大西客运专线晋陕黄河特大桥主桥桥式方案比选

康 炜

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，西安 710043)

1 桥址概况

大西客运专线晋陕黄河特大桥位于陕西省与山西省交界处禹门口至潼关段黄河上，东侧位于山西永济市张营镇小樊村，右岸位于合阳县黑池镇北廉村附近，桥址处地形平坦，地势开阔，河道宽近10 km，河床宽浅，主河槽宽约3.3 km。东西岸位于黄河三级阶地上，高差约为50 m。桥梁大部分坐落于黄河一级阶地、漫滩及河床区，穿越大片黄河湿地。该河段属淤积性游荡型河道，桥位处设计流量Q1%=24 318 m3/s，检算流量Q0.33%=29 216 m3/s。桥位处年平均气温13.7℃，最热月平均气温 26.1℃，最冷月平均气温－1.2℃，年平均湿度64%。地层主要以粉细砂为主，地震动峰值加速度值采用0.20g，地震动反应谱特征周期采用0.35 s。

2 桥梁总体设计

2.1 总体设计原则

本桥为控制性重点工程，桥梁规模庞大，在设计过程主要遵循以下原则:

(1)桥式方案必须满足行洪、防凌、通航及水文、地质条件的要求;

(2)本桥为客运专线桥梁，需具备良好完善的使用功能，同时应充分考虑实施条件、耐久性能、运营维修、工程造价等因素;

(3)本桥为特大型桥梁工程，技术上先进可行，积极稳妥地推进新型桥梁结构，体现当代桥梁建设的技术水平。

(4)在满足上述功能的基础上，结合桥位景区特点，重视桥梁景观设计。

2.2 桥梁跨度的选择

根据黄河水利委员会确定的主要控制指标要求:主河槽孔跨不小于100 m，滩地孔跨不小于40 m。即主河槽范围DK704+160～DK707+400，该范围内桥梁跨度按不小于108 m控制。

2.3 主桥桥式方案的选择

结合桥位处具体特点，为使结构经济合理，主河槽范围内桥式选择的总体思路为:尽可能采用等跨结构或跨度差异较小的结构，可选用桥型主要有连续梁、连续刚构、钢桁梁、梁拱组合结构、索梁组合结构以及桥梁自身重量较轻的钢混组合结构等。若采用一般连续梁或连续刚构，考虑合理配跨要求，势必造成主跨跨度接近180 m，由于桥址处于高地震区，地震力成为控制设计的主要因素，且工程造价会大幅度增加，已不尽合理。另外桥梁穿越洽川黄河湿地景区，桥梁形式应充分考虑景观效果，在空旷的河道内，桥梁结构与周围环境比较相对较小，因此桥梁应突显轮廓美，主河槽范围内桥梁宜形成整体规模，考虑合理经济指标，桥梁跨度无需太大。基于上述分析，主桥桥型选择了单T刚构加劲钢桁组合结构、部分斜拉桥、连续梁边孔加拱组合结构、下承式连续钢桁梁、空腹连续刚构5种桥型进行比较分析。

2.4 联长的选择

桥梁联长主要受控于地震力及轨道温度联长，本线铺设CRTSⅡ型连续板式无砟轨道，轨道温度联长主要受控于轨道应力及底座配筋率。各方案联长比较见表1。

表1 各方案联长比较 m

3 桥式方案比较

3.1 方案一:单T刚构加劲钢桁组合结构

3.1.1 主桥孔跨布置

本方案主桥孔跨布置为15-(2×108 m)(图1)。

图1 方案一桥式效果图

3.1.2 方案构思

根据桥跨布置思路，且尽量避免水中施工膺架，双孔单T刚构完全符合布孔思路。但由于单T刚构跨度大，要满足梁端转角要求，相应梁体断面、圬工需大幅增加，导致地震力较大。通过钢桁加劲能较好改善上述影响，同时，由于加劲钢桁作用，主梁正弯矩得到有效降低，配束较少，从而减小了大跨结构的徐变上拱值。

3.1.3 方案形成过程

(1)加劲钢桁桁式的选择

分别对三角形无竖杆桁式与带竖杆桁式进行了比较分析。根据计算比较结果，2种桁式用钢量及对梁端转角贡献程度基本相当，但由于有竖杆三角形钢桁形式杆件间夹角小，节点构造处理相对困难，节点板也比无竖杆桁架略大，同时由于节间数、杆件数较多，杆件安装精度要求高，施工周期会略长，外在形式亦略显凌乱，故采用无竖杆三角形桁架。

(2)加劲桁长度范围的选择

为取得加劲钢桁对主梁刚度的合理贡献值，对钢桁加劲范围分别按钢桁长48、56、64 m及全梁加劲进行了比较分析，比较结果见图2。

图2 钢桁加劲长度比较

从图2可知，加劲范围从48 m依次增加至64 m时，梁端转角依次减小10.6%、7.5%，而用钢量依次增加15.5%、12.6%，当增至整个梁跨范围内时，相对64 m而言梁端转角减小1.73%，而用钢量增加92.5%，综合考虑加劲范围采用64 m。

(3)加劲桁桁高的选择

为取得合理桁高，选取桁高6～10 m针对梁端转角及钢桁用钢量进行比较，比较结果见图3。

图3 加劲钢桁桁高比较

从图3可知，桁高从6 m依次增加至10 m时，梁端转角依次减小4.0%、3.2%、1.9%、1.13%，而用钢量依次增加7.8%、7.2%、6.7%、6.3%，综合考虑桁高采用9 m。

(4)加劲钢桁距梁端的距离选择

在钢桁形式、加劲范围及桁高确定的基础上，就加劲桁距梁端的距离分别按0、4、8 m进行了分析比较，比较结果见图4。

图4 加劲桁距梁端距离与梁端转角关系

从图4可知，加劲桁距梁端的距离0、4 m，梁端转角基本一致，当增加至8 m时，梁端转角增大2.8%，结合构造加劲桁距梁端的距离采用4 m。

(5)加劲桁上弦、端斜杆填充混凝土效应分析比较

根据加劲桁受力特点，上弦杆及端斜杆均为受压杆件，为此对其杆件内是否填充混凝土进行了分析比较。比较结果显示，当梁端转角基本相当时，若不填充混凝土，用钢量将增加113%，为充分发挥混凝土抗压性能，降低用钢量，选用填充混凝土方案。

(6)主梁梁高及施工方案比较

方案1 梁高5～11.5 m，等高梁段长54 m，箱梁挂篮悬臂灌注施工不加设辅助措施;

存在问题:悬拼长度过大，箱梁正负弯矩差达16倍，由于二者弯矩相差太大，箱梁配束难度很大。计算结果表明，1/4跨附近主梁主拉应力达－4.9 MPa，同时截面正应力达20 MPa，造成部分截面受压区高度超限。针对该问题，为改善箱梁受力状况，对箱梁施工工序及梁高进行了调整。

方案2 在箱梁悬臂灌注阶段，部分梁段浇筑时采用临时塔架及临时拉索。

方案3 中支点梁高增至12.5 m，等高梁段缩至40 m，箱梁悬灌阶段不采取辅助措施。

计算结果表明，方案2、3均可有效地解决上述问题，方案2施工过程较为复杂，用钢量较方案3增加8%，故采用方案3。

(7)加劲钢桁对徐变上拱值的分析

大跨度预应力混凝土结构徐变上拱较为显著，对加劲钢桁改善主梁徐变上拱的影响进行了分析，分析结果表明，无加劲钢桁时主梁徐变上拱值12 mm，设加劲钢桁时主梁徐变上拱值2.8 mm，加劲钢桁能有效降低结构的徐变上拱值。

3.2 方案二:部分斜拉桥方案

3.2.1 主桥孔跨布置

主桥孔跨布置为15－(2×108 m)单塔部分斜拉桥(图5)。

3.2.2 部分斜拉桥在高速铁路桥梁中应用的可行性

图5 方案二桥式效果图

部分斜拉桥自1988年首次提出以来，以其优越的结构性能、较高的跨越能力及良好的经济指标，近年来在国内外得到迅猛发展。据不完全统计，国外已建成或在建同类桥梁38座，国内14座，跨度已达312 m，但大多属公路桥梁，铁路桥梁较少，国外已建成铁路桥梁为日本屋代南北铁路桥，国内已建成铁路桥梁为芜湖长江大桥。

部分斜拉桥为介于斜拉桥和连续梁之间的过渡性桥梁，集2种桥型的优点于一体，形成一种刚柔相济的新型结构，显示出强大的发展潜力。其具有以下的结构特点:(1)主梁的刚度大，以梁为主，索为辅，斜拉索实质上起体外预应力索的作用;(2)桥塔的建筑高度低，拉索的倾角小，拉索为梁提供较大的轴向力;(3)后期换索对行车运营干扰小，可在不中断行车仅限速的情况下进行;(4)拉索的应力幅小，有效提高了拉索的抗疲劳性能;(5)拉索索力无须调整或调整有限，施工控制的难度小;(6)梁端转角及活载挠度易于保证。综上所述，作为近年发展起来的一种新的桥梁形式，部分斜拉桥兼有梁式桥和一般斜拉桥的优点，它较好地解决了制约斜拉式桥梁应用于铁路桥梁的两大技术问题:结构的柔性和抗疲劳性能差，只要合理选取索梁承担荷载的比例，部分斜拉桥完全可以应用于高速铁路桥梁中。

3.2.3 部分斜拉桥在本桥中应用的合理性

部分斜拉桥挺拔刚劲的主塔、纤细规整的斜索、轻盈的主梁，体现出现代气息，与古老的黄河文明形成鲜明的对比，并相得益彰，景观效果明显。同时由于有效降低了结构自重，结构的抗震性能得到明显提高。桥梁跨度完全可实现等跨相连的结构，符合布跨思路，避免了水中施工膺架，且主梁徐变上拱值较小。

3.2.4 方案形成过程

(1)单双索面的选取

单双索面的选择主要受桥面宽度的影响，由于铁路桥梁桥面较窄，已建成桥梁均采用了双索面形式。单索面布置造成桥面较宽，达15.1 m，箱梁需采用单箱双室截面，造成箱梁圬工增加，且线间距需改变，线路平面线型局部恶化，另外桥梁感观整体抗扭刚度较弱，故本次设计采用双索面形式。

(2)桥塔塔高、塔形的选取

部分斜拉桥塔高较低，一般为桥跨的1/6～1/12，结合构造、景观等综合因素，通过对比计算采用1/7～1/8，桥塔有效高度(桥面以上)取21.5 m。

塔形的选择多姿多样，受主观因素影响较多，主要有H形、钻石形、Y形。“H”形桥塔造型简洁，应用范围比较广泛，钻石形桥塔在斜拉桥中应用较多，由于部分斜拉桥桥塔较低，综合3种塔形的特点，选用介于“H”形与“Y”形之间，向下内收的桥塔造型。

(3)箱梁有索区、无索区长度的选取

无索区长度对部分斜拉桥至关重要，主梁无索区的长度决定了主梁的梁高。无索区的长度过大，会引起主梁刚度不足，控制主梁的设计，造成斜拉索应力幅等各项指标的上升，从而不得不提高主梁的梁高，这对全桥的经济指标是十分不利的。通过对梁端转角、箱梁活载挠度、箱梁弯矩分别对不同的无索区长度进行对比分析，分析结果见表2。

表2 部分斜拉桥方案无索区长度比较

分析结果表明，无索区长度对梁端转角及活载挠度影响较小，说明所选主梁刚度足够强大，但不同无索区长度对主梁的设计弯矩影响较大，结合景观效果、斜拉索用量，考虑主梁合理受力状况，采用L1=L2=22 m。

(4)斜拉索间距、索对数的选取

斜拉索间距的选取主要影响因素为主梁施工梁段长度、无索区长度及景观等，根据上述对主梁无索区长度的分析，参照已建桥梁索间距，结合本桥主梁施工梁段长度，索间距取8.0 m。

斜拉索对数结合主梁无索区长度的布置，分别对8、9、10对索，针对斜拉索分担桥梁竖向荷载的的比例进行了对比分析，结果见表3。

表3 部分斜拉桥方案斜拉索对数比较

分析结果表明，斜拉索承担活载比例均较小，相应斜拉索应力幅亦较小，综合考虑在控制斜拉索应力幅的情况下，为使主梁计算配束合理，采用9对索方案。

(5)结构体系比较(表4)

部分斜拉桥是一个由索、塔、梁、墩4种基本构件组成的组合结构，根据其不同的组合方式，可以组成飘浮(半飘浮)、塔墩固结箱梁支承、塔梁固结和全固结4种体系。由于高速铁路桥梁对行车的安全性、平稳性及乘车的舒适性要求高，桥梁需要具有较大抗弯、抗扭刚度，故不考虑飘浮体系，主要对其他3种结构体系进行对比分析。(1)塔墩固结，箱梁支承体系;(2)塔梁固结体系、塔墩分离体系;(3)刚构体系:即塔墩梁固结。

表4 部分斜拉桥方案结构体系比较

根据分析结果可知，体系一、二梁端转角不满足要求，需加大主梁高度，故采用体系三。

3.3 方案三:连续梁边孔加拱方案

3.3.1 主桥孔跨布置

主桥桥跨布置为:7－(4×108 m)连续梁边孔加拱组合结构(图6)。

图6 方案三桥式效果图

3.3.2 方案构思及形成

连续梁边跨加设加劲拱使桥梁可达到等跨布置效果，4孔一联较3孔一联桥梁景观效果更为协调与流畅，减小了临时墩及现浇支架等临时工程量。

(1)加劲拱拱轴线的选用

加劲拱承担荷载主要为二期恒载和活载，对于拱肋来说，承担的荷载较小且比较均匀，对于该种情况，拱轴线常选用二次抛物线和拱轴线系数m较小的悬链线。经对比分析，2种拱轴线与压力线的偏差均较小，引起拱肋弯矩差值亦较小，本次设计采用线型较为简单的二次抛物线。

(2)加劲拱矢跨比的选用

已建成的拱桥，矢跨比一般在1/4～1/6。对于108 m跨而言，当矢跨比采用1/6时，矢高为18 m，结构高度较低，拱较坦，造成拱脚水平推力较大，对主梁影响亦较大。该比值的矢跨比较少采用，故对矢跨比按1/4和1/5进行了比较计算，比较结果见表5。

比较结果显示，矢跨比1/4较1/5的拱肋最大轴力、弯矩、推力分别减少2.6%、15.7%、10.3%，而吊杆长度、拱肋长度分别增加23%、4.5%。从景观效果来看，矢跨比1/4时，线形接近圆形，结合桥梁整体效果来看，线形不够流畅，矢跨比1/5时，曲线流畅，整体曲线起伏均匀，故矢跨比采用1/5。

表5 拱肋矢跨比比较

(3)拱肋形式及结构参数的选用

钢管混凝土拱截面形式主要有:单管、双管哑铃形，多管桁架式等。单管截面加工简单，抗扭性能好，但抗弯效率低，一般应用于跨径不大的拱桥中。桁架式截面能够采用较小的钢管直径取得较大的纵横向抗弯刚度，在跨径较大的桥梁中应用较广，但其截面成型工艺复杂，横向宽度较大，桥面较宽，在跨度100 m左右的拱桥中较少采用。哑铃形截面较单管截面抗弯刚度大，较桁架式截面施工简单，相对而言，其受力明确，制造工艺简单，是较合适的截面形式，故采用哑铃形截面。

拱肋钢管直径D与跨径L比值一般为1/60～1/150，高度H与跨度L比值一般为1/30～1/60，拱肋钢管直径D与高度H比值为1/2.11～1/2.67，以1/2.5居多，结合计算，钢管直径选用 1.0 m，拱肋高度2.5 m。

(4)结构体系的比选

本桥桥高接近40 m，针对本桥特点，本次设计对刚构与连续体系进行了分析对比。根据比较结果，刚构体系主梁、桥墩受力较为复杂，设计较为困难;对于连续体系，虽然本方案联长较长，但桥高较高，连续结构可以实现，且主梁受力较为合理，配束较为均匀，故采用连续体系。

3.4 双孔连续钢桁梁

3.4.1 主桥孔跨布置

主桥采用15－(2×108)m连续钢桁梁(图7)。

图7 方案四桥式效果图

3.4.2 方案形成

(1)结构体系的选用

对于钢桁结构来讲，以等跨结构跨越其经济性能最优。为此分别对108 m简支钢桁梁、108 m简支钢桁拱、2×108 m连续钢桁梁进行设计比选。见表6。

根据比较结果，结合施工工艺，采用2×108 m连续钢桁梁方案。

表6 钢桁梁方案结构体系比较

(2)桁式、桁高的选取

通过对三角形无竖杆桁架与带竖杆桁架进行比较，无竖杆的三角形桁架，可减少杆件数量，外观简洁，节点板构造相对简洁、构造尺寸也可适当减小，节省钢料，节点板高度相对较小，施工相对简单，周期短，采用无竖杆三角形桁架。

连续钢桁梁的桁高一般在1/8～1/12跨度间，国内修建的铁路108 m连续钢桁梁桁高一般在13.6 m左右，但考虑到高速铁路无砟轨道对主梁的刚度要求较高，桁高也应相应增高，故对加劲梁桁高在14～16 m间进行了设计比选。根据比较结果，当桁高16 m时用钢量最省，但考虑其与15 m桁高的用钢量相差约2%，但由于桁高增加，导致腹杆夹角变小，施工困难，综合考虑桁高采用15 m。

(3)桥面结构形式的选取

钢混结合桥面结构可有效降低行车噪声，减少环境污染，能够避免轨枕与纵梁连接处易锈蚀的缺点。正交异性板结合桥面结构桥面板直接参与主结构受力，可提高桥梁的纵横向刚度，同时其上铺设的混凝土板利用剪力钉与桥面板结合，桥面竖向荷载一部分通过混凝土板直接传递到横梁、横肋，也可达到提高结构刚度的作用，但钢桥面板的制作和安装困难，用钢量较大。纵横梁结合桥面因混凝土桥面沿纵向一定间隔设置横向断缝，混凝土桥面板仅起到传递桥面竖向荷载的作用，不考虑其参与体系受力，对刚度没有贡献，桥面系需设置下平联及制动联结系，该类桥面系形式不具备结合梁的优点。密布横梁结合桥面的优点是横梁及混凝土桥面板提供了较大的横向刚度，桥面系不需设置下平纵联，结构简单，钢桁梁制作和架设施工方便，用钢量较少，但混凝土板承受较大的拉力、易开裂。考虑到无砟轨道对桥梁刚度的更高要求，采用刚度较好的正交异性板结合桥面。

3.5 空腹刚构方案

3.5.1 主桥孔跨布置

主桥采用8－(108+156+108)m空腹刚构(图8)。

3.5.2 方案构思

上述方案主桥范围内均采用等跨布置，本方案采用不等跨布置。综合考虑地震力及轨道温度联长，增大了边跨与中跨比值，缩短了整体联长，为进一步减小地震力影响，主跨采用156 m。

图8 方案五桥式效果图

3.5.3 结构特点

空腹式刚构即通过钢腹杆、混凝土顶底板结构将钢材与混凝土有机结合为一体，具有以下主要特点:

(1)由于腹板采用钢腹杆，其结构自重可减少20% ～30%，明显减小结构的地震反应，提高结构在地震作用下的动力性能，进而降低下部结构的工程造价;

(2)在有效降低箱梁圬工的情况下，该结构可有效提高结构的刚度，对提高列车运行的安全性和舒适度十分有利，从而对高速铁路的行车更加有利;

(3)在剪力较大的支点截面和梁端截面采用普通预应力混凝土箱梁，充分发挥混凝土箱梁抗剪能力强的优势;而在剪力相对较小的中部断面则采用空腹式箱梁，以减轻梁体的重量，从而减小结构内力，使整个结构的内力状态趋于合理。经分析采用空腹式箱梁连续刚构方案后，支点弯矩可下降30%左右。

4 各方案综合比较(表7)

表7 各桥式方案综合比较

5 结论

通过上述详细比较，本桥主桥桥式方案采用方案一。

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