陳 平

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 工程概況

遵義至甕安鐵路在甕安縣內(nèi)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(nèi)流域面積66.2 km2，設(shè)計水位由位于烏江上的構(gòu)皮灘水電站控制，百年設(shè)計水位630.5 m；場地抗震設(shè)防烈度為6度，地震動峰值加速度0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

地質(zhì)調(diào)查及鉆孔顯示，橋址區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積(Q4el+dl)粉質(zhì)黏土，基本承載力σ0=180 kPa；灰?guī)r，弱風(fēng)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)線路等級：Ⅱ級鐵路。

(2)正線數(shù)目：單線，有砟軌道。

(3)設(shè)計速度：120 km/h。

(4)設(shè)計活載：中-活載。

(5)抗震設(shè)防烈度：6度。

3 橋式方案設(shè)計

根據(jù)橋址地形地貌及底層穩(wěn)定邊坡線，參考了國內(nèi)外鐵路橋梁的設(shè)計經(jīng)驗，充分考慮了單線鐵路橫向剛度、穩(wěn)定性等受力特性，在保證結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(yùn)輸條件，整孔箱梁無運(yùn)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(jié)構(gòu)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(jié)，塔梁分離，在兩個邊跨約1/3位置設(shè)置輔助墩，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸

①橋塔

考慮結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)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(jié)間長度為12.5 m，主桁采用焊接整體節(jié)點形式，最大板厚44 mm。

主桁上、下弦均采用箱形截面，弦桿內(nèi)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(jù)結(jié)構(gòu)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(shè)厚度8 mm的U肋，U肋橫向間距600 mm，在線路軌道之下設(shè)倒T形縱梁，順橋向每隔3.125 m設(shè)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(qiáng)鋼絲斜拉索，為雙索面布置，全橋共設(shè)52對斜拉索，斜拉索規(guī)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(cè)拉索水平夾角為30.8°。

④基礎(chǔ)

主塔位置地面覆土深約6 m，綜合地質(zhì)條件，采用40φ2.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基按照柱樁設(shè)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(chǔ)；

②采用爬模方式施工索塔；

③鋼桁梁桿件采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場懸臂拼裝的方式，邊掛設(shè)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(jié)果

鋼桁梁斜拉橋方案結(jié)構(gòu)整體計算模型見圖3。

圖3 鋼桁梁斜拉橋方案結(jié)構(gòu)整體計算模型

主要計算結(jié)果如下。

①撓度：橋梁活載撓度45.7 cm，撓跨比1/820。

②梁端轉(zhuǎn)角：0.48‰。

③主梁應(yīng)力：主梁最大壓應(yīng)力180 MPa，最大拉應(yīng)力120 MPa。

④斜拉索應(yīng)力：斜拉索最大拉應(yīng)力值為552 MPa，最小拉應(yīng)力值為401 MPa。

3.2 上承式拱橋方案

(1)結(jié)構(gòu)體系

上承式拱的拱趾跨度375 m、矢高105 m、拱軸系數(shù)3.0，橋全長500.5 m，中部拱梁一體部分長101 m，兩側(cè)為(50+50) m T構(gòu)+3孔32 m簡支T梁，T構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸

①拱肋構(gòu)造及主要結(jié)構(gòu)尺寸

拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)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(nèi)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(nèi)灌注混凝土。拱肋在靠近拱腳長度45 m范圍內(nèi)(水平距離)為實腹段，上、下弦管之間設(shè)置兩塊腹板形成腹腔，腹腔內(nèi)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(jié)點水平中心距為5.45 m；本橋共設(shè)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(cè)靠近拱腳的2道為四肢桁架結(jié)構(gòu)，其余為雙肢結(jié)構(gòu)，2根橫撐主管連接拱肋上下弦內(nèi)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(lián)。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(jié)構(gòu)

拱上立柱采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管直徑2 000 mm，鋼管壁厚32 mm，鋼管內(nèi)灌注混凝土，墩柱橫向內(nèi)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(gòu)連續(xù)梁

拱兩邊為(50+50) m T構(gòu)，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(gòu)主墩及拱肋基礎(chǔ)都作用在拱座上，其縱向外輪廓長25 m，橫向?qū)?0.0 m，外輪廓高20.0 m，按“明挖基礎(chǔ)”設(shè)計，并進(jìn)行最不利組合。

(3)施工方案

①施工基礎(chǔ)；

②采用爬模施工的方式施工T構(gòu)主墩；

③橋址兩岸設(shè)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(gòu)主梁采用懸臂澆筑，拱上簡支T梁采用預(yù)制架設(shè)，“π”形框架采用拱上立?，F(xiàn)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(jié)果

上承式拱橋方案結(jié)構(gòu)整體計算模型見圖6。

主要計算結(jié)果如下。

圖6 上承式拱橋方案結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)角：1.4‰。

③拱肋應(yīng)力：拱肋鋼管最大壓應(yīng)力值為101 MPa，拱肋鋼管全部處于受壓狀態(tài)；拱肋鋼管內(nèi)混凝土最大壓應(yīng)力值16.1 MPa，混凝土最大拉應(yīng)力值1.8 MPa，未超過規(guī)范容許值。

4 方案比選

從景觀、經(jīng)濟(jì)性、施工難度等方面對以上兩種橋式結(jié)構(gòu)方案綜合比選，比選結(jié)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(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)造型美觀、景觀效果好，施工技術(shù)成熟，風(fēng)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(jié)語

對湘江特大橋通過從結(jié)構(gòu)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(jié)合本橋建設(shè)條件，上承式拱橋有明顯的優(yōu)勢，推薦1-375 m上承式拱橋作為本橋首選方案。

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