徐洪權(quán)

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 工程概述

1.1 工程概況

新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道工程，是國家“十二五”規(guī)劃綱要中的重大交通基礎(chǔ)設(shè)施，全長 1 837 km，擬在陜西和山西省交界處的禹門口地區(qū)跨越黃河，大橋示意圖，如圖1所示。橋址處河道較順直，河床平坦且基巖裸露，無邊灘，河道水流方向與線路正交。河道底寬約90 m，上口寬約150 m，小里程側(cè)岸坡較為平坦，上覆新黃土，大里程側(cè)岸坡較為陡峭，基巖出露，岸邊高出河底約50 m，此處流量水位不控制橋下凈高。

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級：國鐵Ⅰ級，重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)。

(2)正線數(shù)目：雙線；線間距：4.0 m。

(3)線路平、縱斷面：本橋位于直線和-4‰的縱坡上。

(4)軌道：采用有砟軌道，軌下枕底道砟厚度為350 mm。

(5)設(shè)計(jì)活載：中活載(2005)之ZH荷載，軸重系數(shù)Z=1.2[1-2]。

(6)設(shè)計(jì)速度：120 km/h。

圖1 龍門黃河大橋橋位示意圖

1.3 橋式方案構(gòu)思

蒙華鐵路作為國內(nèi)首條軸重達(dá)30 t級的長大干線重載鐵路，其橋梁設(shè)計(jì)與普通鐵路相比，列車運(yùn)行速度相對較低，但列車荷載重、參振質(zhì)量大、沖擊幅度大、頻次高，要求結(jié)構(gòu)具有更高動(dòng)強(qiáng)度、更大支承剛度、更好的抗疲勞性能和后期變形小等要求。結(jié)合橋址處的建橋條件，確定橋式方案的設(shè)置原則有：全橋一跨跨越黃河，河道內(nèi)不設(shè)橋墩；滿足上跨龍虎公路的立交要求和黃河橋的通航條件；結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡潔、剛度滿足使用要求；結(jié)構(gòu)疲勞性能優(yōu)秀；經(jīng)濟(jì)合理等。綜合以上因素，提出202 m的中承式拱橋和懸索橋方案進(jìn)行比選。

2 中承式拱橋方案

2.1 橋式布置及結(jié)構(gòu)構(gòu)造

全橋拱肋計(jì)算跨度為202 m，矢高50.5 m，矢跨比1/4，中承式拱橋總體布置如圖2所示。拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.6。主拱截面為鋼管混凝土桁式拱，每片拱肋由4根φ900 mm的鋼管組成，鋼管內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土，采用等寬變高形式，桁寬3.0 m，拱腳處桁高7.6 m，拱頂處桁高5.6 m，兩榀拱肋間設(shè)9道橫撐。

圖2 中承式拱橋總體布置示意圖(m)

全橋設(shè)15對縱向雙吊桿，吊桿間距9.0 m，采用300 MPa超高疲勞應(yīng)力幅的低應(yīng)力鋼絞線拉索體系。吊桿上端錨固于拱肋錨梁，下端銷接于橋面懸挑橫梁。

橋面系主梁為多跨連續(xù)的鋼-混結(jié)合梁，支承跨度為(2×19.0+2×13.5+14×9+2×13.5+2×19.0) m，兩側(cè)橋臺分別接路塹和隧道。主梁設(shè)鋼雙主縱梁、鋼橫梁、鋼小縱梁和混凝土橋面板。橋面板采用預(yù)制安裝后澆濕接縫，不設(shè)預(yù)應(yīng)力。橋面系連續(xù)主梁的支座布置形式與多跨連續(xù)梁相同，固定支座設(shè)在三方側(cè)拱座的支墩上，浩方側(cè)拱座支墩上設(shè)置阻尼器。

兩側(cè)橋臺均采用一字臺，浩方臺采用柱樁，三方臺為明挖基礎(chǔ)。拱座上方設(shè)混凝土的框架墩、拱肋上設(shè)鋼支墩和鋼橫梁。

2.2 主要計(jì)算結(jié)果

(1)全橋結(jié)構(gòu)自振基頻為0.476 3 Hz，對稱平彎，滿足1/(0.011L)的要求。

(2)1/4拱跨處靜活載作用下的撓度差值為108 mm，撓跨比為1/1 870。

(3)橋面系主梁在靜活載作用下，跨中最大撓跨比為 1/2 069；梁端轉(zhuǎn)角1.38‰；橫向力作用下中跨最大橫向位移為38.5 mm，撓跨比為1/5 247。

(4)橋臺處支反力較小，最小為 1 037 kN。

(5)拱肋鋼管最大壓應(yīng)力為195 MPa，拱肋混凝土在拱腳處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力為3.5 MPa，其余部位均小于2.0 MPa，拱腳部位需要采用鋼纖維混凝土。拱肋按單管和格構(gòu)柱計(jì)算的強(qiáng)度安全系數(shù)均在1.41以上，穩(wěn)定安全系數(shù)均在1.72以上。

(6)橋面系主梁考慮橋面板折減后，鋼梁最大正應(yīng)力為200.1 MPa，剪應(yīng)力為69 MPa，主縱梁疲勞應(yīng)力最大，為72.1 MPa，均小于相應(yīng)限值；橋面板最大壓應(yīng)力為15.5 MPa，最大拉應(yīng)力為2.4 MPa，需加強(qiáng)負(fù)彎矩區(qū)域的鋼筋配置。

(7)吊桿強(qiáng)度安全系數(shù)在4.36～4.92之間，最大拉力為 1 737 kN，疲勞應(yīng)力幅在168～182 MPa之間。

2.3 施工方案

結(jié)合橋位處地形地貌，本橋采用纜索吊裝、斜拉扣掛法施工[3-5]，浩方側(cè)可設(shè)置纜塔和扣塔合一的塔架，三方側(cè)可設(shè)置塔架，亦可設(shè)置巖錨。主要步驟如下：

(1)完成塔架、錨碇和拼裝場等臨時(shí)工程施工和邊坡防護(hù)。

(2)施工樁基、承臺、橋臺、拱座、拱上支墩。

(3)依次吊裝各拱肋節(jié)段、張拉扣索并最終合龍拱肋，頂升拱肋混凝土后拆除扣索。

(4)依次吊裝各橋面系鋼縱橫梁節(jié)段、安裝相應(yīng)吊桿，并最終合龍后安裝橋面板。

(5)施工附屬設(shè)施，拆除纜索和塔架，全橋靜動(dòng)載試驗(yàn)等。

3 懸索橋方案

設(shè)計(jì)過程中考慮到橋址所在區(qū)域的環(huán)境特征，強(qiáng)調(diào)工程與環(huán)境和諧理念，并考慮未來區(qū)域規(guī)劃，提出了外形輕盈柔美，與環(huán)境協(xié)調(diào)的懸索橋方案[6]。

3.1 橋式布置及結(jié)構(gòu)構(gòu)造

懸索橋由于其跨越能力大、與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性以及構(gòu)件組合的靈活性而在世界各國得到迅速發(fā)展，其跨度也不斷增長。由于鐵路荷載比較大的特點(diǎn)以及懸索橋本身屬于柔性結(jié)構(gòu)，因此，目前世界上還沒有重載鐵路專用的懸索橋。

盡管各國規(guī)范對橋梁的豎向和橫向剛度作出了比較詳盡的規(guī)定，但一方面都建立在中小跨度橋梁的動(dòng)力分析與實(shí)測實(shí)驗(yàn)，基本不能用于大跨度橋梁；另一方面懸索橋本身具有的柔性，使其剛度問題顯得異常突出。

經(jīng)過初步方案對比，選擇出剛度較大的下承式鋼桁梁懸索兜底的懸索橋方案，如圖3所示。

懸索橋主纜跨度202 m，主纜垂度為31.5 m，垂跨比為1/6.4，加勁鋼桁梁主跨為(13.5+202+13.5) m，采用主纜懸掛在主桁梁底部的布置方式。兩側(cè)索塔高度均為42.5 m，采用門式框架型索塔，通過后背拉索將錨碇和索塔形成整體受力體系，小里程側(cè)后背索水平夾角約為34°，長度約為65 m，大里程側(cè)后背索水平夾角約為29°，長度約為40 m，為了避免錨碇與隧道和路塹發(fā)生干擾，將錨碇向外偏轉(zhuǎn)5°設(shè)計(jì)。

圖3 懸索橋方案布置示意圖(cm)

主桁為兩片桁架，采用有豎桿三角形桁(華倫式)，桁高12.0 m，節(jié)間長度12.5 m，主桁中心距15 m。上弦桿采用帶肋箱型截面，下弦桿采用箱型截面。斜腹桿采用箱型截面和H型截面。

3.2 主要計(jì)算結(jié)果

(1)全橋結(jié)構(gòu)自振基頻為0.659 Hz，為主梁對稱橫彎。

(2)主梁跨中豎向撓度為210 mm，撓跨比為 1/962；梁端轉(zhuǎn)角為1.73‰；橫向力作用下中跨最大橫向位移為70.9 mm，撓跨比為 1/2 849。

(3)反力計(jì)算：索塔軸力在-2～169 MN之間，最大縱向彎矩為84 MN·m，橫向彎矩為45 MN·m。

(4)錨碇最大水平力為64 MN，最大豎向力為26 MN。

(5)橋臺支座反力在4～-14 MN，出現(xiàn)14 MN的負(fù)反力，需要設(shè)置抗拔支座。橋塔處最大支反力為26 MN，未出現(xiàn)負(fù)反力。

(6)主纜安全系數(shù)為3.84，采用55股127φ5平行鋼絲。

3.3 施工方案[7-8]

結(jié)合橋位處地形地貌和黃河水流不豐沛的情況，本橋主梁采用纜索吊裝，整體節(jié)段的逐段剛接法。主要步驟如下：

(1)完成臨時(shí)工程和拼、吊裝場地的施工，同時(shí)完成橋塔和主纜的施工。

(2)依次將各鋼桁梁整體節(jié)段運(yùn)至拼裝場，組拼完畢運(yùn)至吊裝場后，利用纜索吊機(jī)吊運(yùn)、并對稱架設(shè)加勁梁，同步安裝吊桿，直至合龍。

(3)施工附屬設(shè)施，拆除臨時(shí)吊運(yùn)纜索，全橋靜動(dòng)載試驗(yàn)等。

4 橋式方案比較

對中承式拱橋和懸索橋分別從美觀、經(jīng)濟(jì)、動(dòng)力性能、技術(shù)先進(jìn)性以及施工與養(yǎng)護(hù)方面綜合比較，如表1所示。

表1 豎向剛度計(jì)算表

5 結(jié)論

(1)中承式提籃拱橋具有較好的靜動(dòng)力性能，豎向剛度、橫向剛度、梁端轉(zhuǎn)角、自振頻率等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；梁端支座支反力儲備較為充足，不會出現(xiàn)負(fù)反力；上下部結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造簡單，傳力路徑清晰明確；拱肋構(gòu)件輕巧，曲線造型美觀；技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、施工技術(shù)成熟可靠。

(2)懸索橋方案剛度較弱，梁端轉(zhuǎn)角超出規(guī)范容許值，支座負(fù)反力很大，纜索與主梁的連接構(gòu)造受力復(fù)雜，可供參考的成功經(jīng)驗(yàn)甚少。

(3)經(jīng)以上綜合比選，橋式方案推薦采用中承式提籃拱橋方案。研究成果應(yīng)用于鐵路山區(qū)大型跨河橋梁設(shè)計(jì)及重載鐵路中承式鋼管拱橋設(shè)計(jì)。