乌苏通沟大桥设计

宁未华（中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，陕西西安 710043）

1 桥址自然概况

乌苏通沟大桥所跨乌苏通沟河发源于中天山深处的乌斯墩山区，沟槽大部分处于高山区，山大沟深，支沟发育，河沟蜿蜒曲折，河槽狭小迂回，长年流水，流域呈羽毛状，流出沟口后逐渐变为戈壁宽浅性河流，最后汇入阿拉沟。桥址上下游河道基本顺直，主河槽宽约35m 左右，流水基本通畅，河槽稳定，上下游接卡口并有小支流汇入。桥址处涉及地层主要为：第四系全新统洪积粗圆砾土、卵石土、漂石土，第四系上更新统洪积细圆砾土、卵石土，志留系下统片岩夹变质砂岩。依据《中国地震动参数区划图》GB18306－2001，该工程所属区地震动峰值加速度为0.10g,动反应谱特征周期为0.35s。

2 工程概述

乌苏通沟大桥为南疆吐库二线跨越乌苏通沟及顺接隧道而设，小里程侧接长度为8.8km的伯信特隧道，大里程侧接长度为22.5km的中天山隧道，桥隧直接相连。伯信特及中天山均采用无碴轨道道床，考虑道床形式的统一及运营后的维修养护方便，乌苏通沟大桥最终采用无碴轨道箱梁。因中天山隧道需采用TBM 掘进机施工，线路在此处由一次双线分开为两条单线并行，故乌苏通沟大桥由左、右两座单线大桥组成，左线孔跨布置为：6 孔32m 预应力混凝土简支箱梁，全长207.4m；右线孔跨布置为：5 孔32m 预应力混凝土简支箱梁，全长174.3m。

3 梁部构造设计及采用荷载

箱梁为单箱单室直腹板箱形截面，梁端顶、底板局部向内侧加厚，腹板在梁端分别向内、外侧加厚，防撞墙内侧净宽4.4m，桥上人行道栏杆内侧净宽6.5m，桥面板宽度为6.8m，桥梁建筑总宽为6.8m。梁长为32.6m，计算跨径为31.5m，梁高为3.0m，顶板厚30～50cm，底板厚30～60cm，腹板厚30～90cm，横向支座中心距为2.7m。箱梁横断面布置示意图详见图1。荷载包括梁体自重、附属设备重（钢轨、扣件、轨枕、轨道板、底座、防水层、保护层、人行道栏杆、人行道缘石、人行道步板、防撞墙、电力电缆及电缆槽、通讯信号电缆及电缆槽，合计85.8kN/m）、中活载、离心力、摇摆力、风力、温度力、列车脱轨荷载、地震力。分别按主力、主力+附加力进行组合，取最不利组合进行设计，并对特殊荷载进行检算。

图1 箱梁横断面布置示意图（单位：cm）

4 梁部计算

4.1 按箱梁全宽计算

施工阶段最大拉应力=-0.91MPa（支承中心线截面上缘）

施工阶段最大压应力=11.41MPa（跨中偏1.8 米和3.8m的两截面下缘）

上缘最大应力=6.74MPa

上缘最小应力=0.65MPa

下缘最大应力=8.07MPa

下缘最小应力=1.93MPa

最大剪应力=1.94MPa 箍筋间距=0.20m

上缘抗裂安全系数最小值=5.29

下缘抗裂安全系数最小值=1.55

最大主应力=6.83MPa

最小主应力=-1.15MPa

正截面强度最小比值

(承载能力/内力绝对值)=2.21

钢束最大应力比=0.593

张拉钢束完成60 天后上二期恒载78kN/m 到10000天时变形值为0.02358-0.01761=5.97mm。

张拉钢束完成60 天后上二期恒载85.8kN/m 到10000天时变形值为0.022-0.01688=5.12mm。

4.2 考虑剪力滞效应，顶板按5.4m 宽计算

施工阶段最大拉应力=-1.17MPa（支承中心线截面上缘）

施工阶段最大压应力=11.71MPa（跨中偏1.8 米的截面下缘）

上缘最大应力=6.84MPa,

上缘最小应力=0.42MPa

下缘最大应力=8.20MPa,

下缘最小应力=1.98MPa

最大剪应力=1.93MPa,箍筋间距=0.20

上缘抗裂安全系数最小值=3.46MPa,下缘抗裂安全系数最小值=1.54MPa

最大主应力=7.12MPa,

最小主应力=-1.15MPa

正截面强度最小比值

(承载能力/内力绝对值)=2.22

钢束最大应力比=0.594

张拉钢束完成60 天后上二期恒载78kN/m 到10000 天时变形值为0.0244906-0.0181776=6.31mm。

张拉钢束完成60 天后上二期恒载85.8kN/m 到10000天时变形值为0.0241672-0.0194364=4.73mm。

跨中竖向位移＝-0.7467E-02/1.195121951＝-6.25mm ≈L/5040

梁端转角＝-0.7619E-03/1.195121951 ＝-0.638E-03

反 拱（0.0 2 4 1 6 7 2-0.0 1 9 8 0 8 4）+0.0198084/0.8-0.00625/2 ＝25.99mm。考 虑张拉时混凝土弹性模量只达到设计的80%。

4.3 安全系数及各阶段应力限值

安全系数及各阶段应力限值见表1。

4.4 计算结论

恒载作用下产生的上拱度为29.12mm；静活载挠度为6.25mm，为计算跨度1/5040，小于计算跨径的1/1500；为保证线路在运营状态下的平顺性，梁体应预设反拱。理论计算跨中反拱值为26.0mm，其他位置应按二次抛物线过渡。实际施工中反拱的设置应根据具体情况，充分考虑收缩徐变的影响以及预计二期恒载上桥的时间确定。本次设计二期恒载上桥时间为预应力钢束张拉完成后60 天，理论计算残余徐变拱度值为4.73mm，小于10mm。铺设无缝轨道应在终张拉60 天后方可进行，同时桥上附属设施（二期恒载）宜在铺设无碴轨道前完成。

表1 安全系数及各阶段应力限值表

梁体因混凝土干燥收缩、徐变及预应力作用下的固定支座端上缘变形量为-7.4mm，固定支座端下缘变形量为0.3mm；活动支座端上缘变形量为-20.5mm，固定支座端下缘变形量为-28.2mm；活动支座上板预设27.9mm的纵向预偏心，向梁端方向预偏。

静活载作用下梁端转角0.000638，小于0.001rad，结构横向自振频率为11.67Hz，大于55/L；横向风力+摇摆力+离心力作用下横向位移为0.251mm，约为计算跨径的1/125500，小于计算跨径的1/4000。

5 下部构造设计

桥墩采用单线实体圆端形桥墩，T 形和挖方内桥台。因桥位处多为卵石土地层，基本承载力较好，桥墩基础采用挖井基础。乌苏通沟主河槽位于大里程侧山体坡脚下，位于主河槽内的墩身基础深度应考虑水流冲刷的影响，同时由于施工期间需要将河道改移至1～2 号墩之间，1、2 号墩基础深度设计时考虑了施工期间洪水的冲刷。

中天山隧道施工采用的施工方法是TBM 掘进机掘进施工，受场地条件限制，需要在乌苏通沟大桥的2 号墩至大里程侧桥台台尾之间修筑大型的TBM组装平台，左右线 2 号墩均位于平台填方边坡内，故2 号墩身及基础设计过程中还需要考虑填土压力。

6 桥梁施工方案

乌苏通沟大桥位于伯信特隧道及中天山特长隧道之间，桥隧相连。由于中天山特长隧道进口采用TBM 掘进施工方案，因此需在乌苏通沟大桥桥址处设置大型的TBM组装平台。综合考虑施工期间桥下排洪、施工安全等因素，确定采用以下施工方案：

1)TBM组装平台填筑前，先期施工乌苏通沟大桥墩台及基础。

2)待墩台及基础施工完毕后，在乌苏通沟大桥大里程侧进行填土，作为TBM组装平台。在填土坡脚处，修建进入沟内的施工便道。位于桥墩四周的填土须对称、均匀、分层填筑，以免产生偏压，造成桥墩结构的破坏。

3)在主河槽范围内，利用先期修建的桥墩并增设临时支墩，架设军便梁，作为出碴通道。

4)中天山隧道贯通后，利用填筑好的TBM组装平台及便桥进行乌苏通沟大桥箱梁的现浇施工。

5)大桥梁体施工完工后，清除桥下填土，恢复既有河道；清除桥墩周围填土时注意对称均匀开挖，防止桥墩偏压。

7 结束语

随着我国铁路建设的飞速发展，无碴轨道箱梁的采用在铁路桥梁的设计中越来越普遍，该类梁型的设计重点是控制梁体在设计荷载下的变形。乌苏通沟大桥属于典型的桥隧相连工程，其设计采用的无碴轨道箱梁技术及后续的施工方案已在南疆吐库二线的建设中顺利实施，为今后我国同类型铁路桥梁的建设积累了宝贵的设计及施工经验。

[1]刘建瑞.中国交通运输协会城市轨道交通专业委员会首届中青年专家论文集《无碴轨道预应力混凝土梁设计》

[2]范立础.桥梁工程，北京：人民交通出版社，1993.

[3]TB10002.3-2005.铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范，北京：中国铁道出版社，2005.