武廣客運專線橋梁結構類型和特點

劉忠平，曾 敏

(1.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031;2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 概述

武廣客運專線位于湖北、湖南、廣東三省境內，北起武漢市的灄口站，南至廣州市廣州南站，正線全長995 km，線路走向與既有京廣鐵路武漢至廣州段基本一致，從北往南主要經過咸寧、岳陽、長沙、株洲、衡陽、郴州、韶關、清遠、佛山，最后到達廣州。武廣客運專線穿越我國中南部山區和長江水系及珠江水系的分水嶺，沿線水流發育，工程地質復雜，橋梁占線路比重達41.2%，全線上共有各類橋梁662座，總長約410 km。全線主要橋梁還有東湖特大橋、胡家灣特大橋、滬蓉高速公路特大橋、梁家灣特大橋、汀泗河特大橋、株洲西湘江特大橋、衡陽湘江特大橋、西華海特大橋、跨環城高速特大橋等［1］。

2 橋梁設計技術標準

我國高速鐵路的規劃、設計、研究工作始于20世紀90年代，相對高速鐵路發達的國家來說起步較晚［2］。武廣客運專線的主要技術標準，是通過借鑒國外高速鐵路設計資料和參考已建成的秦沈客運專線來確定，具體如下。

(1)采用洪水頻率:橋涵均為1/100;

(2)設計活載:ZK活載;

(3)設計速度:350 km/h;

(4)正線數目和間距:一次雙線;正線線間距5.0 m;圖1為武廣客運專線橋梁橋面一般構造圖;

(5)軌道形式:正線軌道按一次鋪設跨區間無縫線路設計，并以無砟軌道為主;

(6)建筑限界:客運專線限界標準執行《京滬高速鐵路設計暫行規定》;通航河流橋下凈空按照國家《內河通航標準》規定并參照既有相鄰建筑物實際凈空辦理;跨越城市公路、道路立交橋下凈空執行《公路工程技術標準》及《城市道路設計規范》，條件可能時宜留一點余量。

圖1 橋面構造(單位:mm)

3 橋跨結構設計特點

橋跨的結構形式主要采用中鐵工程設計咨詢集團有限公司為300 km/h至350 km/h客運專線橋梁設計的系列結構形式通用參考圖，跨徑形式有:24 m(梁高2.4 m和3.0 m)、32 m、40 m預應力混凝土雙線簡支箱梁;2×24 m、2×32 m、2×40 m、3×24 m、3×32 m 預應力混凝土雙線連續梁;(24+32+24)m、(32+48+32)m、(40+56+40)m、(48+80+48)m預應力混凝土雙線連續梁;(40+50+40)m、(40+56+40)m鋼-混凝土雙線連續結合梁;(12+16+12)m、(16+20+16)m、(16+24+16)m、(16+3×24+16)m、(18+24+18)m、(18+3×24+18)m鋼筋混凝土雙線剛構連續梁;96 m簡支下承式桁梁結合梁［9］。不同跨度結構形式具體布置原則如下。

(1)小跨度橋梁一般采用32 m、24 m簡支箱梁或連續箱梁，具體布置時以32 m跨為主，24 m跨為輔。除受控制點影響外，盡量按等跨布置，一座橋梁盡可能以同一梁跨布置。對于特長橋必須采用2種及以上常用跨度梁時，相同梁跨都盡量集中布置。統計了本線具有代表性的37.5 km路段上18座大中、特大橋，其橋梁類型見表1。

表1 橋梁類型及比例統計

(2)中等跨度橋梁采用40～80 m的連續梁橋，用以跨越一般等級公路、普通鐵路和小河支流。如南環線特大橋以兩聯跨度(32+48+32)m的連續梁跨越老武黃公路和南環鐵路;滬蓉高速公路特大橋以兩聯跨度(40+56+40)m的連續梁跨越南環路和關風路;流芳特大橋以(70.5+72+40.75)m的連續梁跨流芳鎮南環路。

(3)特大橋橋梁用在跨越高速公路主干道和河流主河道。如:與滬蓉高速公路立交的滬蓉高速公路特大橋主跨采用(60+100+60)m預應力混凝土連續梁;與京珠高速公路立交的梁家灣特大橋的主跨采用了112 m下承式鋼管混凝土提籃拱橋;跨越湘江的衡陽湘江特大橋和株洲西湘江特大橋的主跨分別采用了(64 m+4×116 m+64 m)和(60 m+5×100 m+60 m)預應力混凝土連續梁。

4 橋梁下部結構設計特點

小跨度是指跨度為24、32、40 m簡支梁和2×24、2×32、2×40、3 ×24、3 ×32 m 連續梁。這種跨度橋梁的主梁設計一般采用通用參考圖，而基礎目前卻沒有標準圖可用。下面介紹武廣客運專線上這種小跨度橋梁墩臺和基礎的設計情況。

(1)橋墩設計:當墩高為6～20 m時，采用鋼筋混凝土空心橋墩(水中采用圓端型橋墩，旱橋采用矩形橋墩)，當墩高為4～6 m時，則采用實體墩。橋墩墩身截面尺寸見表2。若墩高＞15 m時，墩身尺寸根據計算放坡。為施工方便，墩身一坡到底。同一墩上，等梁高的簡支梁支座高差用支承墊石調整，不等梁高的簡支梁支座高差通過墩頂實體段調整?？瓦\專線上還有部分墩高大于20 m，其截面設計視墩身具體高度而確定。

表2 武廣客運專線橋墩墩身尺寸

(2)橋臺設計:采用雙線矩形空心橋臺。橋臺前墻橫橋向寬7.2 m，后墻中間2.8 m內被挖空，兩側各留2.2 m，胸墻在挖空心部分設欄桿。

(3)基礎設計:基礎采用鉆孔樁基礎或擴大基礎。當基坑開挖深度大于5 m時，采用樁基礎。

樁基一般選擇承載力較高的巖層、砂卵石層作為持力層。水文橋根據水文、地質資料，計算墩臺基礎沖刷以確定埋置深度及樁基自由長度。城市道路立交橋基頂或承臺頂高程結合管線分布情況綜合考慮。鉆孔樁有 φ1.0 m、φ1.25 m 和 φ1.5 m 三種。其單位長度材料用量見表3。

表3 不同樁徑工程數量

(4)基礎施工圍堰類型:一般視施工水深和地質情況選用草袋圍堰筑島、打入鋼板樁或套箱圍堰等。例如:東湖區域內的橋墩均采用鋼板樁或套箱圍堰施工以減少對市區環境、東湖風景區的影響，位于既有鐵路、公路(城市道路)或管線附近的橋涵采用打入鋼板樁防護。

5 典型特殊橋跨結構設計

武廣客運專線上特殊橋跨結構形式主要有預應力混凝土連續梁、預應力混凝土連續剛構、下承式鋼管混凝土提籃拱、下承式鋼箱系桿拱、下承式連續鋼桁拱等，其中跨東平水道的(99+242+99)m連續鋼桁拱［10］為該線最大孔跨橋梁，跨西華海水道的(94+168+94)m連續剛構是該線最大跨度的混凝土橋，下文重點介紹3種典型的特殊橋跨結構，它們在武廣客運專線的橋梁方案設計中被多次采用。

5.1 112 m鋼管混凝土提籃拱橋

武廣客運專線上有3座橋梁的主跨采用了這種結構形式，即武漢市內的東湖特大橋、位于湖南省內的梁家灣特大橋和湖北省內的胡家灣特大橋。東湖特大橋采用提籃拱橋用于跨越東湖，其余兩座橋均用于跨越京珠高速公路。

提籃拱全長116 m，計算跨度為112 m。拱肋平面內矢高22.4 m，其設計矢跨比為f/l=1∶5。拱肋采用懸鏈線線型。立面和斷面布置如圖2和圖3所示。拱肋在橫橋向內傾9°，形成提籃式，拱頂處和拱腳處兩拱肋中心距分別為9.19 m和16.20 m。兩拱肋之間共設5道橫撐，除拱頂橫撐為“X”形外，其余均為“K”形。拱肋橫截面為啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高度h=3.0 m，等高布置，鋼管直徑為1 200 mm，鋼管內采用C55無收縮混凝土填充。

圖2 提籃拱立面(單位:cm)

圖3 提籃側面(單位:cm)

系梁按整體箱形梁布置，采用單箱三室預應力混凝土箱形截面，橋面箱寬17.8 m，梁高2.5 m，底板兩側設3 m×0.5 m倒角以減小風阻力，如圖4所示。系梁采用C45混凝土，在縱向和橫向均設置了預應力鋼束。

吊桿布置采用尼爾森體系，在吊桿平面內，吊桿水平夾角在 52.10°～ 68.67°;橫橋向水平夾角為 81°。吊桿間距為8 m，均采用127根φ7 mm高強低松弛鍍鋅平行鋼絲束。

圖4 系梁橫截面(單位:cm)

提籃拱橋施工采用先梁后拱的施工方法，系梁采用滿布支架施工，待系梁施工完后，拱肋鋼管在系梁上搭設支架安裝。提籃拱主要工程數量見表4。

表4 提籃拱橋跨結構工程數量

5.2 大跨、長聯預應力混凝土連續梁橋

設計采用大跨、長聯的預應力混凝土連續梁橋來跨越河流主干道，以減小深水橋墩和基礎數量。如湖南境內兩次跨越湘江的衡陽湘江特大橋和株洲湘江特大橋，其主跨分別為(64+4×116+64)m和(60+5×100+60)m，兩橋的聯長分別達到了592 m和620 m。以衡陽湘江特大橋為例進行介紹。

衡陽湘江特大橋的主跨為(64+4×116+64)m預應力混凝土連續梁橋，主梁梁高按圓曲線變化，根部和跨中梁高分別為8.90 m和5.2 m。采用單箱單室直腹板截面，頂板厚50 cm，腹板厚45～85 cm，底板厚50～100 cm，0號塊附近頂板、腹板和底板局部加厚后尺寸分別為95、120 cm和150 cm，如圖5所示。在中支點、端支點和中間跨跨中截面處均設有橫隔板，厚度分別為3.0、1.5 m 和0.6 m。主梁采用 C60 混凝土，梁體采用三向預應力體系。

圖5 系梁橫截面圖(單位:cm)

主跨連續箱梁采用掛籃對稱懸臂澆筑方法施工，合龍順序是先次邊跨，再邊跨，最后中跨合龍。全橋共分163個梁段，中支點0號梁段長度13 m，一般梁段長度分成3.0 m、3.5 m、4.0 m，合龍段長2.0 m，邊跨現澆直線段長5.70 m，最大懸臂澆筑塊重1 905.4 kN。

橋墩位于河流中，設計采用圓端形等截面實心橋墩，墩身正面法線與主梁交角為5°，以減小阻水面積。基礎施工采用雙壁鋼圍堰作為圍水結構，樁基鋼護筒在封底混凝土內設置剪力鍵，以保證鋼護筒與封底混凝土間的粘結力，抵抗封底混凝土受到的水浮力。

表5給出了衡陽湘江特大橋主跨連續梁的梁部工程數量。

表5 (64+4×116+64)m連續梁工程數量

5.3 140 m下承式鋼箱系桿拱橋

武廣客運專線上汀泗河特大橋采用了下承式鋼箱系桿拱橋，用于跨越京珠高速公路，具體構造如下。

拱肋采用雙肋二次拋物線無鉸拱，跨徑140 m，矢高30 m，矢跨比1/4.67。兩拱肋平行布置，橫向中心間距16 m，每片拱肋采用變截面鋼箱，材質為Q370qD鋼，鋼箱內寬 1.94 m，拱腳截面高 4.5 m，拱頂 3.0 m，中間截面高按直線內插。箱內設橫隔板，橫隔板間距不大于3 m，為防腐，兩端橫隔板要求密封。拱肋共分9個節段(不包括拱腳段)制造而成，成橋線型設計以直代曲，各分段間用高強度螺栓拼接。全橋共設5道橫撐，各橫撐也均為鋼箱截面。

系梁為等截面鋼箱，梁高3.5 m，內寬1.94 m，梁長143 m，共分為9個梁段，各梁段間連接用高強螺栓拼接。吊桿采用工形鋼形吊桿，吊桿間距8 m。為減少風振，在吊桿腹板上開設過風孔，同時將根據吊桿風致振動結果確定在翼板上開孔方式及配置TMD。拱肋、橫撐、系梁和吊桿一起，組成一個穩定的空間梁系結構。

系桿拱采用先梁后拱的施工方法，先采用滿布支架施工系梁，然后拼裝拱肋，待主體結構施工完后再拖拉就位。全橋用鋼3 718 t。

6 結語

(1)武廣客運專線上小跨度橋梁全部采用預應力混凝土簡支箱梁，為了確保車輛高速運行的安全性、平穩性、旅客乘坐舒適性，高速鐵路橋梁設計不僅要滿足強度要求，更重要的是滿足剛度要求［3］，普速鐵路橋梁通常采用的T梁，因其整體性差橫向剛度弱，在高速鐵路上很少采用，簡支箱梁具有整體性好、剛度大、抗扭性能好等良好的力學性能，很適用于高速鐵路橋梁，成為替代T梁的通用橋型。

(2)我國既有鐵路小跨度橋梁基本是采用清一色的簡支梁，武廣客運專線的小跨度橋梁設計仍然沿用了這種設計思想，但從國外高速鐵路的發展趨勢來看，小跨度橋梁更多的采用連續梁，尤其在歐洲更為普遍。顯而易見，連續梁有更大的剛度和更好的受力性能，對高速行車更有利，且兩者材料用量基本相當，因而，從結構本身的角度而言，采用連續梁應該更為合理。

(3)武廣客運專線上橋梁墩臺設計較單調，截面主要是矩形和圓端形，高速鐵路一般為雙線平行，當與河流斜交時橋墩阻水面積較大，今后可開發一些更適合斜交河流的橋墩形式。

(4)中等跨度的橋梁采用鋼-混凝土結合連續梁雖然有許多優點，且在國外高速鐵路被廣泛使用［11］，但相對混凝土連續梁而言造價仍然較高，武廣客運專線的橋梁設計中采用較少，多采用40～80 m的預應力混凝土連續梁。

(5)下承式鋼管混凝土提籃拱橋因為施工方便、跨越能力大等特點，在公路橋梁中已得到了迅速推廣。采用提籃式可以保證橋梁具有足夠的橫向剛度和拱肋橫向穩定性，以滿足高速鐵路的剛度要求［7］。京滬高速鐵路徐滬段上，徐州京杭大運河和丹陽九曲河都推薦使用鋼管混凝土提籃式系桿拱橋，經過靜力計算和車橋耦合動力分析，這兩座橋均能滿足要求。但這種結構在我國高速鐵路橋梁應用上還缺少實例，建成后的實際性能還有待進一步研究。

(6)大跨、長聯預應力混凝土連續梁橋應用于高速鐵路上在國外早有先例，如在法國高速鐵路中就可以經?？吹剑鐝讲贾脼?2×41+47+6×53)m+53 m+6×53 m+47 m+2×41 m的Grenette預應力混凝土連續箱梁橋、跨徑布置為(31+18×45)m+45 m+(6×45+67+100+67+6×45+40+30)m的 Ventabren預 應力 混凝 土連續箱梁橋［8］等。法國高速鐵路連續梁的特點是:一般采用兩聯連續梁，中間加1孔兩端均設固定支座的簡支梁。兩端橋臺抵抗長聯連續梁的縱向力，中間1孔簡支梁有兩個作用，其一為將大伸縮縫一分為二;其二為設置長鋼軌溫度伸縮調節器的固定軌。實踐證明設置溫度調節器雖然可以增加連續梁的長度，但同時也增加了檢查和養護的工作量［8］。我國客運專線上橋梁所占比例大，不宜大量采用帶溫度調節器的長聯連續梁。武廣客運專線上除跨衡陽湘江特大橋和株洲西湘江特大橋，因跨湘江主跨連續梁做得較長外，其他連續梁的聯長均控制在300 m以內，這樣設計是合理的。

(7)下承式鋼箱系桿拱橋是一種無推力拱式組合體系橋，其本身為靜定結構，兼有了拱橋的較大跨越能力和簡支梁橋對地基適應能力強的兩大特點，特別適合跨度較大且建筑高度受限制的地方［7］。它們多為工廠制造，現場整體組裝后，采用轉體施工、橋位拼裝或浮運施工就位方法，因此可以節約大量施工時間，不足的是用鋼量較大。法國在修建地中海高速鐵路中開始廣泛采用這種結構形式［8］，如Garde-Adhemar橋采用了2孔115.4 m的下承式鋼箱系桿拱，橋長324.6 m，全橋用鋼達5 300 t。Avignon Sud橋全長190 m，主跨采用124 m簡支下承式鋼箱系桿拱，全橋用鋼3 500 t。若造價能夠降下來的話，在以后的客運專線橋梁設計上可以推廣應用。

［1］中鐵第四勘察設計院集團有限公司.武廣鐵路客運專線橋涵設計圖紙［R］.武漢:中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2006.

［2］中鐵第四勘察設計院集團有限公司.高速鐵路［M］.北京:北京中國鐵道出版社，1984.

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［4］中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

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［11］曾敬東，李貞新，李小珍.我國高速鐵路橋梁的結構形式及特點［J］.四川建筑，2005(4)58-61.