商合杭高铁淮河特大桥总体设计研究

付小军

（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

新建商丘—合肥—杭州高铁（简称商合杭高铁），连接河南省商丘市、安徽省合肥市与浙江省杭州市，有“华东第二通道”之称。商丘—合肥段（即京港高速铁路商合段）、合肥—杭州段分别是我国“八纵八横”高速铁路主通道中“京港（台）通道”和“京沪通道”的重要组成部分。

1.1 桥位概况

淮河特大桥位于安徽省淮南市毛集试验区和寿县境内，桥址位于冲积平原区，总体地势平坦。流域内年平均气温为15.6 ℃，最冷1 月，平均气温2.4 ℃；最热7月，平均气温28.4 ℃。桥址场区岩土层包括较厚的粉质黏土、细砂及中砂等，桥址区域主要有较厚的粉质黏土、细砂、中砂，下伏基岩为泥质砂岩等。桥区地震动峰值加速度0.1g，特征周期0.35 s。

1.2 淮河水位条件及航道情况

淮河是我国七大江河之一，是我国中部一条重要的河流。本桥桥址设在安徽淮南境内，位于淮河中游。该河道平缓，平均比降仅为0.03‰，桥址处淮河百年一遇设计流量Q1%=12 218 m3/s，设计水位H1%=26.16 m，设计流速V1%=1.86 m/s。

淮河为Ⅲ（2）级航道，按单孔双向通航，通航净宽不小于150 m，净高10 m，最高通航水位25.63 m，最低通航水位16.34 m。

1.3 东淝河水文条件及航道现状

东淝河由瓦埠湖入淮南市，出瓦埠湖分流南北，南为老河、北为新河，西北向平行流过东津段，至李嘴孜转向西流，出淮南市经寿县城北门西北入淮。东淝河航道现状为限制性Ⅲ级。

桥址处老河百年一遇设计流量Q1%=1 801.2 m3/s，设计水位H1%=25.79 m，设计流速V1%=1.53 m/s；新河百年一遇设计流量Q1%=1 110.3 m3/s，设计水位H1%=25.79 m，设计流速V1%=1.6 m/s。

1.4 规划引江济淮工程概况

商合杭高铁因上跨规划引江济淮工程而相互影响，规划引江济淮工程是在东淝河现状基础上拓宽下挖改建。商合杭高铁与之交叉地段位于该工程与淮河交汇地段附近，河道平面向入淮河口逐渐变宽。

2015年3月，中华人民共和国国家发展和改革委员会（简称国家发改委）批复引江济淮工程项目建议书，明确江淮沟通段（派河—东淝河河段）按Ⅱ级航道标准建设。根据交通部通航条件影响评价的要求，本桥在跨东淝河（引江济淮工程入淮口）需采用一跨跨越河道。规划的Ⅱ级（限制性航道）航道通航净宽60 m，净高10 m，最高通航水位23.86 m，最低通航水位17.40 m。

1.5 淮河北岸董峰湖退堤

淮河干流共有行蓄洪区23 处，本桥与淮河交叉处两岸分别位于毛集实验区段的东风湖滞洪区和寿县段的寿西湖行洪区。淮河干流行蓄洪区启用标准大部分较低，蓄洪区启用机遇约合5～8年一遇。

2012年7月水利部以水规计〔2012〕313号文上报国家发改委进行董峰湖退堤改防洪保护区，并获得批复。根据防洪规划，桥位处垂直既有河堤向外退堤600 m左右。铁路里程DK268+226—268+900 为退堤疏浚区域，其中约DK268+600—268+900为河床疏浚区域（见图1）。

1.6 其他条件

商合杭高铁在寿县设站，寿县高铁站位于八公山环境敏感区和寿县老县城之间的狭窄区域，站址位于本桥大里程方向，距本桥跨淮河位置约7 km。凤台南站设于淮南市毛集实验区，位于城市规划区和合淮阜高速公路之间，站址在本桥小里程侧，距离本桥跨越淮河位置约13 km。

图1 董峰湖防洪保护区退堤示意图

八公山环境敏感区及寿县老县城均是本桥桥址选择的控制因素。八公山位于寿县县城北侧，是国家地质公园、国家森林公园和省级风景名胜区（AAAA 级），同时在八公山分布有淮南王刘安墓等（国家级）、廉颇墓等（省级）重点保护文物，是环保部商合杭高铁全线环境影响评价的重点。寿县县城老城区（城墙四周以内）是国家重点保护文物，包括寿县县城老城区至东淝河之间的区域在内，是国家明确禁止开发、建设的保护区域。

2 桥梁总体设计

2.1 桥位选择

本桥桥位由线路走向、通航、防洪、寿县站位控制。商合杭高铁淮河段线路自凤台南站引出东南行，在合淮阜高速公路淮河桥下游跨越淮河后，依次跨越东淝河老河、新河（规划引江济淮工程江淮沟通段）、靖淮路，与合淮阜高速公路并行，引入寿县站。

线位跨越淮河的位置及角度主要由通航要求控制，经过多方案比选，最终选择线位在合淮阜高速公路淮河桥下游2.0 km 处跨越淮河，线路中线的法线与淮河主航道水流交角为14.18°。

2.2 跨淮河孔跨布置

跨淮河主桥是本桥设计的1个控制点。本桥跨淮河位置距上游合淮阜高速公路淮河桥2.0 km，公路桥与淮河水流方向夹角为67.5°，主跨采用（90+3×160+90）m连续梁跨越。由于桥址处淮河较宽，航道部门要求主通航孔按照单向双孔通航设计，并在主通航孔右侧预留单向单孔通航的条件。结合合淮阜高速公路淮河桥通航孔布置情况和航道疏浚，主桥跨径布置为（112+228+112）m。

对连续刚构-柔性拱桥、预应力混凝土部分斜拉桥、钢桁梁-柔性拱桥3 种桥型方案进行了技术经济比选，结合本桥铺设无砟轨道的要求，最终选择技术成熟、受力性能好、经济性能优越的连续刚构-柔性拱桥这一组合结构桥式方案［1-5］。

2.3 跨东淝河（规划引江济淮工程）孔跨布置

东淝河现状为限制性Ⅲ级航道。根据规划的引江济淮工程江淮沟通段，即在东淝河新河的基础上进行拓宽下挖改建，按Ⅱ级航道标准建设。根据通航要求，本桥在跨东淝河（引江济淮工程入淮口）一跨跨越河道。本桥航道与线路大里程夹角为39°，根据通航“一跨跨越河道”的要求，主桥跨径布置为（112+224+112）m。由于标高受寿县站标高控制，最小墩高为15.0 m，墩高仅为主跨跨度的1/14.9。较矮的墩高致使桥梁难以采用主墩梁固结体系，即使将其设计为双肢薄壁墩，在体系降温、预应力效应、混凝土收缩徐变效应的叠加作用下，桥墩墩身难以承受巨大的次内力。经过分析研究比选，本处主桥采用了连续梁-柔性拱组合结构桥式方案。

2.4 淮河北岸董峰湖退堤范围孔跨布置

本桥在淮河北岸跨越董峰湖滞洪区，根据项目规划，董峰湖拟实施退堤改防洪保护区。本桥284#—293#墩为退堤疏浚区域，其中289#—293#墩为河床疏浚区域，防洪评价要求铁路桥梁尽可能减少在该处的阻水面积，疏浚区域桥墩承台顶低于疏浚后的河床底面。采用32 m 简支梁无法满足防洪要求，经过多次与防洪主管部门对接，为了尽量减少退堤范围的桥墩数量，本桥采用了中等跨度桥梁跨越该区域及退堤后的董峰湖大堤，孔跨布置为3联（64.5+65+64.5）m连续梁。

2.5 全桥孔跨布置

综合以上各控制点的研究，跨淮河主桥采用（112+228+112）m 刚构拱桥，跨东淝河主桥（规划引江济淮工程）采用（112+224+112）m 连续梁拱桥，淮河北岸董峰湖退堤采用3联（64.5+65+64.5）m连续梁。除去跨河堤、道路采用中小跨度连续梁外，其余均为24、32 m标准简支梁，桥梁全长17 041.72 m。

2.6 桥墩及基础设计

全桥简支梁采用圆端型桥墩，墩高大于26 m，圆端型空心桥墩。由于本桥位于寿西湖、董峰湖蓄滞洪区，改用圆端型实体桥墩，刚构拱主墩采用双薄壁桥墩，其他特殊结构桥墩采用实体墩。桥台采用双线矩形空心桥台。采用钻孔桩基础，桩径根据不同跨度和地质条件选用。跨淮河（112+228+112）m 连续刚构主墩采用2.0～2.5 m 钻孔桩基础，跨东淝河（112+224+112）m连续梁拱主墩采用2.0～2.5 m钻孔桩基础，2座主桥主墩桩基均按摩擦桩设计。

2.7 施工组织设计

跨淮河主桥294#、295#水中主墩施工水深17 m，采用双壁钢围堰施工。跨东淝河主桥394#、395#主墩承台底附近地层为圆砾土和泥质砂岩，采用钢板桩围堰实施困难，汛期施工桩基础平台考虑度汛的要求，主墩钻孔桩采用筑岛施工，围堰采用钻孔桩支护+旋喷桩咬合止水，桩基础施工完成后度汛基本完成，围堰顶按非汛期施工水位19.2 m控制。

跨淮河主桥至跨东淝河主桥之间共86 孔简支梁，采用移动模架施工，其余地段的简支梁预制架设，非标准简支梁采用支架现浇施工，连续梁采用悬臂灌注法施工。

（112+228+112） m 刚构拱及 （112+224+112） m 连续梁拱均采用先梁后拱施工方法，主梁采用挂篮悬臂浇筑法施工，主梁合龙后，在桥面上拼装拱肋，搭设塔架。拱肋拼装完成后，采用竖转法将拱肋转体到位，合龙拱肋。

3 跨淮河（112+228+112）m刚构拱桥

3.1 结构设计

跨淮河主桥采用（122+228+122）m 刚构拱桥，桥型布置见图2。主梁为预应力混凝土结构，采用单箱双室变高度箱形截面，跨中及边支点处梁高5.5 m，中支点处梁高14.0 m，梁底按1.6次抛物线变化。

箱梁顶宽14.2 m，中支点处局部加宽至17.1 m；箱梁顶板厚0.42 m，局部加厚到0.62 m，中支点处局部顶板厚1.00 m，边支点处局部顶板厚0.72 m；箱梁底宽11.0 m；底板厚度0.4～1.5 m。

图2 跨淮河主桥桥型布置图

箱梁采用直腹板，腹板厚分为0.40、0.60、0.80 m三种，中支点处局部腹板厚1.10 m，箱梁各腹板上下交错设置φ10 cm的通风孔，用以降低箱内外温差。

主梁共布置横隔板7 道，即在梁的两端各设厚155 cm 的横隔板，每个主墩双薄壁墩柱顶主梁各设置2 道240 cm 厚横隔板，中跨跨中设置1 道厚40 cm 横隔板，各横隔板均设进人孔。

箱梁于各吊杆处共设22 道吊点横梁，吊点横梁高1.6 m，横梁厚0.4 m。跨淮河主桥主梁典型截面见图3。

图3 跨淮河主桥主梁典型截面

拱肋为钢管混凝土结构，采用等高度哑铃形截面，拱肋高度3.8 m，管径1.3 m。拱肋计算跨度L=220 m，设计矢高f=44 m，矢跨比f/L=1/5，拱轴线采用二次抛物线。

拱肋为钢管混凝土结构，采用等高度哑铃形截面，截面高度3.8 m。拱肋弦管直径φ=1.3 m，由δ=26、32 mm厚的钢板卷制而成，弦管之间用δ=20 mm厚钢缀板连接，拱肋弦管及缀板内填充微膨胀混凝土（见图4）。2榀拱肋间横向中心距12.2 m。

主墩采用钢筋混凝土双肢薄壁墩柱，墩高均为29.5 m，每肢墩柱壁厚2.4 m。两肢墩壁的中心距6.4 m；横桥向墩柱宽16.8 m。主墩墩高均为29.5 m。

图4 拱肋截面

主墩采用钻孔桩基础，桩基按行列式布置，承台尺寸为24.0 m（长）×30.6 m（宽）×6.0 m（高）。每个主墩设置20根直径2.5 m的钻孔灌注桩，按摩擦桩设计。

3.2 结构计算

整体计算采用有限元程序按照实际施工阶段模拟分析桥梁各阶段的受力状态，模型中主墩与主梁固结并考虑基础刚度的影响。

本桥铺设无砟轨道，对主梁的线形条件要求极高。除检算各施工阶段各部件各截面的强度、应力和疲劳之外，还应重点研究分析主梁的变形以满足铺设无砟轨道的要求［6-8］。计算结果表明：

（1）主桥（112+228+112） m 刚构拱桥在各施工阶段以及成桥运营阶段主梁、拱肋、吊杆、主墩及基础的强度、应力、疲劳等均满足规范要求，并具有良好的经济性。

（2）在ZK活载作用下梁端最大转角为+0.67‰rad，满足规范梁端转角不大于1‰rad 的规定。主梁最大竖向挠度为0.63 倍静活载+全部温度工况，挠度值为-55.3 mm（向下），挠跨比为1/4 120，满足竖向刚度要求。

（3）本桥主梁为大跨度混凝土梁，在柔性拱的辅助作用下，并结合主梁纵向预应力优化，轨道铺设后梁的残余徐变值为-9.2 mm（边跨）、-11.9 mm（中跨），均为竖直向下位移，满足铺设无砟轨道的变形要求。

3.3 桥上铺设无砟轨道情况

全桥均铺设CRTS Ⅲ型板式无砟轨道，跨淮河（112+228+112）m 刚构拱桥两端的上、下行端各设置1组钢轨伸缩调节器，共设4组［9-10］。

4 跨东淝河（112+224+112）m连续梁拱桥

4.1 结构设计

跨东淝河主桥采用（112+224+112）m连续梁拱桥。主梁全长449.6 m，共划分为99个梁段，梁拱结合部0#梁段长25 m，中跨合龙梁段长3.0 m，边跨直线段梁段长8.3 m，其余梁段长分为3.0、3.5、4.0、4.5 m四种。

主梁为预应力混凝土结构，采用单箱双室变高度箱形截面，跨中及边支点处梁高5.5 m，中支点处梁高14.5 m，梁底按1.6次抛物线变化。

箱梁顶宽14.2 m，中支点处局部顶宽17.1 m；箱梁顶板厚0.42、0.64 m，中支点处局部顶板厚1.14 m，边支点处局部顶板厚0.92 m；箱梁底宽11.0 m，中支点处局部底宽14.4 m；底板厚度0.4～2.0 m，中支点处局部底板厚2.5 m，边支点处局部底板厚0.9 m。

箱梁采用直腹板，腹板厚为0.4、0.6、0.8、1.0 m四种，中支点处局部腹板厚1.5、1.8 m，边支点处局部腹板厚0.7 m。

箱梁共设5 道横隔板，边支点横隔板厚1.6 m，中支点横隔板厚5.0 m，中跨中横隔板厚0.4 m，各横隔板均设进人孔。

箱梁于各吊杆处共设22 道吊点横梁，吊点横梁高1.8 m，横梁厚0.4 m。

拱肋计算跨度L=224 m，设计矢高f=44.8 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，采用等高度哑铃形截面，截面高度3.8 m。拱肋的截面形式与跨淮河主桥的拱肋截面形式基本一致。

桥梁采用球形支座，各支点沿横向设3个支座，边支点支座吨位10 000 kN，中支点支座吨位145 000 kN，固定方向设计水平力为竖向承载力的30%。

4.2 结构计算

整体计算采用有限元程序，按照实际施工阶段模拟分析桥梁各阶段的受力状态。与跨淮河主桥类似，本桥铺设无砟轨道，对主梁的线形条件要求极高。除检算各施工阶段各部件各截面的强度、应力和疲劳之外，还应重点研究主梁变形以满足铺设无砟轨道的要求。计算结果表明：

（1）主桥（112+224+112） m 连续梁拱桥在各施工阶段以及成桥运营阶段主梁、拱肋、吊杆、支座的强度、应力、疲劳等均满足规范要求，并具有良好的经济性。

（2） 在 ZK 活 载 作 用 下 ， 最 大 梁 端 转 角为-0.803‰ rad，主梁最大竖向挠度为ZK 静活载挠度+0.5 倍温度工况，挠度值为-53.1 mm（向下），挠跨比为1/4 216，满足要求。

（3）轨道铺设后梁的残余徐变值为-11.5 mm（边跨）、18.9 mm（中跨），满足铺设无砟轨道的变形要求。

4.3 桥上铺设无砟轨道情况

全桥均铺设CRTS Ⅲ型板式无砟轨道，跨东淝河（112+224+112）m 连续梁拱桥两端的上、下行端各设置1组钢轨伸缩调节器，共设4组。

5 结论

商合杭高铁淮河特大桥为时速350 km 无砟轨道双线桥梁，桥位位于淮河内涝区、行洪区，受防洪、通航、淮河退堤等诸多因素影响，对本桥的桥位选择、孔跨布置、主桥设计等方面进行了研究。结论如下：

（1）线位跨越淮河的位置及角度主要由通航要求控制，本桥在合淮阜高速公路淮河桥下游2.0 km 处跨越淮河，线路中线的法线与淮河主航道水流交角14.18°。

（2） 结合通航及防洪要求，跨淮河主桥采用（112+228+112）m 刚构拱桥跨越淮河主航道；淮河北岸采用3 联（64.5+65+64.5）m 连续梁跨越董峰湖退堤区域；采用（112+224+112）m 连续梁拱桥跨越东淝河（规划引江济淮工程），主跨一跨跨越河道。

（3）跨淮河主桥和跨东淝河主桥均为大跨度混凝土主梁-柔性拱组合结构，静动力计算分析表明主桥的各项受力指标满足良好，并具有良好的经济性能。

（4）跨淮河主桥为目前世界最大跨度的无砟轨道刚构拱桥，跨东淝河主桥为目前世界最大跨度的无砟轨道连续梁拱桥，2座主桥的主梁变形均满足铺设无砟轨道的要求。

（5）2座主桥采用先梁后拱施工方法，主梁采用悬臂浇筑施工方法。除2座主桥之间的简支梁采用移动模架施工，其余地段的简支梁预制架设，非标准简支梁采用支架现浇施工，连续梁采用悬臂灌注法施工。

桥梁于2019 年12 月建成通车投入运营。自开通运营以来，列车运行安全平稳，整体效果好，评价度高，具有良好的示范作用。