山区峡谷大跨度铁路桥梁方案设计研究*

周 继

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063； 2.中铁建大桥设计研究院 武汉 430063)

随着国家铁路建设的蓬勃发展，我国修建山区铁路的机遇越来越多。山区铁路建设条件大多艰险困难，山高谷深，地形陡峻，地质复杂，交通不便。

山区铁路桥梁一般墩高较高且差异大、跨度大，桥位受地质和环保因素控制的情况较多。而在桥式方案选择上需综合考虑铁路桥梁刚度要求、施工便捷性、养护维修难易性和经济性等因素，因此山区铁路桥梁方案大多以梁桥和拱桥居多。

选择合理的桥梁结构形式，将桥梁结构安全、列车运行安全、经济指标有机结合，实现合理化设计具有重要的现实和发展意义。文中以瓮马铁路北延伸线湘江特大桥(见图1)为研究对象，探讨山区峡谷大跨度铁路桥梁[1]设计方案选型，为山区峡谷桥梁设计提供一定借鉴。

图1 瓮马铁路湘江特大桥效果图

1 工程概况

瓮马铁路北延伸线从在建瓮马铁路瓮安站引出，向北经过瓮安县，跨湘江进入遵义市，接入既有川黔铁路阁老坝站，正线长99.63 km。湘江特大桥位于瓮安县与遵义交界处，工程处于黔北高原向黔中山丘过渡地带，海拔高程一般为750～1 400 m，沿线地形复杂，桥址位于湘江河谷，属于深切V形谷，地形条件复杂，山峦起伏，沟壑纵横，两岸岸坡陡峭，左岸自然坡度约65°，坡顶至坡脚高程为582.7～854.9 m，坡顶至坡脚水平距离约269.8 m；右岸自然坡度35°，坡顶至坡脚高程为478.4～817.6 m，坡顶至坡脚水平距离约508 m。两岸地势起伏较大，植被覆盖，多为树林、灌木及杂草，局部地区有基岩裸露，道路交通不便。

线路至峡谷底高差约277 m，水深50 m。两岸稳定边坡线角度分别为62°和27°。桥位处工程地理环境见图2。

图2 工程地理环境

桥区内表层为第四系全更新统冲洪积层淤泥质粉质黏土，下伏岩层由下第三系(E)钙质角砾岩组成，基本承载力：σ0=1 500 kPa。

工程区域地震基本烈度为VI度，地震动峰值加速度为0.05g，动反应谱特征周期为0.35 s。

湘江航道标准现状为V级，规划IV级，百年一遇洪水位H1%=630.5 m。

2 主要技术标准

1) 铁路等级：II级(货运预留客运开行条件)。

2) 正线数目：单线。

3) 线路条件：直线、纵坡0.6%。

4) 设计行车速度：120 km/h。

5) 设计活载：ZKH荷载。

6) 设计洪水频率：1/100。

7) 地震基本烈度：VI度。

3 桥梁方案设计

设计之初根据地质及线路平纵断面情况，为合理利用桥址V形地形，提出一跨过江方案和双主跨过江方案。一跨方案主跨425 m，可实现降低墩高同时桥墩基础设置于两岸岸坡稳定性以内；出于工程经济性考虑，原则上尽量减少高墩[2]数量，同时避免水中立墩和不良地质区，提出双主跨235～252 m方案。

桥梁设计应在满足使用功能的前提下[3]，遵循“安全、适用、经济、美观、耐久，以及环保”六项原则；同时应结合工程实际，选用技术先进、经济合理、施工方便可行的桥梁方案。山区铁路桥梁主跨425 m跨度较大且地形陡峭，斜拉桥方案不合理，宜采用拱桥[4]方案；而主跨235 m的可选桥梁方案主要有：连续刚构桥、拱形V撑刚构桥、刚构斜拉桥。普通的连续刚构桥在200 m跨度范围内经济适用性较好，但本桥跨度达235 m，混凝土徐变不易控制，设计难度大，传统的连续刚构桥方案不推荐采用。拱形V撑[5]刚构桥可有效降低墩高，提高桥梁纵向刚度的同时增大桥梁跨度，提升刚构桥在大跨度桥梁方案中的应用。

按照适用、经济、安全和美观的原则进行比选，最终提出136 m+2×252 m+136 m拱形V撑连续刚构、1×425 m上承式提篮拱桥、120 m+2×235 m+120 m刚构斜拉桥3种桥型，以下对各桥型方案分别进行设计研究。

3.1 V撑连续刚构方案

湘江特大桥墩高近200 m，此方案可有效降低墩高，提高桥梁纵向刚度的同时增大桥梁跨度，大大提升刚构桥在大跨度桥梁方案中的应用。

3.1.1结构体系

136 m+2×252 m+136 m V撑连续刚构为拱形V撑与梁体刚结而成的组合结构，为墩梁固结[6]体系，桥梁全长777.5 m，桥梁结构示意见图3。

图3 V撑连续刚构方案(单位：m)

3.1.2主要结构尺寸

1) 梁部。边跨梁长136.75 m，空腹段长38 m，中跨跨度252 m，中主墩处梁高40 m，其中V撑上弦梁高7.5 m，上下弦净距24.5 m，跨中梁高和边墩梁高均为6 m，桥面布置见图4。

图4 V撑连续刚构方案主梁跨中横截面示意图(单位：m)

V撑上弦采用单箱单室截面，梁顶宽10.3 m，梁底宽8.3 m，顶板厚0.64 m，腹板厚1.12 m。V撑下弦采用矩形空心截面，顶板和底板均宽8.3 m，高8.0 m，顶板厚均为1.5 m，腹板厚1 m。

V撑范围外梁部采用单箱单室截面，梁顶宽10.3 m，梁底宽8.3 m，跨中梁高6 m，在上下弦相交处梁高按抛物线过渡到15.941 m，顶板厚0.64 m，腹板厚0.4～0.64～0.86 m，底板厚0.58～1.5 m。

梁部在中主墩墩顶设置2道4 m厚横隔墙，横隔墙净距6 m。横隔墙与桥墩竖向贯通，将梁部荷载传递给桥墩。

2) 桥墩。左边墩、中墩、右边墩墩高分别为74，168，55 m。两边墩均采用双肢薄壁空心截面，距墩顶30 m范围两肢净距6 m，单肢等截面部分为顺桥向4 m，横桥向8.3 m，30 m范围以下横、纵向均按圆弧放坡；墩底纵桥向分别渐变为9，8 m，横桥向分别渐变为13.3，12.3 m。中墩采用空心墩，距墩顶80 m范围顺桥向不放坡，横桥向按1∶35放坡，为提高桥墩横向刚度，中墩横向分叉形成“人”字形桥墩，单肢墩底横向尺寸6 m，纵向尺寸为20 m。

3) 基础。中墩承台尺寸为38 m(横桥向)×31.5 m(纵桥向)×6 m，基础采用30根3 m柱桩；边墩承台尺寸为25.2 m×25.2 m×6 m，基础采用25根直径2.5 m柱桩。

3.1.3施工方案

1) 桥墩基础。基础采用挖孔桩基础，墩身采用爬模施工，3座桥墩同时施工。

2) 梁部。V撑处设置临时扣索，V撑上弦按支架施工，主梁采用挂蓝施工，主梁边直段采用支架现浇。

3) 桥面合龙，施工桥面系。

4) 动静载实验及竣工验收。

3.1.4主要计算结果

V撑连续刚构方案有限元模型见图5。

图5 V撑连续刚构方案有限元模型图

经计算，V撑连续刚构方案计算结果如下。

1) 位移及转角。静活载作用下边跨最大挠度值-22.4 mm，为跨度的1/6 071，中跨最大挠度值-55.3 mm，为跨度的1/4 557；最大梁端转角为0.08%；在列车横向摇摆力、风力和温度力的作用下，梁体横向挠跨比为1/2 290。

2) 主梁应力。最大压应力15.47 MPa，最小压应力为0.25 MPa。

3) 桥墩应力。墩顶压应力8.23 MPa，墩底压应力16.8 MPa。

3.2 上承式提篮拱方案

3.2.1结构体系

采用提篮式上承式钢桁-混凝土结合拱桥(见图6)，拱肋计算跨度L=425 m，拱肋矢高f=123 m(拱平面内)，矢跨比f/L=1/3.455。拱上梁跨布置为：2×90 m T构+5×24.0 m简支梁+1×32 m简支梁+5×24.0 m简支梁+2×90 m T构。

图6 上承式提篮拱方案(单位：m)

3.2.2主要结构尺寸

1) 主拱圈构造。拱轴线采用悬链线，拱轴系数m=1.69，主拱结构由2根拱肋与横向联接系组成(见图7)，拱肋横向内倾角为5.02°，拱肋中心距在拱顶为10.0 m，在拱脚为31.6 m。

图7 上承式提篮拱方案主拱圈平面示意图(单位：m)

单片拱肋由箱形弦杆组成，箱形截面肋宽0.8 m，肋高1.0 m，2片拱肋之间通过共用箱形截面顶、底板联结，上弦杆共用顶板结合0.5 m高混凝土，下弦杆通过共用底板结合0.5 m高混凝土。拱脚处拱肋高13.4 m，弦杆中心距11.9 m，拱顶处拱肋高度8.47 m，拱肋中心距7.47 m，拱肋高度按李特规律变化，截面惯性矩从拱顶至拱脚逐渐增大。主桁为N形桁架，节间水平投影长度8.0 m。

拱肋在靠近拱脚长度64.5 m范围内(水平距离)为实腹段，上、下弦杆采用H形截面通过混凝土外包形成劲性骨架混凝土箱形截面，其余部分采用箱形弦杆上下层结合混凝土的钢桁-混凝土结合截面。

箱形弦杆高度0.8 m，高1.0 m，顶底板板厚40 mm、腹板板厚32 mm，纵向顶、底、腹板均设置1道加劲肋，加劲肋板厚16 mm。H形弦杆翼缘板厚20 mm，腹板板厚24 mm。

拱桁腹杆为H形和箱形截面，在设置拱上立柱处竖腹杆截面，采用452 mm×736 mm的箱形截面，板厚24 mm；一般腹杆截面采用H形截面，翼缘板厚16 mm、宽450 mm，腹板高736 mm、厚度16 mm；在设置拱上立柱处斜腹杆截面有所加强，翼缘板厚24 mm、宽450 mm，腹板高736 mm，厚度24 mm。

横联截面均采用H形截面，翼板宽450 mm，总高500 mm，翼板、腹板厚16 mm。

平联采用H形截面，翼板宽450 mm，总高500 mm，翼板、腹板厚24 mm。

2) 拱上立柱构造。拱上立柱采用钢桁架墩，墩高1.98～40.8 m。立柱采用箱型截面，倾斜角度与拱肋一致。立柱横桥向截面内宽1 200 mm，顺桥向截面内侧高度2 000，2 500 mm，立柱板厚28，44 mm。横桥向2根立柱间设置 “×”形横联。立柱在其底部通过节点板和拱肋栓接形成固结体系。立柱横梁采用箱型截面，高度1 000 mm、宽1 200 mm，板厚24，32 mm。横梁上设加劲板及垫板以便后期更换支座进行顶梁。

3) 刚构墩。刚构墩为矩形空心墩，小、大里程交界墩墩高分别为112，115 m。小里程侧墩顶纵桥向宽度7.5 m，横桥向宽度4.2 m，墩底纵桥向宽度7.5 m，横桥向宽度10.6 m，矩形截面壁厚1.5～3.0 m，实体段长5.0 m；大里程侧墩顶纵桥向宽度7.5 m，横桥向宽度4.2 m，墩底纵桥向宽度7.5 m，横桥向宽度7.77 m，矩形截面壁厚1.5～3.0 m。

4) 梁部结构。拱上建筑为2×90 m T构+5×24 m简支梁+32 m简支梁+5×24 m简支梁+2×90 m T构，其中2×90 m梁部采用预应力混凝土T构。

5) 主拱基础。主拱基础采用扩大基础，拱座纵桥向长27.80 m，横桥向长42.2 m。

3.2.3施工方案

1) 边坡防护、施工拱座基础。

2) 施工两岸扣塔、锚碇等大型临时结构，爬模施工交界墩。

3) 主拱圈采用斜拉扣挂法吊装。

4) 刚构悬臂浇筑、拱上立柱吊装架设，预制架设拱上简支梁。

5) 动静载实验及竣工验收。

3.2.4主要计算结果

1) 位移及转角。静活载作用下挠跨比为1/5 789，梁端转角为0.18%；横向力作用下，梁体横向挠跨比为1/2 009。

2) 主拱圈应力。钢材最大压应力为173 MPa，混凝土最大压应力为18.5 MPa。

3.3 刚构斜拉桥方案

3.3.1结构体系

主桥采用120 m+2×235 m+120 m高低塔[7]刚构斜拉桥(见图8)，为塔墩梁固结体系，主桥全长711.7 m。边墩采用双肢薄壁结构降低桥墩刚度，提升长联大跨桥梁温度力和地震力的适应性；中墩采用空心高墩，提高结构强度和刚度。

图8 刚构斜拉桥方案(单位：m)

3.3.2主要结构尺寸

1) 主梁。边跨直线段及中跨跨中截面最低点处梁高为6.5 m，边、中墩处截面最低点处梁高为12.5 m，截面梁高按圆曲线变化。箱梁顶面宽10.3 m(见图9)，桥塔处加宽至11.5 m，斜拉索采用箱外锚固形式。

图9 刚构斜拉桥方案主梁横截面示意图(单位：m)

箱梁横截面为单箱单室直腹板截面，顶板厚64 cm，腹板厚分别为50，75，100 cm，底板厚由跨中的50 cm按圆曲线变化至中支点梁根部的135 cm，中墩支点处局部加厚到250 cm；全桥共设10道横隔梁，分别设于边墩、中墩支点、边直段支点和中跨跨中。边直段支点处分别设置厚1.5 m横隔梁，跨中合龙段设置厚0.8 m的中横隔梁，两侧边墩处设置2道横隔板厚分别为2.5 m和 2.0 m，中心间距分别为9.5 m和10 m，中墩处设置2道厚3.0 m横隔板，中心间距6.5 m。全梁共设50道半横梁，高度为2.02 m，宽度为0.66～1.0 m，位置与斜拉索下锚固端位置一一对应。

2) 桥塔。索塔采用双柱式桥塔[8]形式，中塔桥面以上塔高45 m，边塔桥面以上塔高35.5 m。为适应分丝管索鞍，塔柱采用矩形实体截面，桥塔顺桥向呈现拱形，边塔最宽12 m，中墩最宽16 m，横桥向宽2.5 m，四周设25 cm圆弧。在墩塔梁固结处桥塔分叉为2个独立塔柱。

3) 斜拉索。斜拉索采用单丝涂覆环氧涂层钢绞线拉索体系，外套HDPE，平行双索面体系。斜拉索梁上间距9.0 m，与主梁采用成品梁端锚具形式，主梁内设置锚固梁，张拉端设置在梁上。斜拉索在塔端采用分丝管索鞍贯通，间距为1.1 m。斜拉索规格为55-7φ5 mm、43-7φ5 mm 2种，索端水平夹角最小为19.64°，斜拉索采用单根张拉。

4) 桥墩、承台、桩基。3座桥墩高度分别为80.5，164.5，53.5 m，两边墩采用钢筋混凝土矩形双肢薄壁式柱墩，纵向宽度分别为2.5，2.0 m，双肢中心距为9.5，10 m，墩底加宽至5.7 m；承台顺桥向×横桥向×厚度为17.4 m×26.6 m×6.0 m，桩基础均采用24根直径2.2 m钻孔柱桩，行列式布置，桩中心距为4.6 m。中墩采用钢筋混凝土矩形空心墩，纵向宽度16 m，横桥向宽度11.5 m渐变30 m；承台顺桥向×横桥向×厚度尺寸为31.5 m×37.5 m×8.5 m，桩基础均采用30根直径2.8 m钻孔柱桩，行列式布置，桩中心距6.0 m。

3.3.3施工方案

1) 桥墩基础。施工桩基础、承台、墩身、顶帽。

2) 爬模施工塔柱。

3) 挂篮悬浇施工主梁，同时挂设对应节段的斜拉索，在边直段搭设支架或墩顶托架。

4) 桥面合龙，施工桥面系。

5) 动静载实验及竣工验收。

3.3.4主要计算结果

刚构斜拉桥方案有限元模型见图10。

图10 刚构斜拉桥方案有限元模型图

经计算，刚构斜拉桥方案计算结果如下。

1) 位移及转角。静活载作用下边跨最大挠度值-18.0 mm，为跨度的1/6 667，中跨最大挠度值-75.0 mm，为跨度的1/3 133；最大梁端转角为0.06%。在横向力作用下，梁体的横向挠跨比1/3 809，横向振动基频0.314 1 Hz；水平弯曲引起的最大转角为0.03%，水平曲线半径为111 882 m。

2) 梁部应力。最大压应力为14.19 MPa，最小压应力为0.16 MPa。

3) 桥墩应力。墩顶压应力15.99 MPa(边墩)，墩底压应力9.52 MPa(边墩)；墩顶压应力6.59 MPa(中墩)，墩底压应力7.91 MPa(中墩)。

4) 斜拉索应力。最大拉应力908 MPa，最小拉应力832 MPa，安全系数按2.0控制。

4 桥梁方案比选

上述3个桥梁方案均通过结构计算，方案安全可行。表1从施工难易程度、工期、造价、景观等方面对各方案进行比选。

表1 桥梁方案比选表

综上所述，方案一采用拱形V撑构造复杂、施工难度大；方案二施工困难，钢结构维修难度大，施工工期长且造价高，故最终推荐120 m+2×235 m+120 m刚构斜拉桥方案。湘江特大桥为国内联长最长的铁路部分斜拉桥，主墩164.5 m为世界最高铁路桥墩，目前本桥正在施工中。

5 结语

通过对瓮马铁路北延伸线湘江特大桥桥梁方案进行充分的技术经济比较，3个桥梁方案均是合理的可行方案。结合本桥建设条件，相对而言刚构斜拉桥在铁路领域运用成熟，施工方便且风险较小，具有较强的技术先进性和良好的经济性，优势较为明显。