武九客运专线西南下行联络线特大桥主桥桥式方案比选

罗春林

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉　430063)

武九客运专线西南下行联络线特大桥主桥桥式方案比选

罗春林

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063)

摘要：武九客运专线西南下行联络线特大桥主桥跨越3条既有铁路线路，桥梁与既有铁路线路夹角仅16°。为了选出主桥最合理的桥式方案，从安全、适用、经济、施工对既有铁路的影响等各方面进行计算及分析对比，比选结果表明，主跨148 m矮塔斜拉桥为本桥的最优桥式方案。

关键词：铁路桥梁；曲线桥梁；跨越既有线；桥式方案；比选

1桥址概况(图1)

武九客运专线西南下行联络线特大桥位于江西省九江市庐山铁路枢纽内，小里程侧距庐山站约800 m，新建线路附近为车站的一些老旧建筑物。

桥址于KXNXDK1+053.7～KXNXDK1+101.3处跨越既有京九铁路上行线、下行线，该线实测轨面高程35.01 m，与既有铁路夹角为16°，采用开行双层集装箱的线路建筑限界，要求净高7.96 m；于KXNXDK1+101.6～KXNXDK1+120处跨越既有西南下行线，该线轨面高程为35.57 m，与本线夹角为16°，采用客运专线铁路建筑限界，要求净高7.25 m[1，2]。

受站场高程的控制，本桥跨越既有铁路位置线路轨面设计高程为51.507 m。

图1　主桥桥址平面

2主要技术标准

设计速度：120 km/h。

线路情况：有砟轨道，单线。

线路平面：主桥范围位于直线、缓和曲线及圆曲线，圆曲线半径1 000 m。

纵断面：主桥范围分别设为+20‰、0‰及-20‰纵坡，主桥范围设有2个半径为10 000 m竖曲线变坡点。

设计活载： ZK活载。

3设计方案

结合桥位处地形条件，为跨越既有的3条铁路线路，主跨结构跨度应不小于148 m。根据桥位处特点，本桥桥式方案的选择思路为：满足功能适用、结构合理、造价经济、施工期间对既有铁路干扰小的原则。基于上述原则，可供比较的桥式方案有：矮塔斜拉桥，连续梁拱组合结构，连续刚构桥，连续梁，简支钢桁梁。本桥初步设计阶段对以上5种桥型进行了比较分析。

3.1矮塔斜拉桥方案

矮塔斜拉桥是介于斜拉桥和连续梁桥之间的组合桥型，兼具斜拉桥的纤细柔美和连续梁(刚构)桥的刚劲有力，是一种刚柔互补的新桥型[3]。

图2　矮塔斜拉桥方案全桥立面(单位:m)

本方案为(88+148+88) m双塔双索面矮塔斜拉结构，采用预应力混凝土主梁，钢筋混凝土桥塔，全桥共设12对斜拉索。结构体系为塔梁固结、墩塔分离。见图2。(1)主梁(图3)

矮塔斜拉桥方案主梁采用预应力混凝土单箱单室直腹板变高度箱梁，箱梁顶面宽10.0 m，底宽6.5 m，斜拉索采用箱外锚固形式。中支点截面梁高7.0 m，跨中合龙段及边跨现浇段、边跨合龙段梁高3.5 m，梁底下缘按圆曲线变化，圆曲线半径R=711.786 m。顶板厚42 cm，腹板厚分别为45、70、90 cm，底板厚由中跨跨中及边跨直段的50 cm按圆曲线变化至110 cm，中支点再加厚至150 cm，边支点处加厚到80 cm。全桥分别于中支点、端支点和中跨跨中处设5道横隔梁，中支点横隔梁厚4.0 m，边支点处端隔梁厚1.55 m，中跨跨中横隔梁厚0.5 m，横隔梁处设有孔洞供检查人员通过。此外，在索梁锚固点处各设置高1.6 m半横梁1道，全梁共设有24道锚固横梁。

图3　矮塔斜拉桥方案主梁横断面(单位:cm)

(2)桥塔及鞍座

桥塔采用钢筋混凝土结构，横向为双柱式，桥面以上塔高18.0 m，塔高与跨度比为1/8.2， 塔柱横向不设横联。塔柱采用矩形实心截面，塔柱横截面轮廓四周设R=25 cm圆倒角处理，顺桥向塔底宽5.0 m，塔顶宽4.0 m，横桥向宽度2.0 m。鞍座设于塔身上部，斜拉索贯穿其中并锚固在塔两侧的主梁上，鞍座弯曲半径为3.5～6.5 m。鞍座应能承受斜拉索的径向压力及塔两侧索体的不平衡力[4]。

(3)斜拉索

斜拉索横向为双索面布置，立面为半扇形布置，每个索塔设6对斜拉索，斜拉索塔上索间距0.7 m，梁上索间距8.0 m。斜拉索在索塔内通过，并通过鞍座锚固于塔身，两侧对称锚固于梁体。斜拉索采用镀锌钢绞线，外套HDPE，斜拉索规格为15.2-43，抗拉强度标准值1 860 MPa。

(4)施工方法

为降低施工期间对桥下既有铁路线路运营的影响，主桥采用平转施工方法施工。具体步骤为：①先平行于既有铁路采用悬臂灌注或分节段支架现浇施工主梁，施工有索节段后对应安装斜拉索并进行初张拉；②施工至最大悬臂状态后进行二次调索至设计吨位；③将主梁平面转体至设计线位，合龙主梁，施工二期恒载，完成施工。

3.2连续梁拱组合结构方案(图4)

图4　连续梁拱组合结构方案(单位:m)

连续梁拱组合结构能较好地发挥连续梁和拱2种结构体系的优点。它利用拱肋承担由吊杆传来的部分二期恒载和活载，系梁抵抗拱的推力并承受结构自重、部分二期恒载及活载。由于拱的加劲作用，能够有效降低主梁的高度。本方案桥式具有整体受力特性好、结构刚度大、建筑高度低、施工方法成熟等优点[5-7]。(1)主梁(图5)

主梁采用单箱单室截面，中支点梁高8.0 m，中跨跨中及边支点梁高4.0 m，梁底由圆曲线变化，R=546.50 m。箱梁顶板宽8.8 m，底板宽6.0 m。主梁采用C55混凝土，设纵向和竖向预应力。顶板厚度为42 cm，边支点处局部加厚到72 cm，中支点处局部加厚到102 cm。腹板厚度45～70～90 cm，支点处局部加厚，底板厚度由35 cm变厚到110 cm。全梁共设5道横隔板，分别为边支点端横隔板2道，中支点横隔板2道，中跨跨中横隔板1道，隔板上设有过人孔。

图5　连续梁拱组合结构方案主梁横断面(单位:cm)

(2)主拱肋(图6)

拱的计算跨径L=148.0 m，矢高f=29.6 m，矢跨比f/L=1/5，拱轴线为抛物线，拱轴线方程:y=-1/185x2+0.8x。两榀主拱肋横向间距6.7 m。拱肋采用等高度哑铃形截面，拱肋高2.9 m，弦管直径φ0.9 m，材料为钢管混凝土。拱肋弦管及缀板采用16 mm厚Q345qD钢，内填C55微膨胀混凝土。两榀拱肋间共设9道横撑，横撑采用φ450 mm×12 mm和φ200 mm×10 mm空钢管，材料为Q345qD钢。

图6　主拱肋截面(单位:cm)

(3)吊杆

全桥共设16组双吊杆，吊杆纵向间距8.0 m。吊杆采用PES(FD)7-55型低应力拉索(平形钢丝束)，其fpk=1 670 MPa，Ep=2.0×105MPa。吊杆配套采用LZM7-55型冷铸镦头锚，拱肋一端为张拉端。

(4)施工方法

采用先梁后拱施工顺序，先平行于既有铁路采用悬臂灌注或分节段支架现浇方法施工主梁，平面转体至设计线位后浇筑边跨及中跨合龙段，完成主梁施工。在施工好的主梁桥面拼装拱肋后将其竖向转体，再进行吊杆张拉施工。

3.3连续刚构桥方案(图7)

图7　连续刚构桥方案(单位:m)

连续刚构桥是一种常见并且成熟的一种桥型。连续刚构桥是墩、梁固结的连续梁桥，其综合了T构桥在悬臂施工中保持体系平衡的特点，又吸取了连续梁桥在整体受力上能承受正负弯矩的优点，得到了广泛的应用。连续刚构桥一般运用于大跨度的桥梁。由于整个结构连接成一个整体，属于多次超静定结构，因而由预应力、混凝土收缩徐变和温度变化所引起的结构纵向位移将在结构中产生较大的次内力。大跨连续刚构桥一般采用柔性的薄壁墩，把柔性墩作为一种摆动支承体系，从而降低墩的刚度，减小次内力效应[8]。(1)主梁(图8)

图8　连续刚构方案主梁横截面(单位:cm)

主梁采用单箱单室截面，中支点梁高9.0 m，中跨跨中及边支点梁高4.5 m，梁底由圆曲线变化，R=450.28 m。箱梁顶板宽7.2 m，底板宽6.0 m。主梁采用C55混凝土，设纵向和竖向预应力。顶板厚度为42 cm，边支点处局部加厚到72 cm，中支点处局部加厚到102 cm。腹板厚度45～70～90 cm，支点处局部加厚，底板厚度由50 cm变厚到120 cm。全梁共设5道横隔板，分别为边支点端横隔板2道，中支点横隔板2道，中跨跨中横隔板1道，隔板上设有过人孔。

(2)主墩

主墩为双薄壁矩形墩，墩与梁固结。双柱纵向间距5.4 m，墩壁厚1.8 m，横向宽度7.8 m，设0.3 m×0.3 m倒角。21号、22号主墩墩高分别为6.5 m、8.5 m(不含转体系统上转盘高度)。

(3)基础(图9)

图9　主墩基础布置(单位:cm)

主墩基础采用12-φ2.0 m钻孔灌注群桩基础，主墩基础均按柱桩设计，行列式布置，行间距4.0 m，列间距4.0 m。

(4)施工方法

先平行于既有铁路采用悬臂灌注或分节段支架现浇方法施工主梁后，将其平面转体至设计线位，然后再浇筑边跨、中跨合龙段，完成结构施工。

3.4连续梁方案(图10)

图10　连续梁方案(单位:m)

预应力混凝土连续梁桥以结构受力明确、形式简洁、动力性能好、跨越能力大等优点，在铁路非常规跨度梁中应用非常广泛[9-10]。(1)梁体结构构造(图11)

图12　简支钢桁梁方案(单位:m)

图11　连续梁方案典型横截面(单位:cm)

主梁采用单箱单室截面，中支点梁高11.5 m，中跨跨中及边支点梁高5.5 m，梁底由圆曲线变化，R=388.33 m。箱梁顶板宽7.2 m，底板宽6.0 m。主梁采用C55混凝土，设纵向和竖向预应力。顶板厚度为42 cm，边支点处局部加厚到72 cm，中支点处局部加厚到102 cm；腹板厚度50～75～100 cm，支点处局部加厚；底板厚度由50 cm变厚到120 cm。全梁共设5道横隔板，分别为边支点端横隔板2道，中支点横隔板2道，中跨跨中横隔板1道，横隔板上设有过人孔。

(2)施工方法

先平行于既有铁路采用悬臂灌注或分节段支架现浇方法施工主梁后，将其平面转体至设计线位，然后再浇筑边跨、中跨合龙段段，完成结构施工[11]。与连续刚构桥的施工方法基本一致。

3.5简支钢桁梁方案(图12)

钢桁梁是铁路桥梁常用的一种桥型，具有跨越能力大、建筑结构高度低，制造、架设方便等优点[12]。

(1)结构形式

本方案采用1孔148 m无竖杆整体节点平行弦三角桁架下承式钢桁梁，桁高18.5 m，节间长度为16.0 m。两侧接32.6 m简支T梁。

(2)桥面布置(图13)

两片桁间距9.0 m，道砟槽内宽4.5 m，人行道置于主桁内侧，宽1.05 m。

(3)主桁构造

①截面形式

主桁上、下弦杆及端斜杆均采用焊接箱形截面，上、下弦杆及端斜杆内宽1 100 mm，内高1 300 mm，板厚20～46 mm。主桁其他斜杆采用箱形及H形截面。

②主桁连接

采用焊接整体节点，箱形截面杆件均在节点外四面拼接，H形截面杆件与节点采用插入式连接。主桁杆件与节点之间采用M24高强螺栓连接，箱形杆件下水平板需设置手孔，手孔位于拼接缝中心处，宽120 mm。

图13　桥面布置(单位:m)

(4)桥面

①总体布置

钢桥面由桥面板、横梁及横肋、纵肋4个部分组成，其中钢桥面板全桥纵、横向连续，纵向与下弦顶板伸出肢焊接，横向分段焊接。在钢桥面顶铺设3 mm厚的MMA防水层。

②横梁及横肋

横梁间距16 m，采用倒T形截面，高1252 mm，腹板厚16 mm，底板宽740 mm、厚28 mm，上翼板与主桁伸出肢焊接，腹板及底板与主桁伸出肢栓接。两道横梁之间设4道横肋。

③纵肋

钢桥面板在道砟槽范围之内共设置了9道U肋，两侧挡砟墙外侧各设4道I肋。U肋高度280 mm、厚8 mm，间距600 mm，I肋高度140 mm、厚12 mm。纵肋全桥连续，遇横梁、横肋腹板则开孔穿过。

(5)施工方法

先在既有线一侧施工临时支墩，平行于既有线拼装钢桁梁，安装滑道梁，再以21号主墩为中心将钢桁梁平面旋转至设计线位。

4方案比选

以上5个桥型方案中，连续梁的建筑高度最高，支点处梁高11.5 m，跨中梁高5.5 m。由于本桥在庐山枢纽内，线路高程受控于庐山车站站场高程，连续梁方案不能满足桥下净空要求，其余4个桥型方案均能满足要求。此外，本桥平面位于曲线上，连续梁拱，简支钢桁梁方案需对桥面进行加宽，其余3个方案可曲梁曲做，对线路曲线平面的适用性较好。

初步设计阶段对以上各桥型方案均进行了结构检算。连续刚构桥方案由于墩高太矮，特别是21号主墩，墩高仅为6.5 m，仅为跨度的1/22.7，虽然采用了双肢薄壁墩，柱墩的刚度仍然较大。在主梁预应力、混凝土收缩徐变以及温度荷载作用下，墩底最大弯矩达65 329.9 kN·m，对应轴力为35 896.2 kN(主+附工况)。按偏心受压构件对墩底截面进行检算，即使按332@15 cm的配置受力钢筋，仍然不能满足受力要求。除连续刚构桥方案外，其他4个方案结构受力均能满足要求。

施工期间对既有铁路运营的影响方面，5个方案均采用了转体施工。但是连续梁拱组合结构采用先梁后拱法，需要在主梁平转到位后，再在既有线上方进行拱肋的吊装及吊杆施工作业[7]，对既有线运营安全不利。

各方案优缺点比较见表1。

表1　各方案优缺点比较

5结论

经过上述详细比较分析，连续梁方案功能不满足要求，连续刚构桥受力无法满足。结合本桥的实际情况，本桥主桥桥式方案推荐采用满足桥下净空要求、结构经济、受力合理并且施工期间对既有铁路运营影响最小的(88+148+88)m矮塔斜拉桥方案。

参考文献：

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Comparison of Bridge Type for Railway Extra-long Bridge on Wuhan-Jiujiang Passenger Dedicated Railway Line

LUO Chun-lin

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract：Xi’nan down line railway bridge on Wuhan-Jiujiang passenger dedicated railway crosses over three existing railway lines with only 16° between the bridge and the existing railway line. To select the most suitable bridge type， calculation， analysis and comparison are conducted in terms of safety， comfort， economy， and effect of construction on existing railway. The result shows that low-tower cable-stayed bridge with a main span of 148 m is the best selection for the bridge.

Key words：Railway bridge; Curved bridge; Crossing over existing railway; Bridge type; Comparison and selection

中图分类号：U442.5+4

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.017

文章编号：1004-2954(2015)06-0073-06

作者简介：罗春林(1984—)，男，工程师，2009年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士，E-mail:luochunlin@crfsdi.com。

收稿日期：2015-02-02； 修回日期：2015-02-06