大跨双层公铁两用钢箱拱桥设计关键技术

王 志,梅新咏,苏 杨

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司,武汉 430056)

1 工程概况

成贵铁路宜宾金沙江公铁两用桥位于四川省宜宾市郊区。为了充分利用稀有的桥位资源，大桥采用公铁合建。上层为4线有砟铁路，其中2线为成贵高铁，设计速度250 km/h，其余2线为预留线路，线间距4.6 m；下层采为双向六车道城市快速路，设计速度60 km/h，两侧布置人行道[1-2]。该桥位于西南山区，主跨336 m，主墩最高98.1 m，是成贵铁路控制性工程，也是世界上首座高速铁路布置在上层、公路布置在下层的公铁两用钢箱系杆拱桥，具有公铁合建、两岸地形高差大、高速、重载、大跨、高墩等技术难点。

2 结构布置

结合通航净空尺度论证、桥位河段珍稀鱼类保护区等控制因素，综合考虑经济性、施工便利性等，宜宾金沙江公铁两用桥主桥跨径布置为(116+120+336+120+116) m，其中336 m主拱采用拱墩固结、拱梁分离的钢箱系杆拱桥，120 m和116 m边拱为混凝土简支系杆拱桥。见图1。

图1 宜宾金沙江公铁两用桥总体布置

3 主桥结构设计

336 m跨主拱采用拱墩固结、拱梁分离的钢箱系杆拱。拱肋采用钢箱结构，与桥墩固结，拱轴线为抛物线，矢跨比为1/3.36，拱肋采用等高截面，高9 m，宽3 m。两片拱肋横向平行布置，中心线间距28.5 m，拱肋间采用“一”字形和“K”形横撑连接。

上层铁路桥面采用箱形边主梁、纵横梁体系的正交异性整体钢桥面板。标准段主梁宽28.5 m，边主梁高3.0 m，宽1.4 m，标准段长12 m。铁路桥面通过刚性吊杆连接到拱肋上。

下层公路桥面采用工字形边主梁形式的正交异性钢桥面板。边主梁的中心间距为28.5 m，外侧布置4 m宽的挑臂，梁高2.6 m，标准节段长12 m。公路桥面通过柔性吊索连接在拱肋上。

刚性吊杆将铁路桥面连接于拱肋上，顺桥向间距12 m。刚性吊杆采用八边箱形截面，高1.4 m，宽1.4 m。柔性吊索采用双束布置，内穿于铁路刚性吊杆并锚固在拱肋上，顺桥向间距12 m，吊索采用PES7-55(109)低松弛镀锌高强钢丝，标准强度fpk=1 670 MPa。

系杆采用高强度可换型镀锌钢绞线索，布置在公路桥面的柔性吊索两侧。系杆规格为55φs15.2 mm，标准强度fpk=1 860 MPa，全桥共用32根。主墩采用钢筋混凝土框架墩。成都侧主墩高89.6 m，基础采用28根φ3.4 m桩基础；贵阳侧主墩高98.1 m，基础采用36根φ3.4 m桩基础。

120 m和116 m边拱采用混凝土简支系杆拱，拱肋采用普通钢筋混凝土结构，铁路主梁采用预应力混凝土箱梁，公路主梁采用混凝土边主梁结构。

4 设计关键技术

4.1 多跨双层结构体系

国内外已建成的公铁两用桥均为公路布置在上层，铁路布置在下层[3-11]。该桥桥址区两岸地形高差大，如采用常规的合建桥梁，将公路设置在铁路的上层，则大桥设计高程与成都侧所接沿江道路高程高差约83 m，导致公路接线规模大，经济性差。为解决大桥公铁合建、两岸地形高差大等技术难题，因地制宜地采用铁路在上层、公路在下层的分离式双层桥面拱桥新结构，两层桥面高差32 m。

结合通航净空尺度论证、桥位河段珍稀鱼类保护区等控制因素，主桥采用多跨拱桥结构，跨度布置为：(116+120+336+120+116) m=808 m，如图2所示。

图2 宜宾金沙江公铁两用桥多跨双层桥面结构(单位：m)

(1)336 m主拱支承体系

因336 m跨径较大，对于系杆拱，混凝土等材料将造成系杆力大，结构较难实现，因此选择钢结构材料的拱肋和梁体。高速铁路对行车舒适度要求高，对桥梁竖向挠度及梁端转角均有严格限制，对于钢结构简支系杆拱桥，梁端转角等无法满足规范要求，而采用拱墩固结体系时，铁路梁端转角可以控制在1‰以下，满足高速铁路对行车安全与舒适性的要求。

如果采用拱、墩、公路梁一起固结，固结体系构造复杂，施工难度大，另外通过计算发现，拱梁墩固结体系中，公路主梁不仅未起到系梁的作用(承受拉力)，反而消耗了系杆拉力，致使系杆轴力及墩身剪力均有所增加，造成公路主梁截面、系杆截面以及墩身截面均有所增加，经济性差。综合考虑336 m主拱采用钢箱拱肋与桥墩固结、公路梁分离的结构体系[12-20]。

(2)120(116) m边拱支承体系

边拱跨径较小，采用混凝土材料的系杆拱较易实现。相比钢结构材料的系杆拱，混凝土材料的系杆拱造价低，同时梁体刚度大，更利于高速铁路对行车安全与舒适的要求。采用简支系杆拱，具有受力明确，构造简单，施工方便等优点，综合考虑，120(116) m边拱采用混凝土简支系杆拱。

4.2 双层桥面吊杆构造

国内外公铁两用桥较多采用整体式钢桁梁方案，优点是梁体刚度大，不需要考虑吊杆的布置和锚固，缺点是两层桥面相互干扰较大，同时不适合两层桥面高差较大的桥梁。336 m跨钢箱拱桥采用双层桥面的拱桥方案，桥面间高差32 m，吊杆的选择、布置、锚固对运营安全尤为重要。

为了满足高速列车行驶安全性以及舒适性等要求，铁路桥面吊杆选用刚度大、疲劳性能好、维护和施工简单的八边箱形截面的刚性吊杆。而公路与铁路桥面相差32 m，如公路桥面选择刚性吊杆则经济性差，因此在满足公路桥刚度的前提下，公路桥面吊杆选择低松弛镀锌高强钢丝的柔性吊索。柔性吊索为了结构安全和换索方便，采用双束布置，标准强度fpk=1 670 MPa。刚性吊杆和柔性吊索的纵向间距均为12 m。

为了解决双层桥面吊杆布置和锚固难的问题，大桥采用钢箱刚性吊杆连接铁路桥面、高强钢丝柔性吊索连接公路桥面，将柔性吊索内穿刚性吊杆并独立锚固在钢拱肋的锚固体系。这样的布置和锚固方式有以下优点：①减小了下层公路桥面和上层铁路桥面运营的相互影响，使得铁路和公路桥面运营更加安全和舒适；②刚性吊杆仅承受铁路荷载，降低了铁路刚性桥面吊杆疲劳破坏的概率；③铁路桥面与公路桥面在活载作用下传力明确，相互独立，构造简单，便于施工。见图3。

图3 双层桥面吊杆构造

公路桥面与铁路桥面分离，公路桥面独立运营时，柔性吊索相对于刚性吊杆会产生相对位移，在运营中需要避免柔性吊索和刚性吊杆的刮擦碰撞所出现的安全隐患，经计算，各运营工况下柔性吊索与刚性吊杆的最大相对位移112 mm小于160 mm的预留空间，满足运营安全需要。

4.3 双层桥面吊杆构造

对于大跨度拱桥，常见的拱梁连接方式有：①在拱梁交接处拱肋间设置横梁，主梁与横梁通过固定支座连接，而另一侧则用活动支座连接；②同样在拱梁交接处设置横梁，两侧主梁与横梁通过大吨位阻尼装置连接，同时增设防止桥面纵向漂移的软约束。336 m跨钢箱拱桥采用钢箱拱肋与桥墩固结，公路梁分离的结构体系，桥梁的整体刚度较大，常见的拱肋与铁路梁连接方式在温度、制动力和活载作用下对铁路桥面较短的刚性吊杆应力和疲劳问题均有较大影响。见图4。

图4 拱梁间连接构造

设计中采用水平钢箱连杆连接拱肋与铁路桥面，可以有效约束主梁纵向位移，改善由活载、温度等带来的短刚性吊杆的疲劳性能，同时能简单明确传递列车制动力、替代传统大吨位阻尼装置，施工和养护更加便利。

4.4 拱墩固结段

336 m钢箱拱桥采用拱墩固结体系。钢箱拱肋与混凝土墩身的接头受力大，构造复杂。设计要求钢-混凝土接头对各种荷载产生的轴力、弯矩、剪力等传力顺畅可靠，在荷载作用下有一定的承载安全储备，刚度过渡良好，构造上力求减小应力集中。常见的钢-混凝土接头有直接承压式和埋入式，直接承压式主要是钢结构的压力通过底座承压板扩散到混凝土，而弯矩引起的拉力则通过锚栓等施加的预压力平衡；埋入式主要是通过埋入段钢箱侧壁的剪力钉将压力转变为剪力传递到混凝土结构，本桥拱脚受力主要以受压为主，直接承压式较埋入式传力更均匀、更直接，钢-混凝土接头采用直接承压式。

设计中在钢箱拱和混凝土接触面设置厚度为120 mm的承压板，将拱肋壁板及加劲肋熔透焊接在承压板上，通过承压板将拱肋壁板及承压加劲肋的压力均匀传至混凝土底座。并在钢-混结合段采用M56的锚栓提供预压力，锚栓一端锚固在混凝土桥墩内，另外一端锚固在钢箱拱承压加劲板与锚固垫板共同构成的锚梁上。

拱墩固结段构造复杂，采用模型试验和有限元分析研究，拱墩固结段模型与实际固结段比例1∶6，模型制作、安装和试验时，采取将模型竖立，利用剪力墙、反力台座和反力架提供反力的加载方式进行试验，见图5。

图5 拱墩固结段模型加载试验

试验荷载采用等效的金沙江公铁两用桥拱墩固结段最不利弯矩和最不利轴力工况进行设计荷载加载和1.4倍超载加载，试验中未出现混凝土结构宏观开裂、钢结构屈曲、结构位移突然增大等结构破坏迹象，钢结构的应力水平小于Q370qE钢的容许应力，混凝土结构的应力水平小于C50混凝土的容许应力。拱墩固结段有较大的强度、刚度和承载能力，结构设计合理、安全可靠。

4.5 正交异性板组合桥面铺装体系

目前已建成公路钢桥面铺装方案多采用沥青铺装。沥青长期处于高温、重载等条件下，铺装层容易出现车辙、纵向和横向裂缝、坑槽等等病害，钢桥面结构也容易疲劳开裂。

为解决大跨度钢梁钢桥面易疲劳开裂和沥青混凝土铺装层易破损的典型病害难题，336 m钢箱拱桥公路桥面应用正交异性钢桥面板、底层超高性能混凝土和面层改性沥青的组合桥面铺装体系，基于超高性能混凝土良好的力学性能及耐久性能，将配有钢筋网的超高性能混凝土通过短剪力钉与钢桥面板连接，形成组合桥面铺装体系，显著提高钢桥面板刚度，有效降低了钢桥面的应力和疲劳开裂风险，同时大幅延长铺装使用寿命，节省投资和维养工作量。

4.6 抗风性能研究

大桥跨度大，桥墩高，桥梁的抗风问题较为关键。为了提高桥梁的抗风性能，336 m钢箱拱桥主梁采用了气动性能较好的封闭式箱梁断面，极大地提高了其抗风稳定性。同时为了改善铁路桥面刚性吊杆的涡振性能，设计中刚性吊杆采用八边形截面，同时在吊杆内安装了可抑制顺桥向和横桥向振动的减振器。对大桥进行了风洞模型试验，试验模型见图6。主要研究结构动力特性分析、静力节段、动力节段模型试验、成桥状态及施工阶段气弹模型试验、吊杆风致振动风洞试验、主墩处风场绕流特性分析等。

图6 风洞模型试验

试验风速达90 m/s时未发生颤振稳定性问题，该风速已大于成桥状态颤振检验风速49.2 m/s，其颤振稳定性满足要求；成桥状态在低于设计风速30.1 m/s之内没有明显的涡激振动发生，满足舒适度的要求。

成桥状态在设计风速下跨中截面的风致抖振响应位移见表1。

表1 成桥状态跨中截面的风致位移均方根相应值

从表1可见，在成桥设计风速下，跨中截面的竖向位移、横向位移和扭转角均较小，满足规范要求。

4.7 风-车-桥耦合动力研究

为了保障桥梁的动力性能和列车通过桥梁时的安全性和舒适性，对大桥进行了风-车-桥耦合动力分析。选用CRH3动车组列车，列车以200～300 km/h五种速度，风速25 m/s工况下通过大桥时的动力响应见表2和表3。

表2 不同运行速度下动车的响应

表3 不同运行速度下桥梁的响应

从表2和表3可看出， CRH3动车组列车以速度200～300 km/h通过桥梁时，桥梁结构的横向挠跨比、竖向挠跨比、横向加速度及竖向加速度、动力系数等均满足要求。动车的脱轨系数、轮重减载率、轮对横向力、横向及竖向加速度均满足要求，横向、竖向舒适度指标均达到优秀水平，满足行车的安全性和舒适性要求。

5 结语

成贵铁路宜宾金沙江公铁两用桥根据两岸独特的地形地貌特征，创新地将高速铁路布置在上层，公路布置在下层，且两层桥面高差32 m，解决了公铁合建、两岸地形高差大、高速、重载、大跨、高墩等技术难题；采用公路柔性吊索内穿于铁路刚性吊杆并独立锚固于拱肋的新技术，解决了双层桥面吊杆布置和锚固技术难题；采用水平钢箱连杆连接拱肋与铁路桥面新技术，改善了由活载、温度带来的短吊杆疲劳性能，同时施工方便；采用正交异性板、底层超高性能混凝土和面层改性沥青的组合桥面铺装体系，降低了钢桥面的应力和疲劳开裂风险。大桥于2013年12月开工建设，2019年6月通车运营，具有跨越能力强、公铁桥面分离、整体刚度大等优点，较好地解决了艰险山区公铁两用拱桥的设计难题，该桥设计关键技术可为今后类似桥梁的建设提供参考。