高速铁路高墩桥梁桥式方案比较研究

郑 伟,尹国伟

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 研究背景

随着我国高速铁路建设的飞速发展，并配合我国“一带一路”倡议、交通强国等国家战略的实施，高速铁路的建设不断由平原向艰险山区拓展，各类高墩大跨桥梁结构陆续出现，对高墩大跨度桥梁的设计施工提出了新的挑战。

吴再新等[1-2]依托渝利铁路新桥特大桥和蔡家沟大桥的超百米高墩，提出了人型墩和A形墩的桥墩构造，并取得了良好的技术经济效果。陈思孝等[3]对80～100 m墩高下墩型的适应性展开研究，提出了不同墩型的最优适用墩高，对墩型的合理选用具有指导意义。李宗建[4-5]依托黄韩侯铁路纵目沟特大桥的105 m高墩，提出了新型柱板式空心墩，并对不同截面形式进行了比选，新型桥墩可较传统空心墩节省圬工20%以上，大幅降低工程造价。杨勇[6]对重载铁路50～70 m墩高下，32～64 m跨度简支梁进行比较，认为64 m简支梁的技术性和经济性均最优。

新建襄阳至常德铁路荆门西至五峰段为高速铁路，是国家 “八纵八横”高速铁路网之一的重要组成部分。其中五峰4号特大桥、磨市特大桥跨越山间宽阔谷地，最大墩高80 m，墩高50 m以上桥长合计约900 m。依托该项目2座桥梁，开展高墩大跨度桥梁桥式方案及经济性研究。

2 主要技术标准

设计行车速度：350 km/h

正线数目：双线

设计活载：ZK活载

轨道类型：无砟轨道

最小曲线半径：5 500 m

3 梁部参数

根据山区铁路桥梁的建设特点，选取常用移动模架法施工的32、40、48、64 m跨度简支梁，及(40+64+40) m、(48+80+48) m、(60+100+60) m跨度的连续梁、连续刚构3种梁型进行桥式方案的比较研究。各梁型主要技术参数见表1，其中简支梁采用等截面单箱单室箱梁，连续梁及连续刚构采用变截面变高度单箱单室箱梁，梁底下缘按二次抛物线变化，箱梁断面见图1～图3。

图1 32～48 m简支箱梁断面(单位:cm)

表1 各梁型主要技术参数 m

图2 64 m简支箱梁断面(单位:cm)

图3 连续梁及连续刚构箱梁断面(单位:cm)

4 下部结构设计

4.1 刚度限值及主要控制标准

我国高速铁路采用跨区间无缝线路，故由于温度变化、列车制动等产生的钢轨附加应力对桥梁结构的安全影响较大[7-8]。桥梁下部结构的纵向水平刚度主要受轨道强度和稳定性及制动力作用下梁轨相对位移两方面因素控制[9-10]。

猜想1对于完全二分图[2],完全正则多部图[3],系列平行图[4]和最大度Δ=3,4,5,6,10(见文献[2,5-7])的正则图已经被证实是成立的。另外,对于所有的平面图[8-9]猜想1也是成立的。近年,很多学者对最大度较高的平面图能否得到一个具体的线性荫度非常感兴趣。其中Wu[8]证明了对于最大度Δ≥13的平面图,la(G)=「Δ/2⎤。Cygan[10]等人证明了对于最大度Δ≥9的平面图,la(G)=「Δ/2⎤,并且提出了猜想2。

TB10002—2017《铁路桥涵设计规范》[11]中仅对48 m以下跨度简支梁的纵向水平线刚度提出了要求，未明确48 m以上跨度简支梁及连续梁的下部结构刚度限值。综合相关研究成果，拟定以上各跨度梁型的墩顶纵向水平线刚度限值见表2。

表2 各梁型墩顶纵向水平线刚度限值

4.2 桥墩选型

高速铁路在墩高不高时简支梁及连续梁一般采用圆端形实体墩，连续刚构主墩一般采用双薄壁墩，其具有纵桥向抗推刚度小的特点，使纵桥向的容许位移增大，从而减小温度作用和混凝土收缩徐变带来的不利影响。

当墩高在30～80 m时，一般采用单变坡空心墩，较为经济合理，在墩顶及墩底设置实体过渡段，可使支座反力较均匀地传至墩壁，同时减少活载冲击力对墩壁的影响，同时墩壁应力能扩大传至基底，使基底应力分布较均匀。

墩高在80～100 m时，通常采用二次放坡空心墩，桥墩下部坡度较缓以增大横向刚度，上部坡度较陡以减少圬工量。

当墩高超过100 m时，可采用墩身下部分岔的人字形空心墩，或人字分岔区增加横向系梁的A字形空心墩。通过调整分岔斜腿的横向间距来满足横向刚度要求。

4.3 下部结构计算

根据以上各梁型刚度限值及控制标准，拟定简支梁60～90 m桥墩及基础尺寸并计算桥墩线刚度及墩顶弹性水平位移。

根据相关研究成果，当地质条件较好时，单位力墩身位移占单位力总位移40%的情况下，桥墩和基础总圬工量较省[20]，且刚度容易满足，经济性和技术性最为合理。本次即按墩身刚度与基础刚度比值约为6∶4拟定下部结构尺寸。

简支梁及连续梁根据TB10002—2017《铁路桥涵设计规范》要求，纵向考虑制动力及风荷载，横向考虑摇摆力、离心力、风荷载及温度力，检算下部结构强度、刚度及稳定性并统计工程量。由于不同地震动水准下桥墩及基础尺寸差异较大，故拟定结构尺寸时未考虑地震力荷载。

桥墩均采用圆端形单变坡空心墩，顶部壁厚0.55～0.9 m，外侧坡度(25∶1)～(35∶1)，内侧坡度(50∶1)～(60∶1)，基础采用钻孔灌注桩基础。桥墩构造见图4，下部结构尺寸及墩顶纵向刚度见表3。

图4 简支梁及连续梁桥墩构造图

表3 简支梁下部构造及主要技术参数

连续刚构梁型采用Midas civil 2020软件建立全桥模型，边墩按与相同跨度刚构相接考虑，纵横向荷载同简支梁及连续梁，仅考虑常规力作用下荷载。桥墩采用矩形空心墩，墩壁纵向等厚为1.0 m，墩顶横向壁厚0.7 m，横向外坡坡度为22∶1～30∶1，内坡坡度为30∶1～40∶1，基础采用钻孔灌注桩基础。计算刚构下部结构刚度及变形并统计工程量。桥墩构造见图5，下部结构尺寸及墩顶纵向刚度见表4。

表4 连续梁及连续刚构下部构造及主要技术参数

图5 连续刚构主墩构造

5 经济指标比较

由于梁部不同施工方法下工程投资的差异较大，故简支梁按移动模架现浇法施工，连续梁及连续刚构按挂篮悬浇法施工，据此计算各墩高下的工程投资。根据计算所得简支梁下部结构尺寸，对比分析不同墩高下各简支梁的每延米工程投资见图6。

由图6可知，相同墩高下，每延米工程投资随跨度增大而降低；相同跨度下，工程投资随墩高增大而增加。

图6 简支梁每延米经济指标对比

由于高墩桥梁常存在于“V”形山谷处，谷底处墩高较高，两侧山坡墩高较低，故选择桥式方案时，可选择较大跨度的简支梁，减少谷底的高墩数量，从而节省投资。

对比分析不同墩高下连续梁及连续刚构桥梁的每延米工程投资见图7。相同墩高及跨度下，连续梁与连续刚构的造价比为1.5～2.2。因此，大跨度混凝土连续结构桥梁采用连续刚构，主体工程数量较连续梁更省，同时采用连续刚构体系可省去大吨位支座及其养护维修和更换费用。

图7 连续梁各梁型每延米经济指标对比

综合各梁型每延米工程投资见图8，由图8可知，相比连续梁及连续刚构，小跨度简支梁由于跨度较小，桥墩数量较多，故工程投资更高，相同墩高下投资为连续刚构的2～2.7倍。因此，选择桥式方案时，采用更大跨度梁型，减少高墩数量，降低平均墩高的方案更经济合理。

图8 各梁型每延米经济指标对比

6 结论

随着山区高速铁路的发展建设，对桥梁跨越能力的要求越来越高，需要增加桥梁跨度、桥墩高度来跨越障碍。只有不断加深对各种桥式的研究，选择经济合理的桥式方案，才能取得更好的社会经济效益。

通过对不同跨度类型的高墩经济指标进行比较研究，提出了高速铁路高墩桥梁经济合理的桥式方案及跨度建议，并得出如下结论。

(1)相同墩高条件下，采用更大跨度的简支梁工程投资更省。

(2)相同墩高及跨度条件下采用连续刚构工程投资较连续梁更省，更经济合理。

(3)对比分析简支梁、连续梁及连续刚构桥梁的每延米工程投资，相同墩高条件下采用连续刚构桥梁的工程投资更省，且采用更大跨度梁型，相应降低墩高的方案更经济合理。