遵瓮铁路湘江大桥主桥桥式方案研究

陈 平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 工程概况

遵义至瓮安铁路在瓮安县内跨越湘江，桥址范围主要以山脉和河流为主，山脉的山势陡峭，地势较高，线路与水流方向垂直，在瓮安县境内流域面积66.2 km2，设计水位由位于乌江上的构皮滩水电站控制，百年设计水位630.5 m；场地抗震设防烈度为6度，地震动峰值加速度0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35 s。

地质调查及钻孔显示，桥址区地层主要为第四系全新统残坡积(Q4el+dl)粉质黏土，基本承载力σ0=180 kPa；灰岩，弱风化，基本承载力σ0=800 kPa。

本桥全长约1.1 km，桥址处纵断面呈“V”形，河谷底距离轨面约300 m，桥梁在此处跨越难度大。

2 主要技术标准

(1)线路等级：Ⅱ级铁路。

(2)正线数目：单线，有砟轨道。

(3)设计速度：120 km/h。

(4)设计活载：中-活载。

(5)抗震设防烈度：6度。

3 桥式方案设计

根据桥址地形地貌及底层稳定边坡线，参考了国内外铁路桥梁的设计经验，充分考虑了单线铁路横向刚度、稳定性等受力特性，在保证结构形式合理、施工方便的前提下，提出了钢桁梁斜拉桥及上承式拱桥两种方案，现分别论述如下[1-2]。

3.1 钢桁梁斜拉桥方案

桥址处湘江无通航运输条件，整孔箱梁无运输条件，且桥面距离谷底约280 m，大吨位吊装施工无可操作性，故提出采用钢桁梁斜拉桥方案[3-6]。

(1)结构体系

斜拉桥孔跨组成为(75+112.5+375+112.5+75) m双塔钢桁梁斜拉桥，为半漂浮体系，塔墩固结，塔梁分离，在两个边跨约1/3位置设置辅助墩，结构总体布置见图1。

图1 钢桁梁斜拉桥方案总体布置(单位：cm)

(2)主要结构尺寸

①桥塔

考虑结构受力需要，施工条件等因素，该桥选用H形索塔桥塔。桥塔由上、中、下塔柱及上、中、下横梁共6部分组成，桥面以上塔高125 m，塔高与主跨比为1/3，塔柱采用矩形空心截面，上塔柱顺桥向尺寸为7.0 m，中下塔柱为7.0～12.0 m；上、中塔柱横桥向尺寸为4.5 m，下塔柱横桥向尺寸为9.0 m；上横梁高5.0 m，宽6.5 m，中横梁高5.0 m，宽8.4 m，下横梁高5.0 m，宽10.0 m，上、中、下横梁均布置预应力索。

②主梁

主梁为平行弦钢桁梁，桁式为“N”形，2片主桁，主桁中心距15 m，桁高15 m，节间长度为12.5 m，主桁采用焊接整体节点形式，最大板厚44 mm。

主桁上、下弦均采用箱形截面，弦杆内宽1 000 mm，上弦高1 300 mm，板厚24～40 mm；下弦高1 400 mm，板厚24～44 mm；根据结构受力特点，腹杆采用箱形和H形两种截面，箱形杆件外宽1000 mm，板厚30～40 mm，H形杆件外宽1 000 mm，板厚30～40 mm。

桥面系采用正交异性钢桥面板，由纵肋、横梁及钢板组成，桥面设厚度8 mm的U肋，U肋横向间距600 mm，在线路轨道之下设倒T形纵梁，顺桥向每隔3.125 m设置一倒T形横梁，横梁高度为1.4～2.0 m。钢桁梁斜拉桥方案横断面如图2所示。

图2 钢桁梁斜拉桥方案横断面(单位：mm)

③斜拉索

斜拉索采用高强钢丝斜拉索，为双索面布置，全桥共设52对斜拉索，斜拉索规格为PES7-139，PES7-151，PES7-163，PES7-211。梁上索距离为12.5 m，塔上索距为2.5 m，最外侧拉索水平夹角为30.8°。

④基础

主塔位置地面覆土深约6 m，综合地质条件，采用40φ2.5 m钻孔灌注桩基础，桩基按照柱桩设计，桩长为14 m，按照行列式布置；承台高6.0 m，横桥向尺寸42.5 m，纵桥向尺寸26.0 m。

(3)施工方案

①施工基础；

②采用爬模方式施工索塔；

③钢桁梁杆件采用工厂预制、现场悬臂拼装的方式，边挂设斜拉索边施工主梁；

④最后成桥，本方案计划工期约32个月。

(4)主要计算结果

钢桁梁斜拉桥方案结构整体计算模型见图3。

图3 钢桁梁斜拉桥方案结构整体计算模型

主要计算结果如下。

①挠度：桥梁活载挠度45.7 cm，挠跨比1/820。

②梁端转角：0.48‰。

③主梁应力：主梁最大压应力180 MPa，最大拉应力120 MPa。

④斜拉索应力：斜拉索最大拉应力值为552 MPa，最小拉应力值为401 MPa。

3.2 上承式拱桥方案

(1)结构体系

上承式拱的拱趾跨度375 m、矢高105 m、拱轴系数3.0，桥全长500.5 m，中部拱梁一体部分长101 m，两侧为(50+50) m T构+3孔32 m简支T梁，T构墩高99.813 m，拱上立柱最高墩高50.9 m，全桥立面布置见图4[7-10]。

图4 上承式拱桥方案总体布置(单位：cm)

(2)主要结构尺寸

①拱肋构造及主要结构尺寸

拱轴线为悬链线，拱轴系数m=3.0。拱肋中心跨度为375 m，矢高105 m，矢跨比1/3.571，拱肋横向内倾6.5°，拱肋拱脚处中心距为30.426 m，拱顶处中心距为6.5 m。拱肋采用等宽变高截面，拱肋高度在拱脚处13 m、拱顶处7.0 m，宽度为4.0 m；每片拱肋由4肢φ1 500 mm，壁厚24～35 mm的钢管组成，横向拱管之间由缀板连接，钢管及缀板内灌注混凝土。拱肋在靠近拱脚长度45 m范围内(水平距离)为实腹段，上、下弦管之间设置两块腹板形成腹腔，腹腔内灌注混凝土;拱肋空腹段上下弦杆之间通过H形腹杆连接，腹杆高度及宽度均为600 mm，桁架节点水平中心距为5.45 m；本桥共设21道横撑，横撑均为“一”字形，横撑主管直径900 mm，壁厚20 mm，支管直径500 mm，壁厚16 mm。其中两侧靠近拱脚的2道为四肢桁架结构，其余为双肢结构，2根横撑主管连接拱肋上下弦内管，横撑上下主管以竖向斜杆连接。拱顶101 m范围采用π形刚架，共分为10联。主拱肋拱截面如图5所示。

图5 上承式拱桥方案肋拱顶及拱脚处截面(单位：cm)

②拱上立柱结构

拱上立柱采用钢管混凝土结构，钢管直径2 000 mm，钢管壁厚32 mm，钢管内灌注混凝土，墩柱横向内倾6.5°，两钢管之间采用弦管连接。拱上共6个立柱，拱上最高立柱高50.9 m，最低立柱高11.6 m。

③拱上T构连续梁

拱两边为(50+50) m T构，拟定根部梁高5.5 m、端部梁高2.5 m，底板厚度为40～70 cm，顶板厚度为40 cm，腹板厚度为45～80 cm。

④拱座

T构主墩及拱肋基础都作用在拱座上，其纵向外轮廓长25 m，横向宽40.0 m，外轮廓高20.0 m，按“明挖基础”设计，并进行最不利组合。

(3)施工方案

①施工基础；

②采用爬模施工的方式施工T构主墩；

③桥址两岸设临时塔，钢管拱采用缆索吊装、斜拉扣挂悬臂拼装法施工；

④拱上立柱采用先安装钢管后灌注混凝土的施工方式；

⑤T构主梁采用悬臂浇筑，拱上简支T梁采用预制架设，“π”形框架采用拱上立模现浇的施工方式；

⑥最后成桥，本桥方案计划工期约32个月。

(4)主要计算结果

上承式拱桥方案结构整体计算模型见图6。

主要计算结果如下。

图6 上承式拱桥方案结构整体计算模型

①挠度：桥梁活载挠度41 mm，挠跨比1/9 052。

②梁端转角：1.4‰。

③拱肋应力：拱肋钢管最大压应力值为101 MPa，拱肋钢管全部处于受压状态；拱肋钢管内混凝土最大压应力值16.1 MPa，混凝土最大拉应力值1.8 MPa，未超过规范容许值。

4 方案比选

从景观、经济性、施工难度等方面对以上两种桥式结构方案综合比选，比选结果见表1[11-13]。

表1 主桥方案比选

综上所述，1-375 m拱桥方案孔跨合理，主桥长度较短，造价经济，结构造型美观、景观效果好，施工技术成熟，风险小，故1-375 m上承式拱桥为湘江特大桥的推荐桥形方案[14-15]。

5 结语

对湘江特大桥通过从结构受力、工程投资、施工难度、景观性等方面对钢桁梁斜拉桥和上承式拱桥综合比选得知，结合本桥建设条件，上承式拱桥有明显的优势，推荐1-375 m上承式拱桥作为本桥首选方案。

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