中蘭客運(yùn)專線橋梁總體設(shè)計(jì)

種博肖

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 北京 10026)

1 工程概況

中衛(wèi)至蘭州客運(yùn)專線位于寧夏回族自治區(qū)和甘肅省境內(nèi)，線路北起寧夏中衛(wèi)市，向南經(jīng)白銀市及蘭州市，引入中川城際樹屏車站，向西經(jīng)蘭州樞紐連通西寧市及新疆地區(qū)，是京蘭客運(yùn)專線的重要組成部分，是我國“一帶一路”戰(zhàn)略發(fā)展核心區(qū)域的重要交通基礎(chǔ)。全線正線長219.707 km，共有特大、大、中橋104座，橋梁總長86.861 km，橋梁長度占線路長度的39.5%；蘭州新區(qū)聯(lián)絡(luò)線線路長12.902 km，共有特大、大橋6座，橋梁總長6.077 km，橋梁長度占線路長度的47.1%。

1.1 自然條件

中蘭客運(yùn)專線沿線所經(jīng)地貌有黃河河谷階地區(qū)、山前及山間沖洪積傾斜平原區(qū)、低中山區(qū)、黃土梁峁區(qū)及寬谷區(qū)，地層巖性種類繁多，黃土是地表主要分布地層。主要河流為黃河干流，水系由直接匯入黃河的山洪溝、黃河引水排水渠系組成的基本骨架和黃河水系組成。屬中溫帶干旱和半干旱氣候區(qū)，干燥少雨，多風(fēng)沙。

全線范圍內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.1～0.3 g，地震烈度Ⅶ～Ⅷ，65%的橋梁位于Ⅷ度地震區(qū)。

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

中蘭客運(yùn)專線主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)表

2 橋梁設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 復(fù)雜的地質(zhì)情況

中蘭客運(yùn)專線沿線黃土分布廣泛，分布范圍約占全線的64%，主要由第四系全新統(tǒng)沖洪積、風(fēng)洪積砂質(zhì)黃土和上更新統(tǒng)風(fēng)積、沖洪積砂質(zhì)黃土組成，多為Ⅱ級(中等)～Ⅳ級(很嚴(yán)重)自重濕陷性場地，濕陷土層厚度為10～35 m，局部黃土梁峁區(qū)濕陷土層厚度可達(dá)35～50 m，為Ⅳ級(很嚴(yán)重)自重濕陷性場地。設(shè)計(jì)過程中從橋梁布設(shè)、橋臺設(shè)置、墩臺刷坡穩(wěn)定性、自由樁長的確定、樁側(cè)負(fù)摩阻力的計(jì)算深度、m值計(jì)算原則以及樁基施工措施等方面進(jìn)行了深入研究，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性[1]。

此外，沿線低中山區(qū)泥石流溝多，沖溝溝谷縱坡較大，多為間歇性溝谷，冬季少雨，溝谷干涸，雨季形成山洪，產(chǎn)生不同程度的泥石流現(xiàn)象。橋下凈空綜合考慮總淤積高度、泥石流遇阻沖高等因素影響，對跨越泥石流溝的橋涵孔徑適當(dāng)加大，盡量1孔跨越，并加強(qiáng)溝中橋墩墩身及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

2.2 新型抗震技術(shù)措施

中蘭客運(yùn)專線跨越華北地震區(qū)的銀川—河套地震帶、青藏地震區(qū)的六盤山—祁連山地震帶和龍門山地震帶，部分地區(qū)抗震設(shè)防烈度達(dá)0.3 g以上。為滿足本線橋梁抗震設(shè)防目標(biāo)，中蘭客運(yùn)專線高烈度區(qū)橋梁采用減隔震設(shè)計(jì)技術(shù)，通過設(shè)置新型鋼阻尼減震橋梁支座，大大降低地震力作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，從而有效保護(hù)主體結(jié)構(gòu)使其免受損傷和破壞。鋼阻尼減隔震支座，通過在球型鋼支座上加裝軟鋼屈服器類型的減震榫阻尼元件，形成具有減隔震功能的球型鋼支座。地震發(fā)生時(shí)，橋梁上部結(jié)構(gòu)傳遞到墩臺的部分水平力由增加在支座上的減震榫承受，通過減震榫的塑形變形吸收地震能力、延長結(jié)構(gòu)的自振周期[2]。減震榫內(nèi)、外形成串聯(lián)組模式，可有效滿足地震力下支座大位移要求。該支座的阻尼耗能元件通過螺栓與支座本體連接，可以很方便地實(shí)現(xiàn)地震后更換，避免了整體更換支座帶來的高昂費(fèi)用[3]。

為分析鋼阻尼減隔震支座的設(shè)計(jì)參數(shù)，采用空間有限元分析軟件MIDAS，對中蘭客運(yùn)專線簡支梁典型橋墩進(jìn)行非線性時(shí)程分析。結(jié)果表明鋼阻尼支座對順橋向的減隔震效果總體優(yōu)于橫橋向減隔震效果，7度地震區(qū)順橋向平均減隔震率為42%，橫橋向平均減隔震率為31%；8度地震區(qū)順橋向平均減隔震率為56%，橫橋向平均減隔震率為39%；支座減隔震效果良好。

2.3 結(jié)構(gòu)形式多樣

橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化程度高，簡支梁常用跨度以預(yù)制架設(shè)32 m、24 m梁為主。跨越河流、高速公路、重要省道或特殊條件的橋梁，為滿足橋孔凈空等要求，采用大跨簡支梁、多跨連續(xù)梁、大跨簡支系桿、T構(gòu)和門式墩等多種特殊結(jié)構(gòu)形式。

靖遠(yuǎn)黃河特大橋是中蘭客運(yùn)專線的控制性工程，綜合考慮防洪和跨越黃河的通航的要求，減小對河道行洪的影響，并考慮黃河河床歷史演變規(guī)律的復(fù)雜性[4]，本橋兩個(gè)水中墩存在撞船的風(fēng)險(xiǎn)。靖遠(yuǎn)黃河特大橋采用了(70+104+128+104+70)m不等跨連續(xù)梁跨越黃河主河道，(60+60)m T構(gòu)跨越黃河快速路，此外，大橋位于黃河結(jié)冰河段，設(shè)計(jì)綜合考慮了冰蓋層受溫度影響膨脹時(shí)產(chǎn)生的靜壓力，并在墩底至常水位+1 m范圍采用耐候鋼板破冰棱。漫灣特大橋橋高約60 m，設(shè)計(jì)為(1-56 m)+(18-64 m)節(jié)段預(yù)制膠拼簡支箱梁，采用SX64/2700型上行式移動(dòng)支架造橋機(jī)架設(shè)。部分車站咽喉區(qū)受線路條件、車站布置及地形等因素制約，采用(4×32)m、(6×32)m、(28+3×48+28)m等道岔連續(xù)梁。

中蘭客運(yùn)專線全線共有3處跨越既有鐵路，其中蘭州新區(qū)聯(lián)絡(luò)線上跨既有中川城際鐵路設(shè)計(jì)技術(shù)最復(fù)雜、施工難度最大。該橋交叉點(diǎn)處中川城際鐵路為路塹地段，路塹邊坡高約22 m，交叉角度僅為15°，設(shè)計(jì)采用門式墩方案跨越[5]。該橋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為鉆孔灌注摩擦樁基礎(chǔ)，施工前結(jié)合現(xiàn)場地形、地貌及工程地質(zhì)等情況，對樁基施工各種成孔方法進(jìn)行綜合比選，最終采用旋挖鉆機(jī)成孔施工，具有速度快、振動(dòng)小、對周邊土體擾動(dòng)小、施工精度高等特點(diǎn)，大大降低了樁基施工對既有鐵路的影響。同時(shí)，由于門式墩墩柱距既有鐵路較近，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大，為減少對營業(yè)線的干擾，門式墩墩柱采用永久鋼模板現(xiàn)澆施工，保證了既有鐵路運(yùn)營安全，取得了良好效果。

2.4 施工技術(shù)措施

中蘭客運(yùn)專線標(biāo)準(zhǔn)跨徑簡支梁以預(yù)制架設(shè)為主，由于本線橋隧相連地段較長，山前短隧間的橋梁，在隧道施工不控制工期且附近有設(shè)置制梁場條件時(shí)，采用運(yùn)架一體式架橋機(jī)穿越短隧道架設(shè)施工；對于長隧間的橋梁，由于長隧道按不通過運(yùn)梁車設(shè)計(jì)，且施工周期長，根據(jù)橋梁長度和山區(qū)建設(shè)條件，采用預(yù)制架設(shè)方案，適當(dāng)優(yōu)化梁場布置，實(shí)現(xiàn)了橋梁建設(shè)經(jīng)濟(jì)性和適用性的宗旨[6]。

常用跨度連續(xù)梁以懸臂澆筑為主，小跨度連續(xù)梁根據(jù)現(xiàn)場情況采用支架現(xiàn)澆施工。部分連續(xù)梁因跨既有鐵路、高速公路凈空限制，采用懸臂澆筑、轉(zhuǎn)體合龍的施工方法。

3 重點(diǎn)特殊橋梁

3.1 漫灣特大橋—節(jié)段膠拼簡支箱梁

3.1.1 結(jié)構(gòu)選型

漫灣特大橋位于甘肅省蘭州新區(qū)西岔鎮(zhèn)附近，主要為跨越龔巴川而設(shè)，橋址處地形呈“U”型，橋高大于60 m的段落長度約320 m，大于40 m段落長度約1 km，對橋高大于40 m段落進(jìn)行了(1-56 m)+(18-64 m)簡支梁方案和37-32 m簡支梁方案工程投資比較，比較結(jié)果顯示大跨度簡支梁方案具有一定經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢；由于本橋橋高較高，從景觀方面考慮，大跨度簡支梁通透性強(qiáng)，景觀效果好。此外，相比于混凝土濕接縫連接，節(jié)段預(yù)制膠拼梁施工周期短，避免了后澆混凝土易開裂等問題，因此漫灣特大橋設(shè)計(jì)采用大跨節(jié)段預(yù)制膠拼簡支箱梁。

3.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1-64 m節(jié)段膠拼簡支箱梁計(jì)算跨度64.0 m，梁長66.4 m。梁體采用單箱、單室等高預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，梁頂寬12.2 m，底寬5.2 m，梁高5.2 m，箱梁橫斷面如圖1所示。考慮造橋機(jī)空間尺寸要求并最大化減少梁段種類，箱梁預(yù)制段長度按不大于5 m、段重量控制在 2 000 kN以內(nèi)。設(shè)計(jì)采用奇數(shù)分塊，跨中不設(shè)接縫，對稱布置，64 m節(jié)段預(yù)制膠拼梁共分為17個(gè)梁段，16個(gè)接縫，最大梁段重量為1 710 kN[7-8]。

圖1 64 m節(jié)段膠拼簡支箱梁橫斷面圖(cm)

漫灣特大橋膠拼梁接縫面孔道密閉措施采用預(yù)應(yīng)力孔道套管+密封圈密封方式，密封圈采用三元乙丙橡膠材料，施工方便。除在腹板布置剪力鍵外，并在頂板和底板布置一定數(shù)量的剪力鍵輔助定位措施，剪力鍵采用與預(yù)制梁段一次成型的復(fù)合混凝土密鍵，剪力鍵采用梯形，鍵頂寬5 cm，鍵根部寬15 cm，鍵高5 cm。為方便膠體順利擠出梁體，腹板剪力鍵在箱梁內(nèi)側(cè)設(shè)為通縫，頂、底板剪力鍵在頂板頂面和底板頂面設(shè)置膠體擠膠槽口，槽口寬2 cm。

膠接縫處涂刷環(huán)氧密封膠，涂膠采用雙面涂膠，每側(cè)涂膠厚度1～1.5 mm。為避免預(yù)應(yīng)力管道壓漿液從接縫處漏出和梁體擠壓時(shí)膠體進(jìn)入預(yù)應(yīng)力孔道造成孔道堵塞，需對接縫面預(yù)應(yīng)力孔道接頭采取可靠的構(gòu)造處理措施，確保密封性能。

3.1.3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)64 m節(jié)段預(yù)制膠拼梁為國內(nèi)客運(yùn)專線最大跨度節(jié)段預(yù)制膠拼簡支箱梁。

(2)高速鐵路橋梁對結(jié)構(gòu)線形要求較為嚴(yán)格，漫灣特大橋節(jié)段預(yù)制膠拼梁位于R=5 000 m的圓曲線和12.4‰的縱坡上，為保證結(jié)構(gòu)線形，采用長短線法相結(jié)合的施工工藝，先在短線臺座上預(yù)制兩個(gè)梁端節(jié)段，成品后將兩個(gè)端節(jié)段吊入長線臺座，然后以兩個(gè)端節(jié)段為模板匹配預(yù)制中間節(jié)段[9]。

(3)節(jié)段預(yù)制膠拼簡支梁采用曲梁直做，平分中矢法布置，最大矢高為6 cm。為實(shí)現(xiàn)橋面寬度與標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制簡支梁同寬，簡化橋面順接，并滿足道砟大機(jī)養(yǎng)護(hù)對擋砟墻凈距的要求，設(shè)計(jì)采用優(yōu)化擋砟墻寬度方式，并通過加強(qiáng)配筋保證受力要求。

3.2 趙家鋪特大橋—1-128 m簡支系桿拱

3.2.1 結(jié)構(gòu)選型

趙家鋪特大橋位于甘肅省蘭州新區(qū)西岔鎮(zhèn)附近，為跨越水秦快速公路而設(shè)。水秦快速公路規(guī)劃路寬60 m，與線路夾角47°，為了滿足道路凈空要求并減少公路兩側(cè)挖方，采用1-128 m簡支系桿拱結(jié)構(gòu)跨越。

3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本橋?yàn)榱汗敖M合體系，由拱肋、系梁、吊桿和橋面系等組成，計(jì)算跨度128 m，系梁全長131.2 m。采用鋼管混凝土拱肋，平行布置，拱肋中心間距14.3 m，啞鈴型截面，拱管直徑1.3 m，高3.7 m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比1/5。系梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，支點(diǎn)梁高3.5 m，跨中梁高3 m，頂寬15.5 m，底寬13.5 m；全橋共設(shè)17對低應(yīng)力全防腐雙吊桿，支座處吊桿距離支點(diǎn)14.4 m，其余吊桿中心間距均為6.2 m。大橋位于R=5 000 m圓曲線上，按照平分中矢法曲梁直做布置方式，采用先梁后拱的施工方法，系梁采用少支架現(xiàn)澆施工，拱肋在系梁上原位拼裝施工[10]。主梁橫斷面如圖2所示。

圖2 128 m系桿拱橋橫斷面圖(cm)

3.2.3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

趙家鋪特大橋的設(shè)計(jì)特點(diǎn)為：

(1)采用低應(yīng)力全防腐雙吊桿體系，減少后期更換對列車運(yùn)營的影響。

(2)主橋兩側(cè)均接32 m預(yù)制簡支箱梁，合理設(shè)計(jì)了拱腳間距和橫撐高度，滿足運(yùn)梁車過孔空間需求。

(3)支座橫向間距13.5 m，橋墩橫向較寬，為減少橋墩混凝土圬工量，設(shè)計(jì)采用M型橋墩；主橋兩側(cè)相鄰孔為32 m預(yù)制簡支梁，簡支梁支座反力與系桿拱相差較大，設(shè)計(jì)通過在簡支梁側(cè)橋墩局部設(shè)置牛腿的方式，有效降低了橋墩縱向尺寸，進(jìn)一步節(jié)省了橋墩和樁基混凝土的圬工量。

3.3 靖遠(yuǎn)黃河特大橋—(70+104+128+104+70)m連續(xù)梁

3.3.1 結(jié)構(gòu)選型

靖遠(yuǎn)黃河特大橋是中蘭客運(yùn)專線控制性工程，位于甘肅省靖遠(yuǎn)縣長尾灘，橋高41 m，橋梁軸線的法線與黃河水流方向夾角為9°。橋位處河水較緩，水面寬約180 m，通航等級為Ⅴ級，采用單孔雙向通航，凈空寬度80 m，凈空高度≥8m。橋址處地震動(dòng)峰值加速度為0.34 g，場地特征周期0.55 s。為滿足防洪和通航要求，最大化降低對河道行洪的影響，結(jié)合現(xiàn)場地形、河堤情況以及地震等因素，采用(70+104+128+104+70)m連續(xù)梁跨越黃河主河道。

3.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主梁計(jì)算跨度為(70+104+128+104+70)m，主梁全長477.8 m，梁體設(shè)計(jì)為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)，箱梁頂寬12.2 m，底寬6.4 m。中支點(diǎn)處梁高為9.6 m，次中支點(diǎn)處梁高為7.6 m，端支座處及跨中截面梁高為5.0 m，采用三向預(yù)應(yīng)力體系。設(shè)計(jì)通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力索的布置及張拉順序，盡量減少主梁上、下緣應(yīng)力差，以減小工后徐變引起的次內(nèi)力。主梁中支點(diǎn)橫斷面如圖3所示。

圖3 中支點(diǎn)橫斷面圖(cm)

3.3.3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

靖遠(yuǎn)黃河特大橋主橋位于高烈度地震區(qū)，采用多跨長聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)計(jì)采用減隔震技術(shù)措施，設(shè)置雙曲面球型減隔震支座延長結(jié)構(gòu)周期降低地震力效應(yīng)、黏滯阻尼器控制震后位移的組合減震方案。雙曲面球型減隔震支座設(shè)置剪切銷，剪切銷強(qiáng)度按1.05倍多遇地震水平剪力控制，多遇地震作用下，抗剪銷未被剪壞，減隔震裝置未發(fā)揮作用；設(shè)計(jì)地震和罕遇地震作用下，抗剪銷受剪破壞，減隔震系統(tǒng)發(fā)揮作用，地震力迅速減小。大橋每墩設(shè)置2個(gè) 1 500 kN阻尼器，與順橋向成45°設(shè)置。罕遇地震作用下，采用雙曲面減隔震支座與黏滯阻尼器共同作用，與普通支座相比，固定墩彎矩從 3 222 198 kN·m降至 432 493 N·m，彎矩減震率達(dá)80%；梁端位移從538 mm降至152 mm，降幅達(dá)65%。優(yōu)化了固定橋墩及基礎(chǔ)尺寸，節(jié)約了工程投資[11-12]，墩頂阻尼器現(xiàn)場照片如圖4所示。

圖4 阻尼器現(xiàn)場照片

4 結(jié)束語

中蘭客運(yùn)專線即將進(jìn)入運(yùn)營階段，該線設(shè)計(jì)過程充分利用我國高速鐵路橋梁前期研究成果，針對對濕陷性黃土地區(qū)橋梁、高烈度地震區(qū)橋梁、節(jié)段預(yù)制膠拼梁以及大跨度簡支系桿拱等重難點(diǎn)橋梁設(shè)計(jì)建造技術(shù)進(jìn)行了深入研究，為類似地區(qū)的高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)、施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。