哈大高速铁路桥梁设计概述

林兆宗

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300142)

我国领土幅员辽阔，就气候地域而言，跨热带、温带、寒带等气候区；就地形地貌而言，山区、丘陵、荒漠、平原、沿海全部覆盖。在我国高速铁路桥梁建设的具体实践中，逐步形成了针对各个地区有特色的高速铁路桥梁建设的设计特点与关键技术。在严寒地区，目前已经通车的有哈大、哈齐高速铁路，其中以哈大高速铁路技术标准最高。

1 桥梁技术参数及设计特点

哈大高速铁路是目前设计实施的地处最高纬度的高速铁路，是我国乃至世界第一条严寒地区修建的高速铁路，工程复杂，施工难度大，气候条件恶劣。其技术指标如表1所示。

表1 哈大高速铁路桥梁设计技术参数

由于本线所处的特殊环境，桥梁工程设计也存在如下特点。

(1)气候条件恶劣，存在冻融剥蚀、冻胀等难题。

哈大高速铁路是目前设计实施的地处最高纬度的高速铁路，最低气温达-39.9 ℃，土壤最大冻结深度达205 cm，气候条件恶劣，存在冻融剥蚀、冻胀等难题为本线主要特点。

(2)技术标准高

设计速度目标值350 km/h，全线采用CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道技术，对桥梁的动力性能、刚度指标、变形控制等均提出了较高要求。

(3)桥梁长度占线路长度的比例高

沿线经过辽宁、吉林、黑龙江三省，高速铁路区间正线大量采用桥梁代替路基，桥梁长度占线路长度比例达73.8%。

(4)沿线地质条件复杂，桥梁工程设计、施工难度大

南部沿线处于辽宁省中部近海平原，大部分地段分布有广泛的软土。部分桥梁位于海湾或滨海地段，地表水及地下水对混凝土结构产生镁盐侵蚀、硫酸盐侵蚀和盐类结晶侵蚀等。部分段落存在溶岩地质，部分区段强烈发育，串珠状发育区，且多为无填充空溶洞，施工难度大。

(5)大跨度连续梁众多

哈大高速铁路地处东北三省中轴线地带，道路、高速公路以及铁路四通八达，特殊大跨连续梁众多。跨越道路依据跨越条件采用了(32+48+32) m、(40+64+40) m、(48+80+48) m、(60+100+60) m、(45+3×70+45) m等大跨度连续梁，7×16.35 m、3×16.35 m、(20+24+20) m[1]等道岔刚构连续梁等。

(6)大量采用特殊梁型

受线路设计、施工技术条件、桥梁景观等因素制约，全线采用了设置道岔的刚构连续梁、138 m钢箱叠拱、56 m节段预制拼装简支箱梁、17.2～24.6 m变跨钢混结合梁[2]等多种特殊梁跨结构。

2 桥梁设计

哈大高速铁路正线线路总长度903.94 km，正线特大、大中桥桥梁总长度657.182 km/163座，桥梁约占线路长度73.8%，桥梁分布情况如表2所示。

表2 哈大高速铁路桥梁分布

哈大高速铁路沿线经济发展较快，在桥梁设计中通过综合经济比较，融入了“以桥代路”的理念，出现了多座长度20 km以上的长桥，以桥代路大量节省了铁路建设用地，减少路涵、路桥的频繁过渡，有利于提高旅客的舒适度；有效减少了铁路对沿线城市的切割，有利于与城市规划的融合，方便沿线人民的生产生活，并为未来发展预留了空间。

2.1 梁部设计

哈大高速铁路正线高速段一般采用预制架设法施工，常用跨度梁采用《通桥(2008)2322A-HD》简支箱梁，梁顶宽度12 m；跨越大河、深谷及桥长短于200 m的桥梁采用《通桥(2005)2322-HD》，顶宽度13.4 m。这两种简支箱梁底板、腹板相同，仅桥面板每侧减少70 cm。

由于沿线控制工程过多，部分地段净空受架桥机高度限制，不能采用预制架设施工，故重新设计了适合本线的支架现浇预应力混凝土简支箱梁。该箱梁一般截面构造及桥面布置与《通桥(2008)2322A-HD》相同，设计时考虑端部张拉空间要求，对梁体相关尺寸进行了修改设计处理。

正线除一般简支梁外，大于40 m的大跨度梁部多采用预应力混凝土连续箱梁，常用跨度有(32+48+32) m、(40+56+40) m、(40+64+40) m、(45+3×70+45) m、(48+80+48) m、(60+100+60) m、(32+2×48+32) m，(32+3×48+32) m，(40+3×64+40) m、(48+5×80+48) m连续梁，均为采用变截面特殊设计，除(32+3×48+32) m连续梁采用支架现浇方案，跨越既有哈大铁路采用(60+100+60) m连续梁转体施工[3-4]，其余均采用挂篮分段现浇方案。

除上述跨度外，在跨普兰店海湾大桥中跨越主海湾时，采用了56 m节段预制拼装简支箱梁，这是目前高速铁路上采用的跨度最大的节段预制拼装简支箱梁，采用梁厂节段预制、移动拼架原位拼装、现浇湿接缝的施工方法。

2.2 支座设计

正线简支箱梁采用通桥(2007)8360盆式橡胶支座；大跨连续梁桥梁支座的支座采用《铁路桥梁大吨位盆式橡胶支座(TGPZ型)》(叁桥(2007)8361)；DK0～DK144+000采用常温型支座，DK144+000～终点采用耐寒型支座。

位于辽阳附近地下水沉降影响范围的桥梁及连续梁采用可调高支座，其他桥梁均采用非可调高支座。

同一座桥固定支座和纵向活动支座设于线路的左侧。

2.3 桥墩台设计

桥墩形式的选择结合桥下水流情况、全桥墩高分布情况，遵循墩型统一、相邻桥墩刚度相近、施工方便的原则，一般条件下河中桥梁选用圆端形桥墩，桥梁与河流交叉角度较小时，为改善水流条件，采用单圆柱形实体墩，既满足河道行洪又能满足高速铁路的安全性、平稳性和舒适性要求[5]。

旱桥选用圆端形桥墩或矩形桥墩，城市附近考虑景观效果。一般情况下，墩身较低时采用直坡实体墩，同一座桥墩台尽量简化类型。跨线桥交叉角度较小时采用框架墩跨越。

桥台一般采用“一”字台，为加强桥路过渡段，桥台基坑在台尾及两侧回填C15混凝土，台前侧填原土，回填至原地面。

2.4 基础设计

根据工程地质与水文地质、最大冲刷深度等条件，选用明挖基础、挖井基础或桩基础。墩台基础类型主要采用钻孔灌注桩基础，一般采用φ1.0 m，部分大跨桥墩采用φ1.5 m或φ2.0 m的钻孔桩。跨越河流水流冲蚀严重时，适当加大桩径，一般不小于1.25 m。

考虑东北地区的冻融、冻胀等因素，承台底面埋深不小于土壤最大冻结深度以下0.25 m，临近既有道路及规划道路桥墩承台顶面置于地面以下不小于1.0 m。承台底层钢筋根据计算确定，其他5面采用构造配筋。

2.5 景观设计

哈大高速铁路不仅是东北地区拉动经济增长的动力之路，更是东北三省腹地轴线上一道亮丽的风景线，桥梁设计中吸纳了大量的环境美学因素来赋予它新的时代气息。

比如在常规简支梁的设计中采用斜腹板，腹板与顶底板交界处采用大圆弧倒角等来增加梁部的美感；桥墩采用双流线形桥墩，远观宛如一双双勤劳智慧之手托举着一条伸向远方的长龙。另外在一些特殊节点采用造型独特的特殊结构，比如长春市附近的新开河大桥在跨越富民大街时采用1-138 m钢箱叠拱，满足立交要求的同时突出了景观效果。

3 主要桥跨简介

3.1 普兰店海湾特大桥

普兰店海湾特大桥全长4 960.85 m，跨越普兰店海湾，与既有沈大高速公路跨海湾大桥平行且位于外海侧。普兰店海湾海面宽3 350 m，主海沟宽约1 000 m，两侧海滩主要为扇贝及海参养殖区。普兰店海湾属渤海海域，湾内水流主要受潮汐影响，介于正规与非正规半日潮之间，呈明显往复流，涨潮潮差2.20 m，落潮潮差1.90 m。一般水深9.2 m，受潮汐影响，施工时最大水深达10.8 m，如考虑波浪影响则施工水深更深。桥址区地震动峰值加速度为0.20g，地震基本烈度Ⅷ度。

海湾水文条件复杂，基础水中施工风险高，考虑到该桥跨越主海沟部分尽量与沈大高速公路对孔，结合该桥处于高地震烈度、无砟轨道桥面、避免设置钢轨温度调节器等因素，本桥采用18孔56 m简支箱梁跨越普兰店海湾主海沟。同时结合实际梁重，考虑周边施工场地条件、建设工期、保证施工质量等因素，56 m预应力混凝土简支箱梁采用梁体节段集中预制并采用移动拼架原位拼装、浇筑湿接缝的施工工艺。

56 m简支箱梁为直腹板的单箱单室截面，总长57.1 m，梁底宽6.7 m，梁高5.3 m，桥面宽13.4 m。箱梁在梁端支点处设置2.0 m厚的端隔板。箱梁分为11个预制节段，两端梁段长2.6 m，中间梁段长5.1 m，湿接缝10道，缝宽0.6 m，中间标准梁段重1 631 kN，标准湿接缝重192 kN，箱梁总重21 901 kN[6]。该跨度是目前国内采用的最大跨度简支箱梁，多项技术达到国内外领先水平。梁部截面如图1所示。

图1 跨度56 m箱梁截面(单位：cm)

为了满足高速行车安全性和舒适性的要求及铺设无砟轨道的技术条件要求，梁体刚度控制和后期收缩、徐变变形控制尤为重要；结合海湾地区的强侵蚀环境、复杂岩溶地质、高烈度地震区、节段预制桥位整孔拼架的工法，较好地解决了超大质量的客运专线大跨度无砟轨道双线简支箱梁的施工难题[6]。开展了相关的研究并得到以下成果。

(1)普兰店跨海大桥的设计、施工实践表明，大跨度预应力混凝土简支箱梁具有很好的整体竖向、横向及扭转刚度，能够很好地适应高速铁路高速行车的舒适性、安全性要求以及铺设无砟轨道的技术条件要求；通过对箱梁变形和控制截面应力的理论计算以及现场施工监控、检测分析，验证了结构分析理论、边界条件的设置及设计参数取值的正确性[6]。为确保桥梁施工过程和成桥结构安全提供了可靠的技术保证。

(2)大跨度双线无砟轨道简支箱梁采用对称布置纵向预应力钢束、梁端对称张拉的布束形式，大幅度地简化梁体的结构形式，避免在箱内设齿块，简化了施工工艺，便于梁体施工质量的保证[7]。

(3)大跨度简支梁在大吨位群锚集中力作用下梁端受力复杂，但通过合理选择梁端锚固构造及结构尺寸，可以保证结构的安全可靠。避免了梁端大吨位预应力集中锚固区产生过大的应力集中现象，使得梁端锚下应力得到了均匀传递[7]。

(4)通过选择合适的移动支架结构形式，制订合理的移动支架施工技术措施，并且优化预制梁节段数量和配置相应机具设备，现场施工严格按要求执行。可以实现超大吨位梁重的大跨度预应力混凝土简支箱梁施工的安全质量控制[8]。梁部预制节段的安装及线形控制是工程实施的关键工序，需要结合移动拼架模架设备的刚度、梁段尺寸、现浇湿接头施工工艺加强控制，以保证梁部的整体线形。同时梁部的线形控制对梁体的纵向预应力钢束的孔道线形、孔道的摩阻也有较大的影响，需要通过施工监测、监控动态调整设计，优化结构的线形控制及预应力钢束的张拉控制参数。

3.2 新开河特大桥

新开河特大桥位于长春市郊区，全长13136.12 m，跨越的重要立交道路之一为富民大街，该道路为双向8车道市政道路，路宽80 m，与线路斜交59°，由于该路毗邻长春西站，建筑高度受立交净空和线路高度控制，设计采用1-138 m下承式钢箱双层叠拱桥跨越，梁宽18 m；系梁采用等宽变高度钢箱截面，梁宽度为2.0 m，跨中高度为3.4 m，距离梁端17.25 m范围内梁高为4.5 m，桥面系采用纵横梁形式。拱轴线形为二次抛物线，上拱矢跨比采用1/4，矢高35 m，下拱矢跨比采用1/4.82，矢高28 m，上下拱肋结构均采用等截面钢箱，宽度为2.0 m，高度为1.8 m。横向两榀拱肋之间设3道“X”形横撑[9]，横撑纵向间距24 m。横撑采用等高度钢箱，箱高宽均为0.9 m。拱肋、系梁、纵横梁、横撑、横隔板及上下拱肋联结板均采用Q370qE钢材。如图2所示。

叠合拱桥跨度大，立面造型更加丰富，层次感更加突出，形成了与常规系杆拱截然不同的独特景观效果，适用性较强。受预制梁场位置控制，叠合拱桥至长春西站之间的简支箱梁的架设需要架桥机通过叠合拱桥，叠合拱采用“先梁后拱”的施工方案，通过在架桥机支腿下对应的横梁底处设置临时支腿方案满足架梁要求[10-11]。待架桥机通过，再施工拱肋，因此加大了桥面系施工的难度。

图2 138 m叠合拱桥布置(单位：mm)

为满足高速铁路的有关要求，设计过程中对该桥型进行认真分析研究，掌握了叠拱桥的受力行为机理、实体圆钢吊杆的连接机制及疲劳耐久性以及叠拱拱脚的传力体系等，深入研究了大跨钢箱叠拱桥适应无砟轨道的行为方式，成果如下。

(1)1-138 m下承式钢箱双层叠拱桥，其梁高仅3.4 m，各项检算符合高速铁路规范要求[12]，立面造型更加丰富，层次感更加突出，形成了与常规系杆拱截然不同的独特景观效果，适用性较强。钢箱叠拱桥可以应用在高速铁路，特别是跨越市区较宽道路、河流等有景观要求的大跨结构。

(2)实体圆钢吊杆连接能够使上下拱肋整体受力，且大大提高了拱肋的竖向刚度，减少了梁端转角，减小了桥梁的挠跨比，更能适应无砟轨道对竖向刚度的要求，另外其外观纤细，比以往应用较多的工字钢吊杆在美观性上大为改善[14]。

(3)双层叠拱在拱脚相交在一起，其传力途径发生改变，其构造处理较为关键，设计、计算分析及施工监控结果表明，系梁轴向力试验值与理论计算比较接近，说明系梁传力正确[10]。拱脚应力流具有指向性，主应力基本上顺着拱肋方向向支座方向和系梁方向传递。上下拱肋对应拱脚处隔板应力分布比较均匀[13]。

4 相关桥梁技术研究

在哈大高速铁路的设计施工过程中，进行了一系列严寒地区铁路相关设计、施工技术研究，形成了一套适合中国东北区域的桥梁设计施工关键技术。

4.1 严寒地区铁路混凝土结构耐久性研究

本线沿线地处东北腹地，冬季最低温度达到-39.9 ℃，属于严寒地区。桥梁所处侵蚀环境包含碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、冻融破坏环境及磨蚀环境等多种类型，最高达到L3、H4级，部分地段受几种侵蚀环境同时作用。

通过对严寒地区混凝土冻融破坏和氯盐引起的钢筋锈蚀的作用机理分析，以冻融破坏和盐溶液腐蚀为基本前提，开展了混凝土提高抗冻性和抗海水中氯盐腐蚀性能的研究，主要成果如下。

(1)从混凝土电通量和氯离子扩散系数的试验结果来看，水胶比影响效果最明显，同时水胶比也是影响混凝土强度的最主要因素，通过降低混凝土水胶比适当提高强度等级是提高混凝土抗腐蚀能力的有效途径。矿物掺合料的种类和掺量也影响了混凝土的抗氯离子渗透性能，其中以粉煤灰和矿渣粉复合、粉煤灰与硅灰复合能取得混凝土拌和物性能、强度和抗氯离子渗透性能的综合满意效果[14]。

(2)配合比设计是耐久性混凝土设计的关键环节之一。在条件许可的情况下，尽量采用较低的水胶比，减少单方混凝土的用水量和胶凝材料量，有利于提高混凝土的密实性，降低混凝土的渗透性并减少收缩，可以有效抵抗各种离子的运动，极大延缓碳化和氯离子、硫酸根离子的侵蚀过程，阻滞钢筋的锈蚀[14]。

(3)通过抗冻试验研究，具有抵抗300次盐溶液中冻融循环作用、抗氯离子侵蚀性能、耐盐结晶侵蚀及化学腐蚀性能良好的混凝土配合比主要参数为：①采用P.O 42.5级水泥；②水胶比不大于0.35；③双掺5%硅灰和20%～30%优质粉煤灰；④混凝土含气量控制在5%±1%，引气剂品种及掺量优选关键是能够控制硬化混凝土气孔参数在合理范围[14]。

(4)外加剂对混凝土具有良好的改性作用，选择适当的外加剂可有效提高混凝土的耐久性。混凝土中掺入高效减水剂可以降低混凝土的水胶比[14]，提高密实度。同时，应添加适量的引气剂，以保证含气量的要求。

4.2 严寒地区高速铁路桥梁施工综合技术

结合本线所处的地理位置及特点，设计、施工期间研究了多项施工方案及工艺，经过现场实践、监测对比，效果良好。主要的施工技术如下。

(1)普兰店海湾特大桥根据制定的移动支架施工技术措施，优化节段预制梁场布置和相应机具、设备配置，现场施工严格按要求执行，可以实现超大吨位梁重的大跨度预应力混凝土简支箱梁施工的线形控制[8，14]。

(2)普兰店海湾大桥地处溶岩发育和流塑淤泥质地区，主桥墩深水基础采用水上钻孔工作平台与钢板桩围堰进行施工。实践结果表明：深水基础施工采用该方案施工是可行的[15]，不仅施工工艺简单，而且可缩短施工周期。在实践中针对深水岩溶地区，研发出了泥浆止漏及溶洞封堵技术、溶洞顶板及溶洞内钻进技术、岩溶注浆设计和施工技术等，保证了施工安全和进度[14]。

(3)施工期间根据冬季管道压浆施工的需要进行了一系列的试验，得到了如下施工工艺：采用预应力管道通热气法对梁体进行压浆前预热，压浆结束后对梁体采用热棚罩法加热养护。配合热工计算浆体应在15 ℃搅拌机室内搅拌，原料温度控制在10 ℃，拌和水温度控制在15 ℃，搅拌后灌注浆体温度在13 ℃。按照相应质量控制程序进行施工，可以有效保障管道压浆冬期施工质量[14-16]。

5 运营情况

5.1 墩台沉降

根据2014年、2015年哈大高速铁路运营期沉降变形普查性监测测量结果对照，全线桥梁总体未发生明显的沉降差，沉降差一般在±3 mm内，仅个别桥墩由于环境条件变化引起沉降差较大，沉降或隆起最大值在±7 mm。线路穿越的地下水沉降影响范围的桥梁未见明显过大沉降。

5.2 梁部

沿线标准跨简支箱梁、简支钢混梁、大跨连续梁、56 m简支箱梁、138 m钢箱双层叠拱桥等桥梁梁部结构正常，无超限变形及病害发生。

5.3 墩台身混凝土侵蚀

普兰店海湾特大桥、金州2号特大桥等位于海湾、沿海海水严重侵蚀地段桥梁，桥墩混凝土表面完好，无侵蚀现象，桥梁墩台混凝土结构正常。

6 结语

哈大高速铁路线路长、地质复杂、控制因素众多，桥梁比例高，加上东北地区的极端严寒天气，使其成为国内外设计条件最为严苛的铁路之一。设计过程中，在充分吸收国内外其他地区高铁设计经验的基础上，针对本线不同段落的具体边界条件，因地制宜，开展了大量的科学试验工作，并以试验为指导，调整设计参数，优化设计成果。基于工期及施工的便利性，整个设计中力求标准化设计，同时采用了大量的新结构、新材料，融入了大量的新技术、新工艺和新理念。通过本线桥梁设计的实践，形成了一套具有我国自主知识产权的严寒地区高铁桥梁设计的技术体系，其中许多关键技术都是高速铁路设计史上首次采用，填补了国内外严寒地区高铁桥梁设计的空白。2012年12月1日开通以来，全线桥梁主体结构运营状况良好，桥梁满足严寒地区使用要求，可为类似地区的高速铁路桥梁设计施工提供借鉴。