武广客运专线桥梁结构类型和特点

刘忠平，曾 敏

(1.中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031;2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 概述

武广客运专线位于湖北、湖南、广东三省境内，北起武汉市的滠口站，南至广州市广州南站，正线全长995 km，线路走向与既有京广铁路武汉至广州段基本一致，从北往南主要经过咸宁、岳阳、长沙、株洲、衡阳、郴州、韶关、清远、佛山，最后到达广州。武广客运专线穿越我国中南部山区和长江水系及珠江水系的分水岭，沿线水流发育，工程地质复杂，桥梁占线路比重达41.2%，全线上共有各类桥梁662座，总长约410 km。全线主要桥梁还有东湖特大桥、胡家湾特大桥、沪蓉高速公路特大桥、梁家湾特大桥、汀泗河特大桥、株洲西湘江特大桥、衡阳湘江特大桥、西华海特大桥、跨环城高速特大桥等［1］。

2 桥梁设计技术标准

我国高速铁路的规划、设计、研究工作始于20世纪90年代，相对高速铁路发达的国家来说起步较晚［2］。武广客运专线的主要技术标准，是通过借鉴国外高速铁路设计资料和参考已建成的秦沈客运专线来确定，具体如下。

(1)采用洪水频率:桥涵均为1/100;

(2)设计活载:ZK活载;

(3)设计速度:350 km/h;

(4)正线数目和间距:一次双线;正线线间距5.0 m;图1为武广客运专线桥梁桥面一般构造图;

(5)轨道形式:正线轨道按一次铺设跨区间无缝线路设计，并以无砟轨道为主;

(6)建筑限界:客运专线限界标准执行《京沪高速铁路设计暂行规定》;通航河流桥下净空按照国家《内河通航标准》规定并参照既有相邻建筑物实际净空办理;跨越城市公路、道路立交桥下净空执行《公路工程技术标准》及《城市道路设计规范》，条件可能时宜留一点余量。

图1 桥面构造(单位:mm)

3 桥跨结构设计特点

桥跨的结构形式主要采用中铁工程设计咨询集团有限公司为300 km/h至350 km/h客运专线桥梁设计的系列结构形式通用参考图，跨径形式有:24 m(梁高2.4 m和3.0 m)、32 m、40 m预应力混凝土双线简支箱梁;2×24 m、2×32 m、2×40 m、3×24 m、3×32 m 预应力混凝土双线连续梁;(24+32+24)m、(32+48+32)m、(40+56+40)m、(48+80+48)m预应力混凝土双线连续梁;(40+50+40)m、(40+56+40)m钢-混凝土双线连续结合梁;(12+16+12)m、(16+20+16)m、(16+24+16)m、(16+3×24+16)m、(18+24+18)m、(18+3×24+18)m钢筋混凝土双线刚构连续梁;96 m简支下承式桁梁结合梁［9］。不同跨度结构形式具体布置原则如下。

(1)小跨度桥梁一般采用32 m、24 m简支箱梁或连续箱梁，具体布置时以32 m跨为主，24 m跨为辅。除受控制点影响外，尽量按等跨布置，一座桥梁尽可能以同一梁跨布置。对于特长桥必须采用2种及以上常用跨度梁时，相同梁跨都尽量集中布置。统计了本线具有代表性的37.5 km路段上18座大中、特大桥，其桥梁类型见表1。

表1 桥梁类型及比例统计

(2)中等跨度桥梁采用40～80 m的连续梁桥，用以跨越一般等级公路、普通铁路和小河支流。如南环线特大桥以两联跨度(32+48+32)m的连续梁跨越老武黄公路和南环铁路;沪蓉高速公路特大桥以两联跨度(40+56+40)m的连续梁跨越南环路和关风路;流芳特大桥以(70.5+72+40.75)m的连续梁跨流芳镇南环路。

(3)特大桥桥梁用在跨越高速公路主干道和河流主河道。如:与沪蓉高速公路立交的沪蓉高速公路特大桥主跨采用(60+100+60)m预应力混凝土连续梁;与京珠高速公路立交的梁家湾特大桥的主跨采用了112 m下承式钢管混凝土提篮拱桥;跨越湘江的衡阳湘江特大桥和株洲西湘江特大桥的主跨分别采用了(64 m+4×116 m+64 m)和(60 m+5×100 m+60 m)预应力混凝土连续梁。

4 桥梁下部结构设计特点

小跨度是指跨度为24、32、40 m简支梁和2×24、2×32、2×40、3 ×24、3 ×32 m 连续梁。这种跨度桥梁的主梁设计一般采用通用参考图，而基础目前却没有标准图可用。下面介绍武广客运专线上这种小跨度桥梁墩台和基础的设计情况。

(1)桥墩设计:当墩高为6～20 m时，采用钢筋混凝土空心桥墩(水中采用圆端型桥墩，旱桥采用矩形桥墩)，当墩高为4～6 m时，则采用实体墩。桥墩墩身截面尺寸见表2。若墩高＞15 m时，墩身尺寸根据计算放坡。为施工方便，墩身一坡到底。同一墩上，等梁高的简支梁支座高差用支承垫石调整，不等梁高的简支梁支座高差通过墩顶实体段调整。客运专线上还有部分墩高大于20 m，其截面设计视墩身具体高度而确定。

表2 武广客运专线桥墩墩身尺寸

(2)桥台设计:采用双线矩形空心桥台。桥台前墙横桥向宽7.2 m，后墙中间2.8 m内被挖空，两侧各留2.2 m，胸墙在挖空心部分设栏杆。

(3)基础设计:基础采用钻孔桩基础或扩大基础。当基坑开挖深度大于5 m时，采用桩基础。

桩基一般选择承载力较高的岩层、砂卵石层作为持力层。水文桥根据水文、地质资料，计算墩台基础冲刷以确定埋置深度及桩基自由长度。城市道路立交桥基顶或承台顶高程结合管线分布情况综合考虑。钻孔桩有 φ1.0 m、φ1.25 m 和 φ1.5 m 三种。其单位长度材料用量见表3。

表3 不同桩径工程数量

(4)基础施工围堰类型:一般视施工水深和地质情况选用草袋围堰筑岛、打入钢板桩或套箱围堰等。例如:东湖区域内的桥墩均采用钢板桩或套箱围堰施工以减少对市区环境、东湖风景区的影响，位于既有铁路、公路(城市道路)或管线附近的桥涵采用打入钢板桩防护。

5 典型特殊桥跨结构设计

武广客运专线上特殊桥跨结构形式主要有预应力混凝土连续梁、预应力混凝土连续刚构、下承式钢管混凝土提篮拱、下承式钢箱系杆拱、下承式连续钢桁拱等，其中跨东平水道的(99+242+99)m连续钢桁拱［10］为该线最大孔跨桥梁，跨西华海水道的(94+168+94)m连续刚构是该线最大跨度的混凝土桥，下文重点介绍3种典型的特殊桥跨结构，它们在武广客运专线的桥梁方案设计中被多次采用。

5.1 112 m钢管混凝土提篮拱桥

武广客运专线上有3座桥梁的主跨采用了这种结构形式，即武汉市内的东湖特大桥、位于湖南省内的梁家湾特大桥和湖北省内的胡家湾特大桥。东湖特大桥采用提篮拱桥用于跨越东湖，其余两座桥均用于跨越京珠高速公路。

提篮拱全长116 m，计算跨度为112 m。拱肋平面内矢高22.4 m，其设计矢跨比为f/l=1∶5。拱肋采用悬链线线型。立面和断面布置如图2和图3所示。拱肋在横桥向内倾9°，形成提篮式，拱顶处和拱脚处两拱肋中心距分别为9.19 m和16.20 m。两拱肋之间共设5道横撑，除拱顶横撑为“X”形外，其余均为“K”形。拱肋横截面为哑铃形钢管混凝土截面，截面高度h=3.0 m，等高布置，钢管直径为1 200 mm，钢管内采用C55无收缩混凝土填充。

图2 提篮拱立面(单位:cm)

图3 提篮侧面(单位:cm)

系梁按整体箱形梁布置，采用单箱三室预应力混凝土箱形截面，桥面箱宽17.8 m，梁高2.5 m，底板两侧设3 m×0.5 m倒角以减小风阻力，如图4所示。系梁采用C45混凝土，在纵向和横向均设置了预应力钢束。

吊杆布置采用尼尔森体系，在吊杆平面内，吊杆水平夹角在 52.10°～ 68.67°;横桥向水平夹角为 81°。吊杆间距为8 m，均采用127根φ7 mm高强低松弛镀锌平行钢丝束。

图4 系梁横截面(单位:cm)

提篮拱桥施工采用先梁后拱的施工方法，系梁采用满布支架施工，待系梁施工完后，拱肋钢管在系梁上搭设支架安装。提篮拱主要工程数量见表4。

表4 提篮拱桥跨结构工程数量

5.2 大跨、长联预应力混凝土连续梁桥

设计采用大跨、长联的预应力混凝土连续梁桥来跨越河流主干道，以减小深水桥墩和基础数量。如湖南境内两次跨越湘江的衡阳湘江特大桥和株洲湘江特大桥，其主跨分别为(64+4×116+64)m和(60+5×100+60)m，两桥的联长分别达到了592 m和620 m。以衡阳湘江特大桥为例进行介绍。

衡阳湘江特大桥的主跨为(64+4×116+64)m预应力混凝土连续梁桥，主梁梁高按圆曲线变化，根部和跨中梁高分别为8.90 m和5.2 m。采用单箱单室直腹板截面，顶板厚50 cm，腹板厚45～85 cm，底板厚50～100 cm，0号块附近顶板、腹板和底板局部加厚后尺寸分别为95、120 cm和150 cm，如图5所示。在中支点、端支点和中间跨跨中截面处均设有横隔板，厚度分别为3.0、1.5 m 和0.6 m。主梁采用 C60 混凝土，梁体采用三向预应力体系。

图5 系梁横截面图(单位:cm)

主跨连续箱梁采用挂篮对称悬臂浇筑方法施工，合龙顺序是先次边跨，再边跨，最后中跨合龙。全桥共分163个梁段，中支点0号梁段长度13 m，一般梁段长度分成3.0 m、3.5 m、4.0 m，合龙段长2.0 m，边跨现浇直线段长5.70 m，最大悬臂浇筑块重1 905.4 kN。

桥墩位于河流中，设计采用圆端形等截面实心桥墩，墩身正面法线与主梁交角为5°，以减小阻水面积。基础施工采用双壁钢围堰作为围水结构，桩基钢护筒在封底混凝土内设置剪力键，以保证钢护筒与封底混凝土间的粘结力，抵抗封底混凝土受到的水浮力。

表5给出了衡阳湘江特大桥主跨连续梁的梁部工程数量。

表5 (64+4×116+64)m连续梁工程数量

5.3 140 m下承式钢箱系杆拱桥

武广客运专线上汀泗河特大桥采用了下承式钢箱系杆拱桥，用于跨越京珠高速公路，具体构造如下。

拱肋采用双肋二次抛物线无铰拱，跨径140 m，矢高30 m，矢跨比1/4.67。两拱肋平行布置，横向中心间距16 m，每片拱肋采用变截面钢箱，材质为Q370qD钢，钢箱内宽 1.94 m，拱脚截面高 4.5 m，拱顶 3.0 m，中间截面高按直线内插。箱内设横隔板，横隔板间距不大于3 m，为防腐，两端横隔板要求密封。拱肋共分9个节段(不包括拱脚段)制造而成，成桥线型设计以直代曲，各分段间用高强度螺栓拼接。全桥共设5道横撑，各横撑也均为钢箱截面。

系梁为等截面钢箱，梁高3.5 m，内宽1.94 m，梁长143 m，共分为9个梁段，各梁段间连接用高强螺栓拼接。吊杆采用工形钢形吊杆，吊杆间距8 m。为减少风振，在吊杆腹板上开设过风孔，同时将根据吊杆风致振动结果确定在翼板上开孔方式及配置TMD。拱肋、横撑、系梁和吊杆一起，组成一个稳定的空间梁系结构。

系杆拱采用先梁后拱的施工方法，先采用满布支架施工系梁，然后拼装拱肋，待主体结构施工完后再拖拉就位。全桥用钢3 718 t。

6 结语

(1)武广客运专线上小跨度桥梁全部采用预应力混凝土简支箱梁，为了确保车辆高速运行的安全性、平稳性、旅客乘坐舒适性，高速铁路桥梁设计不仅要满足强度要求，更重要的是满足刚度要求［3］，普速铁路桥梁通常采用的T梁，因其整体性差横向刚度弱，在高速铁路上很少采用，简支箱梁具有整体性好、刚度大、抗扭性能好等良好的力学性能，很适用于高速铁路桥梁，成为替代T梁的通用桥型。

(2)我国既有铁路小跨度桥梁基本是采用清一色的简支梁，武广客运专线的小跨度桥梁设计仍然沿用了这种设计思想，但从国外高速铁路的发展趋势来看，小跨度桥梁更多的采用连续梁，尤其在欧洲更为普遍。显而易见，连续梁有更大的刚度和更好的受力性能，对高速行车更有利，且两者材料用量基本相当，因而，从结构本身的角度而言，采用连续梁应该更为合理。

(3)武广客运专线上桥梁墩台设计较单调，截面主要是矩形和圆端形，高速铁路一般为双线平行，当与河流斜交时桥墩阻水面积较大，今后可开发一些更适合斜交河流的桥墩形式。

(4)中等跨度的桥梁采用钢-混凝土结合连续梁虽然有许多优点，且在国外高速铁路被广泛使用［11］，但相对混凝土连续梁而言造价仍然较高，武广客运专线的桥梁设计中采用较少，多采用40～80 m的预应力混凝土连续梁。

(5)下承式钢管混凝土提篮拱桥因为施工方便、跨越能力大等特点，在公路桥梁中已得到了迅速推广。采用提篮式可以保证桥梁具有足够的横向刚度和拱肋横向稳定性，以满足高速铁路的刚度要求［7］。京沪高速铁路徐沪段上，徐州京杭大运河和丹阳九曲河都推荐使用钢管混凝土提篮式系杆拱桥，经过静力计算和车桥耦合动力分析，这两座桥均能满足要求。但这种结构在我国高速铁路桥梁应用上还缺少实例，建成后的实际性能还有待进一步研究。

(6)大跨、长联预应力混凝土连续梁桥应用于高速铁路上在国外早有先例，如在法国高速铁路中就可以经常看到，跨径布置为(2×41+47+6×53)m+53 m+6×53 m+47 m+2×41 m的Grenette预应力混凝土连续箱梁桥、跨径布置为(31+18×45)m+45 m+(6×45+67+100+67+6×45+40+30)m的 Ventabren预 应力 混凝 土连续箱梁桥［8］等。法国高速铁路连续梁的特点是:一般采用两联连续梁，中间加1孔两端均设固定支座的简支梁。两端桥台抵抗长联连续梁的纵向力，中间1孔简支梁有两个作用，其一为将大伸缩缝一分为二;其二为设置长钢轨温度伸缩调节器的固定轨。实践证明设置温度调节器虽然可以增加连续梁的长度，但同时也增加了检查和养护的工作量［8］。我国客运专线上桥梁所占比例大，不宜大量采用带温度调节器的长联连续梁。武广客运专线上除跨衡阳湘江特大桥和株洲西湘江特大桥，因跨湘江主跨连续梁做得较长外，其他连续梁的联长均控制在300 m以内，这样设计是合理的。

(7)下承式钢箱系杆拱桥是一种无推力拱式组合体系桥，其本身为静定结构，兼有了拱桥的较大跨越能力和简支梁桥对地基适应能力强的两大特点，特别适合跨度较大且建筑高度受限制的地方［7］。它们多为工厂制造，现场整体组装后，采用转体施工、桥位拼装或浮运施工就位方法，因此可以节约大量施工时间，不足的是用钢量较大。法国在修建地中海高速铁路中开始广泛采用这种结构形式［8］，如Garde-Adhemar桥采用了2孔115.4 m的下承式钢箱系杆拱，桥长324.6 m，全桥用钢达5 300 t。Avignon Sud桥全长190 m，主跨采用124 m简支下承式钢箱系杆拱，全桥用钢3 500 t。若造价能够降下来的话，在以后的客运专线桥梁设计上可以推广应用。

［1］中铁第四勘察设计院集团有限公司.武广铁路客运专线桥涵设计图纸［R］.武汉:中铁第四勘察设计院集团有限公司，2006.

［2］中铁第四勘察设计院集团有限公司.高速铁路［M］.北京:北京中国铁道出版社，1984.

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［4］中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

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［6］中华人民共和国铁道部.TB10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［7］陈宝春.钢管混凝土拱桥［M］.北京:人民交通出版社，2007.

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［11］曾敬东，李贞新，李小珍.我国高速铁路桥梁的结构形式及特点［J］.四川建筑，2005(4)58-61.