宋子威,嚴(yán)愛國(guó),畢玉琢

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063； 2.中國(guó)鐵建股份有限公司橋梁工程實(shí)驗(yàn)室,武漢 430063)

1 工程概況

滬蘇湖高速鐵路作為長(zhǎng)三角核心區(qū)一條重要的鐵路運(yùn)輸通道，對(duì)完善國(guó)家鐵路網(wǎng)，促進(jìn)長(zhǎng)三角地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展都起到很大的作用。它連通上海、蘇州吳江、湖州等地，與合杭高速鐵路、寧杭高速鐵路在湖州相接。線路在蘇州吳江區(qū)境內(nèi)連續(xù)小角度跨越申嘉湖油氣管線、常臺(tái)高速、乍嘉蘇航道等控制點(diǎn)。

橋址處氣候類型為亞熱帶季風(fēng)氣候，在統(tǒng)計(jì)年限內(nèi)：橋位處最高氣溫為38.3 ℃(七月)，最低氣溫為-8.5 ℃(一月)，最大年平均相對(duì)濕度85%，地面附近平均風(fēng)速3.2 m/s，風(fēng)速最大可達(dá)20.3 m/s。

橋址區(qū)主要土層結(jié)構(gòu)為：廣泛分布的第四系全新統(tǒng)松散堆積的流塑狀淤泥質(zhì)土及軟塑狀粉質(zhì)黏土層，粉土夾粉細(xì)砂層[1]，普遍發(fā)育深厚層軟土、松軟土，地基較為軟弱。

橋址處地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，場(chǎng)地類別為Ⅳ，場(chǎng)地的特征周期為0.65 s。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級(jí)：高速鐵路。

(2)軌道類型：CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。

(3)設(shè)計(jì)速度：350 km/h。

(4)正線數(shù)目：雙線，線間距為5.0 m。

(5)線路條件：縱坡、直線。

(6)縱坡坡度：橋上最大縱坡16‰。

(7)荷載標(biāo)準(zhǔn)：ZK活載[2-3]。

(8)洪水設(shè)計(jì)頻率：100年一遇。

3 建設(shè)條件

受線路總體方案制約，線路在蘇州吳江區(qū)依次跨越申嘉湖油氣管線、常臺(tái)高速、乍嘉蘇航道?？缭綏l件復(fù)雜，且橋址區(qū)地基條件軟弱，設(shè)計(jì)施工難度大。橋址處平面見圖1。

圖2 (92+168+142+82)m剛構(gòu)連續(xù)梁橋方案立面布置(單位:m)

圖1 橋址處平面位置

3.1 申嘉湖油氣管線

申嘉湖油氣管線是9 MPa鋼制油氣管，直徑為330 mm，根據(jù)GB50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，橋梁承臺(tái)需滿足管道凈距5 m以上。

3.2 常臺(tái)高速

常臺(tái)高速G15W現(xiàn)狀為雙向4車道，跨越處公路線路為高架，道路與線路大里程夾角為153°，瀝青路面路面高程為9.19 m，常臺(tái)高速公路橋?qū)捈s28 m，兩幅橋間隔0.5 m，根據(jù)省交通運(yùn)輸廳批復(fù)立交評(píng)估結(jié)論，跨越處需預(yù)留8車道。

3.3 乍嘉蘇航道

乍嘉蘇航道現(xiàn)屬于Ⅳ級(jí)航道，是江蘇省的干線級(jí)航道，根據(jù)2017～2035年《江蘇省干線航道網(wǎng)規(guī)劃》要求，將拓寬為Ⅲ級(jí)航道。在橋梁的跨越位置處，河道順直，現(xiàn)通航凈寬50 m，線路與河流的交角為89°。拓寬為Ⅲ級(jí)航道后，最高通航水位2.25 m，通航凈寬70 m，通航凈高7.5 m。

4 橋式方案

根據(jù)線路立交評(píng)估初步結(jié)論，考慮常臺(tái)高速G15W預(yù)留8車道的要求以及跨越油氣管線要求，需主跨采用168 m以上跨度跨越。同時(shí)，根據(jù)道路安全評(píng)估的要求，承臺(tái)投影不可進(jìn)入規(guī)劃8車道線。

乍嘉蘇航道現(xiàn)為Ⅳ級(jí)航道，正在進(jìn)行Ⅲ級(jí)航道整治。根據(jù)通航評(píng)估報(bào)告，為避免橋墩對(duì)河道行洪面積的壓縮以及對(duì)通航的影響，河中不能立墩，需采用70 m以上跨度單跨跨越航道。

結(jié)合以上評(píng)估報(bào)告，根據(jù)結(jié)構(gòu)的合理性、技術(shù)先進(jìn)性等因素，對(duì)以下3種橋型方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析：(92+168+142+82) m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)連續(xù)梁橋，(40+168+40) m系桿拱連續(xù)梁+83 m系桿拱，(35+168+136+35) m混凝土獨(dú)塔部分斜拉橋[4]。

4.1 預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)連續(xù)梁橋方案

結(jié)合橋位處的關(guān)鍵控制因素，若采用剛構(gòu)連續(xù)梁橋方案[5]，則橋跨布置為(92+168+142+82) m。主跨168 m越常臺(tái)高速及油氣管線，次主跨142 m跨越乍嘉蘇航道，在主跨和次跨兩端分別配置92，82 m邊跨，用于滿足施工及受力需要[6]。由于梁高較大，為滿足橋下凈空要求，需抬高7 754 m線路范圍內(nèi)引橋高程，最大抬高量約4.0 m。剛構(gòu)連續(xù)梁橋立面布置見圖2。

(92+168+142+82) m混凝土剛構(gòu)連續(xù)梁主墩固結(jié)，次邊墩設(shè)置支座。梁體截面形式為單箱單室變截面。168 m跨支點(diǎn)處截面高12.5 m，142 m跨支點(diǎn)處截面高12 m，跨中截面高6.5 m，截面高度按半徑R=570 m的圓曲線變化[7]；截面頂板寬12.2 m(中墩處截面頂寬為11.7 m)，截面底板寬8.5 m。截面頂板厚度62 cm，腹板厚度按55～75～95～105～130 cm變化，底板厚度50～200 cm漸變，在梁端的支點(diǎn)位置、剛構(gòu)墩的墩頂位置、橋梁的跨中位置均設(shè)橫隔板。梁的橫截面尺寸見圖3。

全橋共分為117個(gè)梁段，最長(zhǎng)梁段為5.0 m，最大懸灌體積175.2 m3。橋梁中間采用7.0 m×8.5 m矩形空心固結(jié)墩，壁厚1.4 m，其余橋墩與主梁之間采用支座連接。

選用懸臂現(xiàn)澆法對(duì)主梁進(jìn)行施工，墩頂零號(hào)段采用支架施工[8]，普通梁段采用掛籃澆筑；邊跨直線段采用支架施工[9]。

4.2 系桿拱連續(xù)梁橋方案

結(jié)合橋位處的關(guān)鍵控制因素，若采用系桿拱連續(xù)梁橋，則橋跨布置為(40+168+40) m系桿拱連續(xù)梁+83 m系桿拱[10]。

采用(40+168+40) m系桿拱連續(xù)梁主跨跨越油氣管線及高速公路，采用83 m系桿拱跨越乍嘉蘇航道[11]。系桿拱連續(xù)梁立面布置見圖4。

圖3 連續(xù)剛構(gòu)梁橫截面(單位:cm)

圖4 系桿拱連續(xù)梁橋方案立面布置(單位:m)

系桿拱連續(xù)梁主梁為C55預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，截面形式為等高度的單箱三室形截面，截面高3.0 m，截面寬13.6 m，在中支點(diǎn)處加寬至16.6 m；在邊跨支點(diǎn)、中跨支點(diǎn)位置的底板上設(shè)0.8 m檢查孔[12]，并在截面的底板上設(shè)泄水孔。在邊跨支點(diǎn)位置和中跨支點(diǎn)位置分別設(shè)置厚度為1.80 m和0.7 m的橫隔板；在箱梁的每個(gè)吊桿處設(shè)厚0.5 m，高1.30 m的吊點(diǎn)橫梁。主梁標(biāo)準(zhǔn)截面見圖5。

圖5 主梁標(biāo)準(zhǔn)截面(單位:cm)

拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，拱肋弦管直徑為1.4 m，分別由28，36 mm厚的鋼板卷制而成[13]。兩榀拱肋橫橋向間距12.0 m。在拱肋的鋼管及腹腔內(nèi)填充C55補(bǔ)償收縮混凝土。上、下拱肋計(jì)算跨度分別為170.1，165.75 m，設(shè)計(jì)矢高分別為45，39 m，上下鋼管拱軸線分別采用系數(shù)為1.05、1.40的懸鏈線[14]。

全橋在順橋向共設(shè)置18組雙吊桿，間距8 m。吊桿材料為PES(FD)7-73型低應(yīng)力防腐拉索[15]。吊桿上端錨固在拱肋的上緣，下端錨固在吊點(diǎn)橫梁的下緣。

本方案采用“先梁后拱”施工方法：利用滿堂直接施工主梁；主梁施工完成后，在橋面上拼裝拱肋；然后灌注鋼管及腹腔內(nèi)的混凝土[16]；按指定次序張拉吊桿，施工橋面系成橋。

4.3 預(yù)應(yīng)力混凝土獨(dú)塔部分斜拉橋

結(jié)合橋位處關(guān)鍵控制因素，若采用獨(dú)塔斜拉橋方案，則跨徑布置為(35+168+136+35) m混凝土獨(dú)塔部分斜拉橋[17]。主跨跨越常臺(tái)高速及油氣管線，邊跨跨越乍嘉蘇航道。立面布置見圖6。

圖6 (35+168+136+35)m獨(dú)塔部分斜拉橋方案總體布置(單位:m)

(35+168+136+35) m獨(dú)塔部分斜拉橋主橋全長(zhǎng)375.7 m(包括兩邊梁端至支點(diǎn)各0.85 m)，墩、塔、梁在橋塔處固結(jié)，主梁在其他支墩處可以發(fā)生縱向位移[18]。梁體截面為單箱雙室箱形截面，截面頂板寬14.3 m，梁端、邊跨及跨中直線段截面高度為4.5 m，主跨輔助墩墩頂處截面高度為6.5 m，橋塔處梁截面高度為8.5 m，梁高按圓曲線變化。分別在橋塔位置、邊墩支點(diǎn)位置、輔助墩支點(diǎn)位置設(shè)橫隔梁[19]。橫隔梁上設(shè)有供檢查人員通過的檢修孔洞。另在主梁上斜拉索的錨固位置增設(shè)高度為1.8 m，寬度為0.6～1.0 m的半橫梁。

斜拉索布置形式為空間雙索面體系，梁上間距6.0 m，塔端間距1.0 m。在塔端采用分絲管索鞍貫通，與主梁通過錨固梁相連，在梁上布置斜拉索張拉端進(jìn)行單根張拉[20]。

采用雙柱式索塔，索塔在縱橋向?yàn)橹绷⑹?，在橫橋向?yàn)榛ㄆ啃?，索塔在橋面以上部分的高度?7.0 m。為方便斜拉索的安裝，索塔截面采用矩形實(shí)體截面，順橋向?qū)挾葹?.0～6.0 m，橫橋向?qū)挾葹?.6 m，四周設(shè)10 cm圓倒角。

與剛構(gòu)連續(xù)梁橋相比，獨(dú)塔部分斜拉橋方案中增設(shè)了索塔和斜拉索，斜拉索起到體外加勁的作用，可以增大橋梁的跨度，進(jìn)而提高橋梁的跨越能力，同時(shí)也可以節(jié)約主梁的工程量。斜拉索在施工過程中可作為支撐參與受力，通過索力變換，在后期運(yùn)營(yíng)階段又參與結(jié)構(gòu)的永久受力，與剛構(gòu)連續(xù)梁橋的施工過程相比，節(jié)約大量的臨時(shí)用鋼量[21]。

4.4 方案比選

對(duì)以上所述的3種橋型方案進(jìn)行綜合比較，比較結(jié)果見表1。

表1 3種橋式方案綜合比較

由表1可知，剛構(gòu)連續(xù)梁橋方案技術(shù)成熟，橋梁剛度較大，施工方便，但由于橋下凈空的限制，需抬高7 754 m線路范圍內(nèi)引橋高程，最大抬高量約4.0 m，梁高較大，與周圍景觀不協(xié)調(diào)，景觀效果較差，且抬高高程增加施工難度，此方案不宜采用。

系桿拱連續(xù)梁方案，景觀效果較好，考慮高程變化范圍內(nèi)的總造價(jià)最低，但施工時(shí)需在高速公路及航道中搭設(shè)臨時(shí)支架，施工困難，此方案也不宜采用。

混凝土獨(dú)塔部分斜拉橋方案，結(jié)構(gòu)景觀效果較好、造價(jià)合理，施工便捷，養(yǎng)護(hù)工作量小。(35+168+136+35) m混凝土獨(dú)塔部分斜拉橋是本橋的最佳方案。

5 結(jié)語

本文主要對(duì)滬蘇湖高速鐵路跨越申嘉湖油氣管線、常臺(tái)高速、乍嘉蘇航道的橋式方案進(jìn)行比選。橋址處跨越條件復(fù)雜，地質(zhì)條件較差，是線路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工程。經(jīng)過比選，采用(35+168+136+35) m混凝土獨(dú)塔部分斜拉橋作為最終的橋式方案。此方案滿足跨越要求，結(jié)構(gòu)合理，施工方便，景觀效果好，與周圍景觀較為協(xié)調(diào)。作為國(guó)內(nèi)高速鐵路線路中跨度較大的獨(dú)塔斜拉橋，在設(shè)計(jì)和施工上都具有較大的難度。本橋方案的選取可為設(shè)計(jì)者在進(jìn)行同類型橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，提供可參考的經(jīng)驗(yàn)。