王 志,梅新詠,蘇 楊

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430056)

1 工程概況

成貴鐵路宜賓金沙江公鐵兩用橋位于四川省宜賓市郊區(qū)。為了充分利用稀有的橋位資源，大橋采用公鐵合建。上層為4線(xiàn)有砟鐵路，其中2線(xiàn)為成貴高鐵，設(shè)計(jì)速度250 km/h，其余2線(xiàn)為預(yù)留線(xiàn)路，線(xiàn)間距4.6 m；下層采為雙向六車(chē)道城市快速路，設(shè)計(jì)速度60 km/h，兩側(cè)布置人行道[1-2]。該橋位于西南山區(qū)，主跨336 m，主墩最高98.1 m，是成貴鐵路控制性工程，也是世界上首座高速鐵路布置在上層、公路布置在下層的公鐵兩用鋼箱系桿拱橋，具有公鐵合建、兩岸地形高差大、高速、重載、大跨、高墩等技術(shù)難點(diǎn)。

2 結(jié)構(gòu)布置

結(jié)合通航凈空尺度論證、橋位河段珍稀魚(yú)類(lèi)保護(hù)區(qū)等控制因素，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、施工便利性等，宜賓金沙江公鐵兩用橋主橋跨徑布置為(116+120+336+120+116) m，其中336 m主拱采用拱墩固結(jié)、拱梁分離的鋼箱系桿拱橋，120 m和116 m邊拱為混凝土簡(jiǎn)支系桿拱橋。見(jiàn)圖1。

圖1 宜賓金沙江公鐵兩用橋總體布置

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

336 m跨主拱采用拱墩固結(jié)、拱梁分離的鋼箱系桿拱。拱肋采用鋼箱結(jié)構(gòu)，與橋墩固結(jié)，拱軸線(xiàn)為拋物線(xiàn)，矢跨比為1/3.36，拱肋采用等高截面，高9 m，寬3 m。兩片拱肋橫向平行布置，中心線(xiàn)間距28.5 m，拱肋間采用“一”字形和“K”形橫撐連接。

上層鐵路橋面采用箱形邊主梁、縱橫梁體系的正交異性整體鋼橋面板。標(biāo)準(zhǔn)段主梁寬28.5 m，邊主梁高3.0 m，寬1.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)12 m。鐵路橋面通過(guò)剛性吊桿連接到拱肋上。

下層公路橋面采用工字形邊主梁形式的正交異性鋼橋面板。邊主梁的中心間距為28.5 m，外側(cè)布置4 m寬的挑臂，梁高2.6 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)12 m。公路橋面通過(guò)柔性吊索連接在拱肋上。

剛性吊桿將鐵路橋面連接于拱肋上，順橋向間距12 m。剛性吊桿采用八邊箱形截面，高1.4 m，寬1.4 m。柔性吊索采用雙束布置，內(nèi)穿于鐵路剛性吊桿并錨固在拱肋上，順橋向間距12 m，吊索采用PES7-55(109)低松弛鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 670 MPa。

系桿采用高強(qiáng)度可換型鍍鋅鋼絞線(xiàn)索，布置在公路橋面的柔性吊索兩側(cè)。系桿規(guī)格為55φs15.2 mm，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860 MPa，全橋共用32根。主墩采用鋼筋混凝土框架墩。成都側(cè)主墩高89.6 m，基礎(chǔ)采用28根φ3.4 m樁基礎(chǔ)；貴陽(yáng)側(cè)主墩高98.1 m，基礎(chǔ)采用36根φ3.4 m樁基礎(chǔ)。

120 m和116 m邊拱采用混凝土簡(jiǎn)支系桿拱，拱肋采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鐵路主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，公路主梁采用混凝土邊主梁結(jié)構(gòu)。

4 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 多跨雙層結(jié)構(gòu)體系

國(guó)內(nèi)外已建成的公鐵兩用橋均為公路布置在上層，鐵路布置在下層[3-11]。該橋橋址區(qū)兩岸地形高差大，如采用常規(guī)的合建橋梁，將公路設(shè)置在鐵路的上層，則大橋設(shè)計(jì)高程與成都側(cè)所接沿江道路高程高差約83 m，導(dǎo)致公路接線(xiàn)規(guī)模大，經(jīng)濟(jì)性差。為解決大橋公鐵合建、兩岸地形高差大等技術(shù)難題，因地制宜地采用鐵路在上層、公路在下層的分離式雙層橋面拱橋新結(jié)構(gòu)，兩層橋面高差32 m。

結(jié)合通航凈空尺度論證、橋位河段珍稀魚(yú)類(lèi)保護(hù)區(qū)等控制因素，主橋采用多跨拱橋結(jié)構(gòu)，跨度布置為：(116+120+336+120+116) m=808 m，如圖2所示。

圖2 宜賓金沙江公鐵兩用橋多跨雙層橋面結(jié)構(gòu)(單位：m)

(1)336 m主拱支承體系

因336 m跨徑較大，對(duì)于系桿拱，混凝土等材料將造成系桿力大，結(jié)構(gòu)較難實(shí)現(xiàn)，因此選擇鋼結(jié)構(gòu)材料的拱肋和梁體。高速鐵路對(duì)行車(chē)舒適度要求高，對(duì)橋梁豎向撓度及梁端轉(zhuǎn)角均有嚴(yán)格限制，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支系桿拱橋，梁端轉(zhuǎn)角等無(wú)法滿(mǎn)足規(guī)范要求，而采用拱墩固結(jié)體系時(shí)，鐵路梁端轉(zhuǎn)角可以控制在1‰以下，滿(mǎn)足高速鐵路對(duì)行車(chē)安全與舒適性的要求。

如果采用拱、墩、公路梁一起固結(jié)，固結(jié)體系構(gòu)造復(fù)雜，施工難度大，另外通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，拱梁墩固結(jié)體系中，公路主梁不僅未起到系梁的作用(承受拉力)，反而消耗了系桿拉力，致使系桿軸力及墩身剪力均有所增加，造成公路主梁截面、系桿截面以及墩身截面均有所增加，經(jīng)濟(jì)性差。綜合考慮336 m主拱采用鋼箱拱肋與橋墩固結(jié)、公路梁分離的結(jié)構(gòu)體系[12-20]。

(2)120(116) m邊拱支承體系

邊拱跨徑較小，采用混凝土材料的系桿拱較易實(shí)現(xiàn)。相比鋼結(jié)構(gòu)材料的系桿拱，混凝土材料的系桿拱造價(jià)低，同時(shí)梁體剛度大，更利于高速鐵路對(duì)行車(chē)安全與舒適的要求。采用簡(jiǎn)支系桿拱，具有受力明確，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便等優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮，120(116) m邊拱采用混凝土簡(jiǎn)支系桿拱。

4.2 雙層橋面吊桿構(gòu)造

國(guó)內(nèi)外公鐵兩用橋較多采用整體式鋼桁梁方案，優(yōu)點(diǎn)是梁體剛度大，不需要考慮吊桿的布置和錨固，缺點(diǎn)是兩層橋面相互干擾較大，同時(shí)不適合兩層橋面高差較大的橋梁。336 m跨鋼箱拱橋采用雙層橋面的拱橋方案，橋面間高差32 m，吊桿的選擇、布置、錨固對(duì)運(yùn)營(yíng)安全尤為重要。

為了滿(mǎn)足高速列車(chē)行駛安全性以及舒適性等要求，鐵路橋面吊桿選用剛度大、疲勞性能好、維護(hù)和施工簡(jiǎn)單的八邊箱形截面的剛性吊桿。而公路與鐵路橋面相差32 m，如公路橋面選擇剛性吊桿則經(jīng)濟(jì)性差，因此在滿(mǎn)足公路橋剛度的前提下，公路橋面吊桿選擇低松弛鍍鋅高強(qiáng)鋼絲的柔性吊索。柔性吊索為了結(jié)構(gòu)安全和換索方便，采用雙束布置，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 670 MPa。剛性吊桿和柔性吊索的縱向間距均為12 m。

為了解決雙層橋面吊桿布置和錨固難的問(wèn)題，大橋采用鋼箱剛性吊桿連接鐵路橋面、高強(qiáng)鋼絲柔性吊索連接公路橋面，將柔性吊索內(nèi)穿剛性吊桿并獨(dú)立錨固在鋼拱肋的錨固體系。這樣的布置和錨固方式有以下優(yōu)點(diǎn)：①減小了下層公路橋面和上層鐵路橋面運(yùn)營(yíng)的相互影響，使得鐵路和公路橋面運(yùn)營(yíng)更加安全和舒適；②剛性吊桿僅承受鐵路荷載，降低了鐵路剛性橋面吊桿疲勞破壞的概率；③鐵路橋面與公路橋面在活載作用下傳力明確，相互獨(dú)立，構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于施工。見(jiàn)圖3。

圖3 雙層橋面吊桿構(gòu)造

公路橋面與鐵路橋面分離，公路橋面獨(dú)立運(yùn)營(yíng)時(shí)，柔性吊索相對(duì)于剛性吊桿會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，在運(yùn)營(yíng)中需要避免柔性吊索和剛性吊桿的刮擦碰撞所出現(xiàn)的安全隱患，經(jīng)計(jì)算，各運(yùn)營(yíng)工況下柔性吊索與剛性吊桿的最大相對(duì)位移112 mm小于160 mm的預(yù)留空間，滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)安全需要。

4.3 雙層橋面吊桿構(gòu)造

對(duì)于大跨度拱橋，常見(jiàn)的拱梁連接方式有：①在拱梁交接處拱肋間設(shè)置橫梁，主梁與橫梁通過(guò)固定支座連接，而另一側(cè)則用活動(dòng)支座連接；②同樣在拱梁交接處設(shè)置橫梁，兩側(cè)主梁與橫梁通過(guò)大噸位阻尼裝置連接，同時(shí)增設(shè)防止橋面縱向漂移的軟約束。336 m跨鋼箱拱橋采用鋼箱拱肋與橋墩固結(jié)，公路梁分離的結(jié)構(gòu)體系，橋梁的整體剛度較大，常見(jiàn)的拱肋與鐵路梁連接方式在溫度、制動(dòng)力和活載作用下對(duì)鐵路橋面較短的剛性吊桿應(yīng)力和疲勞問(wèn)題均有較大影響。見(jiàn)圖4。

圖4 拱梁間連接構(gòu)造

設(shè)計(jì)中采用水平鋼箱連桿連接拱肋與鐵路橋面，可以有效約束主梁縱向位移，改善由活載、溫度等帶來(lái)的短剛性吊桿的疲勞性能，同時(shí)能簡(jiǎn)單明確傳遞列車(chē)制動(dòng)力、替代傳統(tǒng)大噸位阻尼裝置，施工和養(yǎng)護(hù)更加便利。

4.4 拱墩固結(jié)段

336 m鋼箱拱橋采用拱墩固結(jié)體系。鋼箱拱肋與混凝土墩身的接頭受力大，構(gòu)造復(fù)雜。設(shè)計(jì)要求鋼-混凝土接頭對(duì)各種荷載產(chǎn)生的軸力、彎矩、剪力等傳力順暢可靠，在荷載作用下有一定的承載安全儲(chǔ)備，剛度過(guò)渡良好，構(gòu)造上力求減小應(yīng)力集中。常見(jiàn)的鋼-混凝土接頭有直接承壓式和埋入式，直接承壓式主要是鋼結(jié)構(gòu)的壓力通過(guò)底座承壓板擴(kuò)散到混凝土，而彎矩引起的拉力則通過(guò)錨栓等施加的預(yù)壓力平衡；埋入式主要是通過(guò)埋入段鋼箱側(cè)壁的剪力釘將壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榧袅鬟f到混凝土結(jié)構(gòu)，本橋拱腳受力主要以受壓為主，直接承壓式較埋入式傳力更均勻、更直接，鋼-混凝土接頭采用直接承壓式。

設(shè)計(jì)中在鋼箱拱和混凝土接觸面設(shè)置厚度為120 mm的承壓板，將拱肋壁板及加勁肋熔透焊接在承壓板上，通過(guò)承壓板將拱肋壁板及承壓加勁肋的壓力均勻傳至混凝土底座。并在鋼-混結(jié)合段采用M56的錨栓提供預(yù)壓力，錨栓一端錨固在混凝土橋墩內(nèi)，另外一端錨固在鋼箱拱承壓加勁板與錨固墊板共同構(gòu)成的錨梁上。

拱墩固結(jié)段構(gòu)造復(fù)雜，采用模型試驗(yàn)和有限元分析研究，拱墩固結(jié)段模型與實(shí)際固結(jié)段比例1∶6，模型制作、安裝和試驗(yàn)時(shí)，采取將模型豎立，利用剪力墻、反力臺(tái)座和反力架提供反力的加載方式進(jìn)行試驗(yàn)，見(jiàn)圖5。

圖5 拱墩固結(jié)段模型加載試驗(yàn)

試驗(yàn)荷載采用等效的金沙江公鐵兩用橋拱墩固結(jié)段最不利彎矩和最不利軸力工況進(jìn)行設(shè)計(jì)荷載加載和1.4倍超載加載，試驗(yàn)中未出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)宏觀開(kāi)裂、鋼結(jié)構(gòu)屈曲、結(jié)構(gòu)位移突然增大等結(jié)構(gòu)破壞跡象，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平小于Q370qE鋼的容許應(yīng)力，混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平小于C50混凝土的容許應(yīng)力。拱墩固結(jié)段有較大的強(qiáng)度、剛度和承載能力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、安全可靠。

4.5 正交異性板組合橋面鋪裝體系

目前已建成公路鋼橋面鋪裝方案多采用瀝青鋪裝。瀝青長(zhǎng)期處于高溫、重載等條件下，鋪裝層容易出現(xiàn)車(chē)轍、縱向和橫向裂縫、坑槽等等病害，鋼橋面結(jié)構(gòu)也容易疲勞開(kāi)裂。

為解決大跨度鋼梁鋼橋面易疲勞開(kāi)裂和瀝青混凝土鋪裝層易破損的典型病害難題，336 m鋼箱拱橋公路橋面應(yīng)用正交異性鋼橋面板、底層超高性能混凝土和面層改性瀝青的組合橋面鋪裝體系，基于超高性能混凝土良好的力學(xué)性能及耐久性能，將配有鋼筋網(wǎng)的超高性能混凝土通過(guò)短剪力釘與鋼橋面板連接，形成組合橋面鋪裝體系，顯著提高鋼橋面板剛度，有效降低了鋼橋面的應(yīng)力和疲勞開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)大幅延長(zhǎng)鋪裝使用壽命，節(jié)省投資和維養(yǎng)工作量。

4.6 抗風(fēng)性能研究

大橋跨度大，橋墩高，橋梁的抗風(fēng)問(wèn)題較為關(guān)鍵。為了提高橋梁的抗風(fēng)性能，336 m鋼箱拱橋主梁采用了氣動(dòng)性能較好的封閉式箱梁斷面，極大地提高了其抗風(fēng)穩(wěn)定性。同時(shí)為了改善鐵路橋面剛性吊桿的渦振性能，設(shè)計(jì)中剛性吊桿采用八邊形截面，同時(shí)在吊桿內(nèi)安裝了可抑制順橋向和橫橋向振動(dòng)的減振器。對(duì)大橋進(jìn)行了風(fēng)洞模型試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖6。主要研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析、靜力節(jié)段、動(dòng)力節(jié)段模型試驗(yàn)、成橋狀態(tài)及施工階段氣彈模型試驗(yàn)、吊桿風(fēng)致振動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)、主墩處風(fēng)場(chǎng)繞流特性分析等。

圖6 風(fēng)洞模型試驗(yàn)

試驗(yàn)風(fēng)速達(dá)90 m/s時(shí)未發(fā)生顫振穩(wěn)定性問(wèn)題，該風(fēng)速已大于成橋狀態(tài)顫振檢驗(yàn)風(fēng)速49.2 m/s，其顫振穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求；成橋狀態(tài)在低于設(shè)計(jì)風(fēng)速30.1 m/s之內(nèi)沒(méi)有明顯的渦激振動(dòng)發(fā)生，滿(mǎn)足舒適度的要求。

成橋狀態(tài)在設(shè)計(jì)風(fēng)速下跨中截面的風(fēng)致抖振響應(yīng)位移見(jiàn)表1。

表1 成橋狀態(tài)跨中截面的風(fēng)致位移均方根相應(yīng)值

從表1可見(jiàn)，在成橋設(shè)計(jì)風(fēng)速下，跨中截面的豎向位移、橫向位移和扭轉(zhuǎn)角均較小，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.7 風(fēng)-車(chē)-橋耦合動(dòng)力研究

為了保障橋梁的動(dòng)力性能和列車(chē)通過(guò)橋梁時(shí)的安全性和舒適性，對(duì)大橋進(jìn)行了風(fēng)-車(chē)-橋耦合動(dòng)力分析。選用CRH3動(dòng)車(chē)組列車(chē)，列車(chē)以200～300 km/h五種速度，風(fēng)速25 m/s工況下通過(guò)大橋時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)見(jiàn)表2和表3。

表2 不同運(yùn)行速度下動(dòng)車(chē)的響應(yīng)

表3 不同運(yùn)行速度下橋梁的響應(yīng)

從表2和表3可看出， CRH3動(dòng)車(chē)組列車(chē)以速度200～300 km/h通過(guò)橋梁時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的橫向撓跨比、豎向撓跨比、橫向加速度及豎向加速度、動(dòng)力系數(shù)等均滿(mǎn)足要求。動(dòng)車(chē)的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪對(duì)橫向力、橫向及豎向加速度均滿(mǎn)足要求，橫向、豎向舒適度指標(biāo)均達(dá)到優(yōu)秀水平，滿(mǎn)足行車(chē)的安全性和舒適性要求。

5 結(jié)語(yǔ)

成貴鐵路宜賓金沙江公鐵兩用橋根據(jù)兩岸獨(dú)特的地形地貌特征，創(chuàng)新地將高速鐵路布置在上層，公路布置在下層，且兩層橋面高差32 m，解決了公鐵合建、兩岸地形高差大、高速、重載、大跨、高墩等技術(shù)難題；采用公路柔性吊索內(nèi)穿于鐵路剛性吊桿并獨(dú)立錨固于拱肋的新技術(shù)，解決了雙層橋面吊桿布置和錨固技術(shù)難題；采用水平鋼箱連桿連接拱肋與鐵路橋面新技術(shù)，改善了由活載、溫度帶來(lái)的短吊桿疲勞性能，同時(shí)施工方便；采用正交異性板、底層超高性能混凝土和面層改性瀝青的組合橋面鋪裝體系，降低了鋼橋面的應(yīng)力和疲勞開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。大橋于2013年12月開(kāi)工建設(shè)，2019年6月通車(chē)運(yùn)營(yíng)，具有跨越能力強(qiáng)、公鐵橋面分離、整體剛度大等優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了艱險(xiǎn)山區(qū)公鐵兩用拱橋的設(shè)計(jì)難題，該橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)可為今后類(lèi)似橋梁的建設(shè)提供參考。