遵甕鐵路湘江大橋主橋橋式方案研究

陳 平

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 工程概況

遵義至甕安鐵路在甕安縣內跨越湘江，橋址范圍主要以山脈和河流為主，山脈的山勢陡峭，地勢較高，線路與水流方向垂直，在甕安縣境內流域面積66.2 km2，設計水位由位于烏江上的構皮灘水電站控制，百年設計水位630.5 m；場地抗震設防烈度為6度，地震動峰值加速度0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s。

地質調查及鉆孔顯示，橋址區地層主要為第四系全新統殘坡積(Q4el+dl)粉質黏土，基本承載力σ0=180 kPa；灰巖，弱風化，基本承載力σ0=800 kPa。

本橋全長約1.1 km，橋址處縱斷面呈“V”形，河谷底距離軌面約300 m，橋梁在此處跨越難度大。

2 主要技術標準

(1)線路等級：Ⅱ級鐵路。

(2)正線數目：單線，有砟軌道。

(3)設計速度：120 km/h。

(4)設計活載：中-活載。

(5)抗震設防烈度：6度。

3 橋式方案設計

根據橋址地形地貌及底層穩定邊坡線，參考了國內外鐵路橋梁的設計經驗，充分考慮了單線鐵路橫向剛度、穩定性等受力特性，在保證結構形式合理、施工方便的前提下，提出了鋼桁梁斜拉橋及上承式拱橋兩種方案，現分別論述如下[1-2]。

3.1 鋼桁梁斜拉橋方案

橋址處湘江無通航運輸條件，整孔箱梁無運輸條件，且橋面距離谷底約280 m，大噸位吊裝施工無可操作性，故提出采用鋼桁梁斜拉橋方案[3-6]。

(1)結構體系

斜拉橋孔跨組成為(75+112.5+375+112.5+75) m雙塔鋼桁梁斜拉橋，為半漂浮體系，塔墩固結，塔梁分離，在兩個邊跨約1/3位置設置輔助墩，結構總體布置見圖1。

圖1 鋼桁梁斜拉橋方案總體布置(單位：cm)

(2)主要結構尺寸

①橋塔

考慮結構受力需要，施工條件等因素，該橋選用H形索塔橋塔。橋塔由上、中、下塔柱及上、中、下橫梁共6部分組成，橋面以上塔高125 m，塔高與主跨比為1/3，塔柱采用矩形空心截面，上塔柱順橋向尺寸為7.0 m，中下塔柱為7.0～12.0 m；上、中塔柱橫橋向尺寸為4.5 m，下塔柱橫橋向尺寸為9.0 m；上橫梁高5.0 m，寬6.5 m，中橫梁高5.0 m，寬8.4 m，下橫梁高5.0 m，寬10.0 m，上、中、下橫梁均布置預應力索。

②主梁

主梁為平行弦鋼桁梁，桁式為“N”形，2片主桁，主桁中心距15 m，桁高15 m，節間長度為12.5 m，主桁采用焊接整體節點形式，最大板厚44 mm。

主桁上、下弦均采用箱形截面，弦桿內寬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；根據結構受力特點，腹桿采用箱形和H形兩種截面，箱形桿件外寬1000 mm，板厚30～40 mm，H形桿件外寬1 000 mm，板厚30～40 mm。

橋面系采用正交異性鋼橋面板，由縱肋、橫梁及鋼板組成，橋面設厚度8 mm的U肋，U肋橫向間距600 mm，在線路軌道之下設倒T形縱梁，順橋向每隔3.125 m設置一倒T形橫梁，橫梁高度為1.4～2.0 m。鋼桁梁斜拉橋方案橫斷面如圖2所示。

圖2 鋼桁梁斜拉橋方案橫斷面(單位：mm)

③斜拉索

斜拉索采用高強鋼絲斜拉索，為雙索面布置，全橋共設52對斜拉索，斜拉索規格為PES7-139，PES7-151，PES7-163，PES7-211。梁上索距離為12.5 m，塔上索距為2.5 m，最外側拉索水平夾角為30.8°。

④基礎

主塔位置地面覆土深約6 m，綜合地質條件，采用40φ2.5 m鉆孔灌注樁基礎，樁基按照柱樁設計，樁長為14 m，按照行列式布置；承臺高6.0 m，橫橋向尺寸42.5 m，縱橋向尺寸26.0 m。

(3)施工方案

①施工基礎；

②采用爬模方式施工索塔；

③鋼桁梁桿件采用工廠預制、現場懸臂拼裝的方式，邊掛設斜拉索邊施工主梁；

④最后成橋，本方案計劃工期約32個月。

(4)主要計算結果

鋼桁梁斜拉橋方案結構整體計算模型見圖3。

圖3 鋼桁梁斜拉橋方案結構整體計算模型

主要計算結果如下。

①撓度：橋梁活載撓度45.7 cm，撓跨比1/820。

②梁端轉角：0.48‰。

③主梁應力：主梁最大壓應力180 MPa，最大拉應力120 MPa。

④斜拉索應力：斜拉索最大拉應力值為552 MPa，最小拉應力值為401 MPa。

3.2 上承式拱橋方案

(1)結構體系

上承式拱的拱趾跨度375 m、矢高105 m、拱軸系數3.0，橋全長500.5 m，中部拱梁一體部分長101 m，兩側為(50+50) m T構+3孔32 m簡支T梁，T構墩高99.813 m，拱上立柱最高墩高50.9 m，全橋立面布置見圖4[7-10]。

圖4 上承式拱橋方案總體布置(單位：cm)

(2)主要結構尺寸

①拱肋構造及主要結構尺寸

拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m=3.0。拱肋中心跨度為375 m，矢高105 m，矢跨比1/3.571，拱肋橫向內傾6.5°，拱肋拱腳處中心距為30.426 m，拱頂處中心距為6.5 m。拱肋采用等寬變高截面，拱肋高度在拱腳處13 m、拱頂處7.0 m，寬度為4.0 m；每片拱肋由4肢φ1 500 mm，壁厚24～35 mm的鋼管組成，橫向拱管之間由綴板連接，鋼管及綴板內灌注混凝土。拱肋在靠近拱腳長度45 m范圍內(水平距離)為實腹段，上、下弦管之間設置兩塊腹板形成腹腔，腹腔內灌注混凝土;拱肋空腹段上下弦桿之間通過H形腹桿連接，腹桿高度及寬度均為600 mm，桁架節點水平中心距為5.45 m；本橋共設21道橫撐，橫撐均為“一”字形，橫撐主管直徑900 mm，壁厚20 mm，支管直徑500 mm，壁厚16 mm。其中兩側靠近拱腳的2道為四肢桁架結構，其余為雙肢結構，2根橫撐主管連接拱肋上下弦內管，橫撐上下主管以豎向斜桿連接。拱頂101 m范圍采用π形剛架，共分為10聯。主拱肋拱截面如圖5所示。

圖5 上承式拱橋方案肋拱頂及拱腳處截面(單位：cm)

②拱上立柱結構

拱上立柱采用鋼管混凝土結構，鋼管直徑2 000 mm，鋼管壁厚32 mm，鋼管內灌注混凝土，墩柱橫向內傾6.5°，兩鋼管之間采用弦管連接。拱上共6個立柱，拱上最高立柱高50.9 m，最低立柱高11.6 m。

③拱上T構連續梁

拱兩邊為(50+50) m T構，擬定根部梁高5.5 m、端部梁高2.5 m，底板厚度為40～70 cm，頂板厚度為40 cm，腹板厚度為45～80 cm。

④拱座

T構主墩及拱肋基礎都作用在拱座上，其縱向外輪廓長25 m，橫向寬40.0 m，外輪廓高20.0 m，按“明挖基礎”設計，并進行最不利組合。

(3)施工方案

①施工基礎；

②采用爬模施工的方式施工T構主墩；

③橋址兩岸設臨時塔，鋼管拱采用纜索吊裝、斜拉扣掛懸臂拼裝法施工；

④拱上立柱采用先安裝鋼管后灌注混凝土的施工方式；

⑤T構主梁采用懸臂澆筑，拱上簡支T梁采用預制架設，“π”形框架采用拱上立模現澆的施工方式；

⑥最后成橋，本橋方案計劃工期約32個月。

(4)主要計算結果

上承式拱橋方案結構整體計算模型見圖6。

主要計算結果如下。

圖6 上承式拱橋方案結構整體計算模型

①撓度：橋梁活載撓度41 mm，撓跨比1/9 052。

②梁端轉角：1.4‰。

③拱肋應力：拱肋鋼管最大壓應力值為101 MPa，拱肋鋼管全部處于受壓狀態；拱肋鋼管內混凝土最大壓應力值16.1 MPa，混凝土最大拉應力值1.8 MPa，未超過規范容許值。

4 方案比選

從景觀、經濟性、施工難度等方面對以上兩種橋式結構方案綜合比選，比選結果見表1[11-13]。

表1 主橋方案比選

綜上所述，1-375 m拱橋方案孔跨合理，主橋長度較短，造價經濟，結構造型美觀、景觀效果好，施工技術成熟，風險小，故1-375 m上承式拱橋為湘江特大橋的推薦橋形方案[14-15]。

5 結語

對湘江特大橋通過從結構受力、工程投資、施工難度、景觀性等方面對鋼桁梁斜拉橋和上承式拱橋綜合比選得知，結合本橋建設條件，上承式拱橋有明顯的優勢，推薦1-375 m上承式拱橋作為本橋首選方案。

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