汉十铁路崔家营汉江特大桥设计研究

李喜平

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2.中铁建大桥设计研究院，湖北 武汉 430063)

1 工程概况

武汉至十堰客运专线崔家营汉江特大桥位于湖北省襄阳市襄州区东津镇，线路起始于岳岗村，穿过崔胡村、覃湾村至后岗村结束，桥址公路密布，交通发达。该桥在汉江中游崔家营航电枢纽水库的库区内，桥位下距崔家营坝址约1.8 km，上距襄樊内环五桥5.6 km。主桥采用连续刚构拱桥，桥跨布置为(135+2×300+135)m，桥长871.6 m。边跨与主跨梁部均设置钢管混凝土拱，为四联拱结构。该桥于2016年1月开工，计划2019年12月建成通车，建成后将成为世界上最大跨度的铁路混凝土连续刚构拱桥。桥型布置见图1。

图1 桥型布置(单位：m)

桥址位于汉江冲积平原汉江一级阶地，汉江平原地势平坦、开阔。地层岩性主要为第四系全新统人工填土、冲洪积层；下伏晚第三系(N)泥白云岩，白垩～第三系(K～E)泥岩、泥质砂岩，震旦系(Z)砂砾岩、白云岩。不良地质主要为岩溶，岩溶较发育。年温度变化较大，6—8月气温最高，月平均温度为27 ℃，极端温度可达41.4 ℃；12月至次年2月气温最低，月平均温度为4 ℃，极端最低气温-16.5 ℃；多年平均气温16.4 ℃。抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度为0.05g[1]。

2 主要技术标准

主要技术标准[2-4]：①设计速度300 km/h；②双线线路，正线线间距5.0 m。线路平面位于直线上，纵坡i=3‰；③设计活载为ZK活载；④轨道结构为有砟轨道；⑤环境类别及作用等级为一般大气条件下无防护措施的地面结构，环境类别为碳化环境，作用等级T2；⑥正常使用条件下梁体结构设计使用寿命为100年；⑦地震动峰值加速度≤0.05g，地震动反应谱特征周期均为0.35 s。

3 结构设计

3.1 主梁

图2 典型截面(单位：cm)

主梁为预应力混凝土结构，梁体混凝土采用C60，箱梁中支点处梁高16.5 m(见图2(a))，端支点及中跨跨中处梁高6.5 m(见图2(b))。中支点处平段长11.0 m，中跨跨中(梁高6.5 m)平段长50 m，中间119.5 m为变高段，梁底曲线为抛物线。箱梁为单箱双室截面，两边腹板为直腹板，腹板厚度包括0.30，0.50，0.65，1.10 m四种；箱梁顶板宽度除中支点处受拱座影响加宽到19.15 m外，其余均为14.6 m。顶板厚度根据主梁纵向预应力索布置情况，在布置双层索区域的顶板厚63 cm，在布置单层索区域的顶板厚40 cm。箱梁底板宽12 m，底板厚度由6.5 m梁高处的0.35 m渐变至16.5 m梁高处的2.0 m。箱梁各腹板上下交错设置直径为φ10 cm的通风孔，以降低箱内外温差。箱梁共设14道横隔板，边支点横隔板厚3.0 m，中支点横隔板厚2.0 m，中间横隔板厚0.4 m，各横隔板均设进人孔。中跨共设54道吊点横梁，吊点横梁高1.6 m，厚0.5 m。

3.2 拱肋

3.2.1 边拱肋

为满足高速铁路行车安全和舒适性要求，减小静活载作用下的梁端转角，2个边跨均设置钢管混凝土加劲拱。ZK活载静力作用下变形计算结果见表1。可知，未设置加劲拱时，静活载作用下最大梁端转角为1.02×10-3rad，设置后减少到0.63×10-3rad。

表1 ZK活载静力作用下变形计算结果

边跨拱肋计算跨度130 m，设计矢高26 m，矢跨比为1/5，拱轴线采用二次抛物线。拱肋为钢管混凝土结构，钢管采用Q345qD钢。每片拱肋采用等高度哑铃形截面，截面高度2.8 m，拱肋弦管直径为0.8 m，2片拱肋中心距12.35 m。边跨拱肋典型横断面见图3。两榀拱肋之间共设7道横撑，横撑均采用空间桁架撑，各横撑由φ450 mm主钢管和φ250 mm连接钢管组成，钢管内不填充混凝土。

图3 边跨拱肋典型横断面(单位：cm)

3.2.2 主拱肋

主拱肋计算跨度289 m，矢高57.8 m，矢跨比为1/5，拱轴线为二次抛物线。每片拱肋由4×φ850 mm钢管混凝土组成，钢管采用Q345qD钢，由横向平联板、竖向腹杆连接成为钢管混凝土桁架，横向平联板之间灌注混凝土，腹杆为空钢管，中跨拱肋典型横断面见图4。钢管及平联板厚度有36，28，20 mm三种。平联板与对应位置钢管等厚，平联板之间用螺栓加强连接。拱肋钢管中心高度由拱脚处的5.0 m(钢管中心间距离)渐变至拱顶处4.0 m。每片拱肋钢管横向中心距1.7 m，两榀拱肋中心距13.1 m。拱肋腹杆规格为φ500 mm，壁厚包括12,16 mm两种。两榀拱肋之间共设11道横撑，横撑均采用空间桁架撑，各横撑由φ500 mm 主钢管和φ250 mm连接钢管组成，钢管内不填充混凝土。

图4 中跨拱肋典型横断面(单位：cm)

3.3 吊杆

吊杆采用低应力防腐拉索(平行钢丝束)，外套复合不锈钢管，配套使用冷铸锚。吊杆上端穿过拱肋，锚于拱肋上缘张拉底座，下端锚于吊点横梁下缘固定底座。吊杆顺桥向间距10 m。每个边跨设11对吊杆，2个边跨共22对吊杆，边跨吊杆均采用PES(FD)7-85型。每个中跨设置54对吊杆，2个中跨共设108对吊杆，靠近拱脚处3对吊杆采用PES(FD)7-55型，其余采用PES(FD)7-73型。

3.4 桥墩和基础

317#,319#墩采用双薄壁墩，桥墩采用C60混凝土，双柱中心距为5 m,净距为2 m。墩身截面尺寸为3.0 m(顺桥向)×12.5 m(横桥向)，墩高均为37.7 m。318#墩采用空心墩，墩身截面尺寸为8.0 m(顺桥向)×12.5 m(横桥向)，顺桥向和横桥向壁厚均为1.5 m，墩高35.7 m。317#，319#墩承台尺寸为为17.0 m(顺桥向)×35.0 m(横桥向)×7.0 m(厚)，四角以R=200 cm的圆弧倒圆；318#墩承台尺寸为20.0 m(顺桥向)×35.0 m(横桥向)×6.5 m(厚)，四角以R=200 cm的圆弧倒圆。317#，319#墩均采用18φ3 m钻孔柱桩，按柱桩设计。318#墩采用15φ3 m钻孔柱桩，按摩擦桩设计。317#—319#墩承台平面布置见图5。

图5 317#—319#墩承台平面布置(单位：cm)

4 合理成桥状态

根据以往的设计经验，大跨度连续刚构拱的墩高与跨度比不宜小于1/10。墩高太矮会导致桥墩刚度增加，收缩徐变和温度产生的内力太大，将给主墩设计带来很大困难。崔家营汉江大桥与一般的连续刚构拱不同，它有2个主跨，跨度达300 m，边主墩高37.7 m，墩高跨比为1/8，与1/10接近，但其收缩徐变和温度跨度是相同跨度单主跨桥的2倍。因此如何采取措施让边主墩受力合理，满足规范要求是该桥设计的关键。本文从顶推力、边跨压重、合龙温度方面进行分析，使桥梁结构处于合理成桥状态[5-7]。

4.1 顶推力对成桥状态的影响

连续刚构拱桥由于成桥后收缩徐变会在边主墩顶产生向主跨跨中方向的水平力，对边主墩受力不利。通过在中跨合龙时施加顶推力，可以减小这种不利的影响。顶推力的大小要合理，太小达不到效果，太大会增加施工难度或适得其反。不同顶推力下边主墩受力及应力见表2。

表2 不同顶推力下边主墩受力及应力情况

由表2可知：随着顶推力从 22 000 kN 增加到 30 000 kN，边主墩左右柱顶最大弯矩均呈减小趋势，减小幅度约为10%；左柱顶最大轴力呈增加趋势，增加幅度约为7%，右柱顶最大轴力呈减小趋势，减小幅度约为6%；边主墩墩身最大压应力呈减小趋势，减小幅度约为9%。说明增大顶推力可以有效减小边主墩左右柱顶弯矩，改善墩身应力。同时，顶推力改变了边主墩左右柱的轴力分配，但对整个边墩的轴力影响很小。顶推力过大会增加施工困难度，对桩基受力不利[8]。因此本桥顶推力采用 25 000 kN。

4.2 边跨压重对成桥状态的影响

由于本桥边跨跨度为135 m，仅为主跨的0.45倍，悬臂施工过程中主跨最大悬臂长149 m，边跨最大悬臂长135 m，导致边主墩产生不平衡弯矩。通过在边跨施加压重使得悬臂施工过程中边主墩两侧梁重相对平衡，合龙后再撤除，可以减小不平衡弯矩对边主墩的不利影响。梁端117.3 m范围内，不同边跨压重下边主墩受力及应力见表3。

表3 不同边跨压重下边主墩受力及应力

由表3可知：随着边跨压重从100 kN/m增加到160 kN/m，边主墩左右柱顶最大弯矩均呈减小趋势，减小幅度约为6%～7%；左柱顶最大轴力呈增加趋势，增加幅度约为5%，右柱顶最大轴力呈减小趋势，减小幅度约为5%。边主墩墩身最大压应力呈减小趋势，减小幅度约为5%。说明施工过程中在边跨压重可以减小边主墩左右柱顶弯矩，改善墩身应力。同时，边跨压重改变了边主墩左右柱的轴力分配，但对整个边墩的轴力影响很小。因此，本桥边跨压重时采用120 kN/m。

4.3 合龙温度对成桥状态的影响

经计算分析连续刚构拱体系温度应力很大。为了减少温度荷载对结构的不利影响，选择合适的合龙温度对结构安全十分重要。对不同合龙温度下边主墩受力及应力见表4。

表4 不同合龙温度下边主墩受力及应力

由表4可知：随着合龙温度从10 ℃增加到25 ℃，边主墩左右柱顶最大弯矩值均呈增加趋势，增加幅度约为52%～55%；左柱顶最大轴力呈减小趋势，减小幅度约为5%，右柱顶最大轴力呈增加趋势，增加幅度约为6%。边主墩墩身最大压应力呈增加趋势，增加幅度约为47%。说明合龙温度增大时，边主墩左右柱顶弯矩和墩身对大压应力均显著增加，但墩身应力增大对其受力不利。同时，合龙温度改变了边主墩左右柱的轴力分配，但对整个边墩的轴力影响很小。因此需合理进行施工安排，选择合适的施工合龙时间[9-10]。建议合龙温度控制在10～15 ℃，确保桥梁结构安全。

5 结语

崔家营汉江特大桥为墩梁固结的超静定结构，主跨跨度达300 m，混凝土梁的收缩徐变和温度效应对边主墩受力影响很大。通过合龙前在中跨合龙段两侧梁端顶推、控制合龙温度可以减小主梁收缩徐变和温度效应。主梁悬臂施工时通过在边跨施加压重，可以减小不平衡弯矩，使其受力更合理，确保了桥梁结构的安全。