通道，橋面需加寬運梁。

圖2 京杭運河（76+136+76）m 連續梁拱橋梁立面（單位：cm）

2.1 主梁

主梁全長289.5 m，中支點梁高8.0 m，跨中和邊跨直線段梁高4.5 m，梁高按圓曲線變化，邊支座中心線至梁端0.75 m，主梁橫斷面圖如圖3 所示。

圖3 主梁中支點、跨中橫斷面布置圖（單位：cm）

橋面頂板寬16.0 m，底板寬12.4 m。頂板厚40 cm梁端和中墩處頂板加厚至70 cm。底板厚35～80 cm。腹板厚40～50～60 cm，跨中至支點折線變化。對應拱腳處腹板局部加厚130 cm。

箱梁底板下緣和上緣均采用圓曲線，下緣半徑R=449.75 m，上緣半徑R=515.623 m。全聯在中跨跨中、端支點、中支點和吊點處共設置19 道橫隔板，端支點和中支點的橫隔板厚度分別為1.4 m、3.0 m，吊點處橫隔板厚度為0.4 m。為方便養護人員通過，橫隔板和橋墩處底板設有進人孔。

2.2 拱肋

拱肋矢跨比為1/5，計算跨度為136 m，矢高為27.2 m，拱軸線為二次拋物線，設計拱軸線方程：Y=-1/170X+0.8X（坐標原點取拱軸線和支座中心線的交點）。在拱頂設置最大8 cm 的預拱度，施工矢高f=27.28 m。拱肋實際施工均采用施工拱軸線制作和拼裝。

拱肋設計成啞鈴形，截面如圖4 所示。拱肋總高2.8 m，鋼管直徑為0.8 m，腹板寬0.55 m，采用C50 微膨脹混凝土灌注腹腔、上下鋼管、兩肋橫向中心距14.1 m。

圖4 拱肋截面（單位：cm）

全橋共設6 道K 撐（直徑0.6 m 的圓形鋼管，斜撐截面采用直徑0.45 m 的圓形鋼管）、1 道一字撐（直徑0.6 m 的圓形鋼管）。

2.3 吊桿

全橋共設吊桿14 對，縱向間距為8 m，單側14根。吊桿采用低應力防腐平行鋼絲束（PES（FD）7-109 型），外側套復合不銹鋼管，采用冷鑄鐓頭錨。吊桿上端、下端分別錨于拱頂、橋面。

2.4 橋墩與基礎

兩個圓端型主墩墩高分別為15 m、8 m，橋墩縱橋向4 m、橫橋向15.1 m，承臺縱橋向15.8 m、橫橋向20 m、厚4.5 m，20 根直徑2 m 鉆孔灌注樁，樁長分別為42.5 m、49 m。服務區橋墩緊鄰綜合樓與遠調樓房屋基礎，采用鉆孔樁圍護施工承臺。運河東岸主墩采用鉆孔樁圍護，并在靠航道側設置臨時防撞墩，水邊施工作業平臺。施工完成后按照服務區要求進行恢復。鄰近鐵路駁岸邊坡采用生態混凝土預制塊護砌。

2.5 施工步驟

（1）本橋用掛籃懸澆主梁，先合龍邊跨，再合龍中跨。

（2）橋面少支架拼裝鋼管拱肋，泵送拱肋上下弦管和綴板內混凝土。

（3）按順序張拉各吊桿。

（4）吊桿力調整后施工橋面系。

（5）吊桿力調整至設計索力后完成施工。

3 結構計算

3.1 主梁

3.1.1 主梁應力

全橋空間結構分析共分為682 個節點，420 個單元，模型如圖5 所示。主梁各階段正應力計算結果見表1，主梁抗裂和強度計算結果見表2，均滿足規范要求。

圖5 結構計算模型

表1 主梁正應力計算結果

表2 主梁抗裂及強度計算結果

3.1.2 主梁撓度

雙線靜活載作用下，邊跨撓度值為14.6 mm，為邊跨的1/5 205，小于L/1 400=54.3 mm。中跨撓度值為24.3 mm，為中跨的1/5 597，小于L/1 400=97.1 mm。ZK 靜活載作用下，梁端轉角為0.7‰，小于2‰，梁的徐變上拱值應嚴加控制。線路鋪設后，梁的徐變上拱值為7.8 mm，小于20 mm，均滿足規范要求。

3.2 拱肋

運營情況下計算結果見表3。恒載、靜活載及其他荷載作用下，拱肋面外穩定。一階線彈性屈曲系數為10.6，二階線彈性屈曲系數為13.0，三階線彈性屈曲系數為10.94，四階線彈性屈曲系數為12.30，五階線彈性屈曲系數為13.51。面內穩定安全系數計算值為5.45，均滿足規范要求。

表3 鋼管混凝土拱肋計算結果 單位：MP a

3.3 吊桿

在主力作用下，吊桿最大拉應力為320 MPa，最小拉應力為90 MPa。在主力+ 附加力作用下，吊桿最大拉應力為355 MPa，最小拉應力為68 MPa。在運梁車作用下，吊桿最大拉應力為254 MPa，最小拉應力為45 MPa。強度安全系數K 大于2.5，活載作用下吊桿的最大應力幅為129 MPa。

3.4 橫向受力計算

主梁橫向受力分無吊桿區和有吊桿區開展[11-12]。無吊桿區沿縱向取單位長度主梁簡化成腹板底端支承的橫向框架模型計算。有吊桿區域沿橋縱向取吊點橫梁翼緣板的有效寬度，簡化成腹板下緣支承的框架，吊點處加豎向集中荷載計算。

4 橋梁景觀設計

蘇南運河運量大、船舶密度高，鎮江水上運河服務區是蘇南運河水運行業形象的重要窗口，是航道上一道亮麗的風景線。高鐵是中國的一張亮麗名片，高鐵橋梁建設需要結合周圍環境和橋梁自身特點形成人文造景。橋梁景觀設計主要研究了如下內容：

（1）橋梁是單方向延伸結構，采用連續梁拱結構，線條流暢，變化豐富，輕盈優美，體量與環境協調。

（2）連續梁拱鋼管拱、橫撐、斜撐和吊桿錨箱的涂裝顏色采用孔雀藍，橋梁色彩與藍天、碧水渾然一體。

（3）結合運河文化特點，以船帆和波浪為要素，橋梁欄桿采用點綴景觀欄片+ 波形欄片，形成千帆競渡、乘風破浪的動感意象和美好寓意。

鐵路運營后橋梁現場照片如圖6 所示。

圖6 跨越京杭運河水上服務區連續梁拱實景

5 結 語

（1）連鎮高鐵采用連續梁拱跨越鎮江京杭運河水上服務區橋梁跨越能力大，結構高度低，“先梁后拱”施工，橋面加寬滿足運梁通道施工工期，確保了全線關鍵控制節點的順利實施。

（2）連續梁拱的拱肋分擔了部分恒載和活載，有效地降低了主梁截面高度，動力性能和豎向剛度都較好，能適應高標準鐵路橋梁建設的需要。

（3）通過本橋連續梁拱的工程應用，將高鐵橋梁與京杭大運河水上服務區成功融合。橋梁景觀設計和建設反映了地域特色和時代特色。