新井口嘉陵江大桥四线铁路连续刚构设计关键技术

2017-06-01童登国刘晓琴

城市道桥与防洪 2017年4期

关键词：嘉陵江刚构桥井口

童登国，刘晓琴

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）

新井口嘉陵江大桥四线铁路连续刚构设计关键技术

童登国，刘晓琴

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）

以兰渝铁路重点控制性工程新井口嘉陵江大桥84m+152m+76m四线铁路预应力混凝土连续刚构桥为工程背景，从线路方案及桥位控制条件、桥跨布置方案、桥面布置型式及结构型式、多线桥梁车桥动力性能等方面进行了研究，提出了主桥四线并行、墩身上段及梁体分修、墩身下段及基础合修的新型结构型式及设计关键技术，可为同类型桥梁建造提供思路及参考。

铁路桥；四线；连续刚构；动力性能；新井口嘉陵江大桥

0 引言

随着我国铁路建设事业的飞速发展，大跨度超高墩连续刚构桥不断涌现。当前国内外的铁路单线及双线预应力混凝土连续刚构桥技术已经十分成熟。随着桥梁比例在铁路线路中不断提高，三线以上的桥梁的数量也逐渐增加，但已建成的三线以上的大跨度连续刚构桥不多。目前，对于铁路多线大跨高墩刚构桥施工阶段及运营阶段空间静力行为、车桥耦合振动性能、桥墩的合理型式以及宽幅箱梁的力学性能等问题的研究还远不够，不能满足铁路桥梁设计的发展需求，严重地影响了其在铁路桥梁中应用和推广[1-5]。

为了保证结构施工和运营阶段的安全性与经济性，开展铁路多线、高墩、大跨预应力混凝土连续刚构桥设计关键技术研究是十分必要的。

1 工程概况

新建兰渝铁路重点控制性工程新井口嘉陵江大桥位于重庆市沙坪坝区嘉陵江井口河段，在已建渝怀铁路井口嘉陵江大桥下游45 m处过江。兰渝铁路与渝利货车外绕线共用桥位，四线一次建成。

兰渝铁路为客车双线，设计速度为200 km/h，双线线间距4.6 m。渝利货车外绕线为货车双线，设计速度为120 km/h，双线线间距4.0 m。兰渝铁路与渝利货车外绕线线间距5.3 m。

主桥设计活载为四线“中-活载”，采用跨区间无缝线路。为减小梁轨相互作用对轨道结构的影响，在全桥范围内布设小阻力扣件。

大桥主桥四线并行段采用：（64 m+64 m）混凝土连续T构+（84 m+152 m+76 m）混凝土连续刚构+（64 m+64 m）混凝土连续T构。

大桥主桥84 m+152 m+76 m混凝土连续刚构是世界第一座墩身下段及基础合修，墩身上段及梁部分修，四线并行的大跨度预应力混凝土连续刚构桥，其成桥实景见图1。

图1 兰渝铁路新井口嘉陵江四线大桥实景照片（合龙）

2 设计主要控制因素

2.1 线路条件及桥位方案

本桥为重庆北站往兰州方向出站后的第一座大型桥梁，距离重庆北站仅8 km，被称为“千里兰渝第一桥”。受重庆北站站位及铁路沿线城市建设影响，兰渝铁路线路走向受限于既有渝怀铁路两侧的狭长走廊内。因此，本桥临近区段线路条件及桥位方案受控因素较多。

2.2 桥跨布置方案

桥区河段河势总体稳定，地质条件较好，因而影响主跨跨度的主要因素是通航及行洪的影响。考虑到既有桥梁为主跨144 m，因此本桥的跨度也应与之匹配。

主桥孔跨布置确定从以下几个方面考虑：（1）主桥的孔跨布置尽量与既有桥对孔；（2）边跨孔跨布置应尽量结合施工方案确定，降低施工难度及造价；

（3）合理的边中跨使桥型方案结构受力合理、桥式新颖且具有良好的刚度；

（4）水利部门建议在与既有桥梁对孔的基础上尽量加大主跨的跨度，降低桥梁与水流存在夹角带来的阻水不利影响。

结合各方面的意见和建议，主桥主跨初步确定采用152 m，比既有井口嘉陵江大桥大8 m，具体方案考虑以下几种：预应力混凝土矮塔斜拉桥；连续钢桁梁桥；预应力混凝土连续梁-拱组合桥；预应力混凝土连续梁桥；预应力混凝土连续刚构桥。

2.3 桥面布置方案

针对本桥四线共桥位并线合修的特点，桥面布置方案可将兰渝铁路双线和渝利铁路双线分别布置于两个相互独立的箱梁上，即“并置双箱”方案，见图2；也可采用四线整体箱梁方案，即“单箱双室”方案，见图3。采用“并置双箱”方案还是“单箱双室”方案，涉及到的结构型式及受力行为区别较大。

图2 梁体横断面-“并置双箱”箱梁布置方案（单位：cm）

图3 梁体横断面-“单箱双室”箱梁布置方案（单位：cm）

布置方案一：兰渝铁路与渝利铁路分别布置于两个梁体上，各梁体均采用单箱单室箱梁截面。

布置方案二：兰渝铁路与渝利铁路共用一个箱梁，截面为单箱双室截面。

2.4 多线桥梁刚度控制

本桥为四线大跨度桥梁，之前未有类似桥梁建设先例。一方面，兰渝铁路与渝利货车外绕线铁路设计列车运行速度高，高速列车与桥梁结构的动力相互作用突出。另一方面，该桥为多线铁路桥，不仅涉及到单线和双线列车作用下的车桥动力分析，还可能涉及到多线列车共同作用下的车桥振动的问题。

3 主要应对措施

3.1 采用六线并线桥位

为了最大限度地减少铁路夹心地，兰渝铁路、既有渝怀铁路及渝利铁路货车外绕线六线铁路并线布置，在跨越嘉陵江井口河段时，除既有的渝怀铁路井口嘉陵江大桥外，兰渝铁路与渝利货车外绕线形成四线规模。考虑到该河段的河道条件，桥梁主跨宜在140～160 m左右。同时为了满足《内河通航标准》关于跨河桥梁桥位的间距要求，本桥应采用四线共桥位修建。新桥位于既有桥的下游约45 m处，平行于既有桥布置。

3.2 采用四线并行合建连续刚构

针对预应力混凝土矮塔斜拉桥、连续钢桁梁桥、预应力混凝土连续梁-拱组合桥、预应力混凝土连续梁桥、预应力混凝土连续刚构桥等五种桥梁设计方案，从桥梁长度、施工工艺、受力特点等方面进行比选，各自的优缺点比较列于表1。

通过对预应力混凝土矮塔斜拉桥、连续钢桁梁桥、预应力混凝土连续梁-拱组合桥、预应力混凝土连续梁桥、预应力混凝土连续刚构桥等5种方案的比较，综合方案的优缺点及经济性，认为预应力混凝土连续刚构桥方案最适合本桥。

3.3 采用梁部分修、桥墩合修的结构方案

针对本桥四线共桥位并线合修的特点，对两种桥面布置方案所对应的桥梁结构进行了分析：

针对四线桥梁分幅布置方案（方案一）和整体布置方案（方案二）：

（1）整体上两种布置方案均能满足本项目的需求。计算表明，施工阶段和运营阶段两种布置方案的应力值均小于规范限值，但布置方案二在施工阶段的最大压应力值已接近容许应力值，因此从安全度的角度来看，布置方案一的应力水平较为合理；

表1 不同主桥设计方案综合比较表

（2）在列车活载作用下，布置方案一的梁体主跨竖向变形比布置方案二大13%，但均远小于规范所要求的竖向挠跨比限值；

（3）两布置方案的自振频率基频相差很小；

（4）布置方案一梁体混凝土数量比布置方案二梁体大9.4%，但布置方案二的施工时间较长。并且布置方案（方案一）与普通双线刚构桥差别不大，是一种成熟、经济的布置方案，而整体布置4线铁路方案（方案二）采用单箱双室截面，梁体宽度大、施工节段重量大；

（5）从受力的角度方案二的横向剪力滞效应较明显，应力的不均匀分布程度较大，容易引起结构的病害，并且在施工阶段其压应力水平接近规范的容许限值；

（6）从施工的角度，布置方案二不能够利用普通桥梁的既有设备，需专门研制大吨位、大尺寸挂篮，这会导致挂篮前移等工序的施工时间增长，总体上会增长施工时间，且增大施工设备的投入。

因此，本桥采用分幅箱梁布置方案，即推荐采用方案一。

新井口嘉陵江四线大桥主墩构造见图4。

图4 新井口嘉陵江四线大桥主墩构造（单位：cm）

3.4 采用车桥仿真分析验证

根据车桥耦合振动分析理论，采用空间有限元方法建立其全桥动力分析模型，对该桥的空间自振特性进行了计算；同时，对该桥在CRH2、CRH3动车组和C80货车作用下的车桥空间耦合振动进行了分析：

（1）桥梁自振特性分析

主梁一阶横弯0.632 Hz，主梁一阶竖弯1.180 Hz。

（2）桥梁振动性能

在CRH2、CRH3动车组以速度160～240 km/h通过兰渝铁路和C80货车以速度60～120 km/h通过渝利铁路时，兰渝铁路侧主跨跨中最大竖向位移为4.59 mm，最大竖向加速度为7.35 cm/s2；渝利铁路侧主跨跨中最大竖向位移为11.99 mm，最大竖向加速度为5.69 cm/s2，桥梁动力性能良好。

（3）列车行车安全性

主桥在CRH2、CRH3动车组以速度160～240 km/h通过兰渝铁路侧和C80货车以速度60～120 km/h通过渝利铁路侧时，车辆的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标均在限值以内。

（4）列车乘坐舒适性

主桥在CRH2、CRH3动车组以速度160～240 km/h通过兰渝铁路侧和C80货车以速度60～120 km/h通过渝利铁路侧时，除C80货车以速度120 km/h通过时车辆乘坐舒适性指标为“良”，其余均能达到“优”。