成达万高速铁路渠江特大桥主桥桥式方案研究
尹春燕，彭岚平，张夫健
(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)
新建成达万高速铁路是京蓉高速铁路的一部分，是中国高速铁路网“八纵八横”中“沿江通道”的重要组成，是四川东向出川的重要大通道。线路在达州市渠县李馥乡、河东乡跨越渠江，跨越处位于南阳滩电站下游，河道顺直，两侧河堤坡度较平缓，堤外为农田、村落，地势较缓；
桥位所在两岸防护对象均为农田，不属于乡镇范围，桥区河段现状无堤防和护岸工程规划；
桥址平面如图1所示。
图1 桥址平面
1.1 气象、水文情况
桥址区属亚热带湿润季风气候，冬季寒冷，夏季酷热，四季分明，雨量充沛，终年湿润。桥址区年平均气温17.4 ℃，最冷月和最热月平均气温6.6 ℃和27.4 ℃，极端最低和极端最高气温-3.3 ℃和42.7 ℃。年平均相对湿度80%，年平均风速1.3 m/s，最大风速17.9 m/s。
桥位以上汇水面积31 745 km2，三百年一遇洪峰流量33 500 m3/s，H300=258.71 m；
百年一遇洪峰流量29 900 m3/s，H100=256.75 m；
2020年3月期间水位高程234.65 m，受汛期影响水位高差变化很大。
1.2 通航情况
根据《广安港总体规划》、渠江规划的船型及营运组织及货物吞吐量预测，规划渠江航道建设标准按Ⅲ-(3)级建设，其航道尺寸为2.4 m×60 m×480 m(水深×宽度×弯曲半径)。最高通航水位采用十年一遇洪水位253.93 m，最低通航水位242.60 m，通航净高和通航净宽分别为10 m和210 m。
1.3 地质情况
桥址区位于川中丘陵区，地势起伏不大，多为农田、旱地，房屋较为密集，场地区地层结构较为简单。桥位上覆第四系覆盖层主要为全新统人工堆积层素填土，残坡积粉质黏土及冲洪积粉质黏土、淤泥质粉质黏土；
下伏侏罗系中统上沙溪庙组砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩，全风化～弱风化，σ0=120～500 kPa。
地震效应：地震动峰值加速度为0.067g，地震动反应谱特征周期为0.35 s。
1.4 防洪及通航结论
渠江流域目前现有防洪规划为《四川省渠江流域防洪规划》，拟建桥梁位于达州市渠县境内，左岸为河东乡箱石村，右岸为李馥乡凉风村，桥梁所在左右岸均防护对象均为农田，不属于乡镇范围内，桥区河段现状无堤防和护岸工程规划。因此桥梁建设对防洪规划无影响。
拟建渠江特大桥跨主河槽跨径为248 m，满足通航宽度210 m要求。桥梁最高通航水位采用10年一遇，对应最高通航水位253.93 m，通航净空高度10 m，通航要求最低梁底高程为263.93 m，桥梁跨渠江处最低桥梁底设计高程为283.23 m，比通航要求最低梁底高程为19.3 m，桥梁设计满足通航要求。桥梁建设对航道规划无影响。
陈家沟所在区域为乡村，无防洪、水利水电、采砂等规划，桥梁建设不存在对规划的影响。
成达万铁路为高速铁路，设计最高列车运行速度350 km/h，双线线路，直线，纵坡-6.5‰，线间距为5.0 m，轨道采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道，桥上不设人行道检查车。
3.1 桥型选择原则
桥型选择需满足安全、先进、耐久性好、经济合理的要求，且应符合景观和环保的要求进行设计，并考虑因地制宜、便于施工和养护维修等因素[1]。
3.2 主桥桥式方案比选
本桥主跨跨度248 m，列车最高时速为350 km，针对列车活载荷载大、对桥梁结构竖向刚度和横向刚度要求高的特点，主桥桥式方案设计除满足通航需求外，还应符合列车高速行驶对桥梁刚度的要求；
参照已建成的高速铁路大跨桥梁工程，可供选择的桥式方案有连续刚构部分斜拉桥、钢管混凝土桁架组合梁斜拉桥、连续刚构拱桥[2-11]。
3.2.1 连续刚构部分斜拉桥方案
部分斜拉桥方案为双塔双索面预应力混凝土主梁斜拉桥，主桥全长505.6 m，计算跨径为(128+248+128) m，采用墩-塔-梁固结体系，如图2所示。主梁采用直腹板单箱双室截面，中支点和中跨跨中梁高分别为13.5 m和6.5 m，梁体下缘采用二次抛物线变化，箱梁桥面宽15.0 m，箱宽12.6 m；
全桥在边支点、中支点处共设置4道横隔板。主梁采用悬臂浇筑施工。
图2 连续刚构部分斜拉桥立面布置(单位：m)
桥塔采用H形索塔，桥面以上塔高39 m，高跨比1/6.3，桥塔采用钢筋混凝土结构，为矩形实心截面，塔顶纵横向尺寸为6.0 m和2.5 m，塔底纵横向尺寸8.0 m和2.5 m；
桥塔在桥面以上约20 m处设1道横撑。
斜拉索横桥向为双索面布置，立面为扇形布置，每个桥塔对称设置10对斜拉索，塔上索距为1.2 m，梁上索距为8.0 m，中间无索区长30 m，斜拉索采用抗拉强度标准值1860 MPa高强钢绞线拉索，设双层HDPE护套，拉索规格为(55-61-73)-7φ5 mm。斜拉索在桥塔处设分丝管索鞍，索鞍设单侧抗滑锚固装置；
斜拉索在梁端设齿块锚固，并在梁端进行张拉。
两个主墩墩高分别为52 m和48 m，主墩采用空心箱形截面；
主墩基础采用24根φ2.5 m的钻孔摩擦桩。
主梁中跨最大竖向挠度为121.9 mm，挠跨比为1/2 034，梁端转角0.87‰，最大徐变变形为20.1 mm(下挠)，各项指标均满足高速铁路铺设无砟轨道的要求。部分斜拉桥方案在国内外同类型铁路桥梁的成功应用多，设计和施工技术均比较成熟，结构风险小。
3.2.2 钢管混凝土桁架组合梁斜拉桥方案
部分斜拉桥为斜拉加劲组合桥，主梁刚度大，动力性能好。我国高铁部分斜拉桥，一般采用预应力混凝土主梁。随着桥梁跨度的增加，主梁梁高等比例加高，主梁恒载所占比重随之加大，结构承载力用于负担活载的比例相对减少，承载力利用系数减小，对抗震设计和景观设计带来挑战，对材料和能源都是极大的浪费[3]；
另外混凝土主梁一般采用现浇施工，养护时间长，影响桥梁的整体施工进度，而大跨桥梁往往是全线控制工程和运梁通道，从而拖延了整体工期，制约了部分斜拉桥的进一步发展。为解决上述困难，提出一种主梁高度低、梁体自重轻、施工速度快，且景观性和环保性能好的钢管混凝土桁架组合梁斜拉桥[12-14]。
钢管混凝土桁架组合主梁斜拉桥方案为双塔双索面布置，主桥全长569.4 m，计算跨径为(48+112+248+112+48) m，为墩-塔-梁固结体系，如图3所示。主梁主跨和辅助跨采用等高钢管混凝土桁架组合主梁，桁架高7.1 m，桥面板厚0.4 m，梁全高7.5 m，高跨比为1/33.1；
桥面宽为15.0 m，主桁采用无竖杆三角桁，节间长8.0 m，上、下弦主桁中心距分别为12.92 m和7.0 m。上弦杆采用箱形截面，高约1 300 mm，腹板内宽为800 mm；
下弦杆采用钢管混凝土圆形截面，直径1 500 mm；
斜腹杆采用H形截面，高800 mm，翼缘宽450～600 mm。主桁采用整体式节点，上、下弦杆在节点外拼接，斜腹杆采用插入式与整体节点拼接；
钢管混凝土桁架组合主梁横截面如图4所示。主梁边跨为等高度预应力混凝土单箱双室箱梁，梁高为6.0 m，顶板宽15.0 m，底板宽10.168 m。
图3 钢管混凝土桁架组合梁斜拉桥立面布置(单位：m)
图4 钢管混凝土桁架组合主梁横截面布置(单位：m)
桥塔采用H形索塔，桥面以上塔高55 m，高跨比1/4.5，桥塔采用钢筋混凝土结构，为矩形实心截面，横桥向宽为2.6 m，顺桥向塔顶和塔底宽为6 m和7 m，塔柱横向设横梁，以提高索塔横向稳定性。
斜拉索横桥向为双索面布置，立面为扇形布置，每个桥塔对称设置10对斜拉索，塔上索距为1.2 m，梁上索距为8.0 m，中间无索区长16 m，斜拉索采用抗拉强度标准值1 860 MPa高强钢绞线拉索，设双层HDPE护套，拉索规格为(31-37-43-55)-7φ5 mm。斜拉索在桥塔处设分丝管索鞍，索鞍设单侧抗滑锚固装置；
斜拉索在梁端设拉锚箱锚固，并在梁端进行张拉。
两个主墩墩高为58.0 m和54.0 m，采用空心矩形截面，顺桥向长7 m，横桥向宽分别为17.75 m和15 m。主墩基础采用19根φ2.5 m钻孔摩擦桩。
该方案结构新颖，与方案一部分斜拉桥相比，降低了主梁梁高，景观性好；
减轻了主梁自重，抗震性能优；
同时节省了基础数量和水中施工措施工程量。钢管混凝土桁架主梁采用大节段悬拼施工，桥面板采用预制板、现场浇筑湿接缝施工，提高了施工效率。
主梁中跨最大竖向挠度为293.1 mm，挠跨比为1/846，梁端转角0.21‰，最大徐变变形30.2 mm(下挠)，横向挠跨比1/9 649，各项指标均满足高速铁路铺设无砟轨道的要求。该方案效果图如图5所示。
图5 钢管混凝土桁架组合梁斜拉桥效果图
3.2.3 连续刚构拱桥方案
连续刚构拱桥方案主桥全长505.6 m，计算跨径为(128+248+128) m，采用墩-梁固结体系，如图6所示。主梁采用直腹板单箱双室截面，中支点和中跨跨中梁高分别为14.5 m和6.5 m，梁体下缘采用二次抛物线变化，箱梁桥面宽15.5 m，箱宽13.3 m；
全桥在边支点、中支点处共设置4道横隔板。
图6 连续刚构拱桥方案立面布置(单位：m)
拱肋计算跨度248 m，设计矢高49. 6m，矢跨比1/5，拱轴线方程采用二次抛物线。拱肋截面为等高哑铃形，拱肋高4 m。拱肋弦管直径1.4 m，由32 mm和26 mm厚的钢板卷制而成，拱肋弦管之间用20 mm厚钢板连接，拱肋弦管及腹板内用C50无收缩混凝土填充。两榀拱肋中心距14.5 m，拱肋间设1道“一”字撑，10道“K”撑，其中横撑采用φ1 500 mm×24 mm空钢管，斜撑采用φ900 mm×20 mm空钢管，材料均为Q345qD钢[15]。
梁部吊杆间距9.0 m，全桥共设25组吊杆，吊杆采用钢绞线整束挤压拉索，吊杆拉索型号为GJ15A-22(即22根φ15.2 mm钢绞线)。
2个主墩墩高为51 m和47 m，主墩采用空心箱形截面；
主墩基础采用25根φ2.5 m钻孔摩擦桩。
该方案充分发挥了梁拱的受力性能，因拱的存在，桥梁主跨竖向刚度有较大提高。主梁中跨最大竖向挠度为70.9 mm，挠跨比为1/3 500，梁端转角0.9‰，最大徐变变形为16.5 mm(下挠)，各项指标均满足高速铁路铺设无砟轨道的要求。主梁采用悬臂浇筑法施工，待全桥合龙后，在主梁上搭设支架，拼装主拱肋；
在拼装拱肋时，需消耗大量钢材，增加了临时工程费。
3.3 桥式方案比选
对主桥桥式方案分别从景观、经济、技术先进性、碳排放以及施工与养护方面综合比较，比较见表1所示。
表1 各桥式方案综合比选
经综合比较，方案三投资多，施工工期长，不推荐；
其余两个方案的全寿命周期投资基本相当，但方案二相比方案一具有主梁高度低、梁体自重轻、施工速度快(节省3个月)，景观性能和环保性能好等优点，且方案二符合桥梁的工厂化、标准化和智能制造化方向，确定将钢管混凝土桁架组合梁斜拉桥作为推荐方案。
4.1 静力计算
采用Midas Civil 2019软件建立整体分析模型，主梁、桥塔和承台离散为梁单元，斜拉索离散为桁架单元，梁单元2 472个，桁架单元104个，节点1 330个，离散模型如图7所示。
图7 钢管混凝土桁架组合梁斜拉桥Midas有限元模型
主力和主+附工况下，主桁最大应力分别为210.8 MPa和252.8 MPa，均小于Q345qD钢容许应力252 MPa和304.5 MPa，满足规范要求[16-19]。
桥面板按A类构件检算，主力工况，桥面板全截面受压，最小压应力为1.5 MPa；
主+附工况，桥面板最大拉应力为0.9 MPa，最大压应力为20.7 MPa，均小于C60容许应力，满足规范要求[16-19]。
斜拉索最大应力845 MPa，安全系数为2.2，大于容许安全系数2.0；
斜拉索最大应力幅120 MPa，小于容许应力幅140 MPa，均满足设计要求。
4.2 桥梁动力特性
根据前述桥梁计算模型，对该桥的自振特性进行计算与分析，前5阶的自振频率及振型主要特点见表2。
表2 桥梁动力特性
4.3 列车走行性分析
建立车桥系统耦合振动模型，模拟CRH3型车分别以设计车速250～350 km/h和检算车速375～420 km/h通过桥梁，分析结果如下。
(1)当CRH3型车以设计速度和检算速度通过时，桥梁动力响应、列车横竖向振动加速度、列车行车安全性能均满足要求[20]。
(2)当CRH3型车以设计速度和检算速度通过时，列车乘坐舒适性达到“良好”标准和达到“合格”标准以上[20]。
分析结果表明，本方案满足列车时速350 km高速行车时桥梁安全和乘坐舒适的要求[21]。
渠江特大桥主桥通过3种桥式方案优缺点比较，分别从桥梁的景观效果、经济性、施工难度、技术创新性、碳排放以及后期养护维修等方面进行综合比较，主跨(48+112+248+112+48) m钢管混凝土桁架组合梁斜拉桥方案具有景观好、经济性能优、碳排放少及具有技术创新等优点，该桥式方案在国内高速铁路线路中采用较少，在设计和施工上都具有较大挑战。钢管混凝土桁架组合梁斜拉桥符合桥梁的工厂化、标准化和智能制造化方向，本桥方案的选取可为高铁桥梁智造提供一个方向，为同类型桥梁设计提供借鉴。
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