贵广高铁排搞河中桥主拱、防护拱设计

张志勇, 鄢 勇

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

1 工程概况

贵广线排搞河双线中桥位于贵州省黔南州，地处贵州高原向湘西丘陵和广西丘陵的过渡地带，跨排搞河。桥位水深较浅，桥下无通航要求。为山涧“U”型河谷，坡面陡峻，贵阳端近于直立，广州端纵坡约45 °，河谷深切，深约60 m；排搞河纵坡较陡，河床平缓；坡面植被多为低矮灌木、乔木；桥址施工交通条件极其不便。桥位处不良地质为危岩落石，贵阳端陡坡有危岩落石体分布较多，危岩体最大3 m×1 m×1.5 m,一般块径为1 m×1 m×1.5 m，需采用清除、防护等措施对主桥进行防护。

2 主要技术标准

(1)铁路等级：客运专线。

(2)桥上线路：双线，线间距4.8 m，平曲线R=12 000 m，纵坡-0.3 %，有竖曲线上桥。

(3)设计行车速度：250 km/h。

(4)设计活载：ZK活载。

(5)轨道结构：双块式无砟轨道。

3 桥式布置

根据实测地形、河床断面，以及调查、勘察收集到的地质、水文、水位、气象等情况，进行了拟建桥梁的总体布置分析，孔跨布置和桥型选择必须考虑以下几个因素：

(1)桥址位于“U”型河谷，坡面陡峻，贵阳端近于直立，广州端纵坡约45 °；

(2)设计中对块径3 m×1 m×1.5 m的危岩落石进行清除，块径为1 m×1 m×1.5 m危岩落石需要防护，防止危岩落石对桥上行车安全进行冲击；

(3)桥两端顺接隧道：

(4)桥址施工交通条件极其不便，在满足行车安全性的同时，应尽可能降低工程量，减小工程造价。

重点考虑以上几个因素，综合自然条件，防洪要求，技术先进，经济节省等因素[1]，主桥选择了1-45 m上承式拱桥及1-60 m下承式系杆拱桥。经综合比选，最后选择1-45 m上承式拱桥方案作为实施方案。该桥为主跨45 m板拱桥，拱轴线采用悬链线，拱轴系数m=1.756，矢高10 m，矢跨比为1/4.5，拱上结构为跨度(10.2+5×8.6+10.2)m的连续梁，该连续梁通过门式刚架墩支承于拱上。

为保证主桥的行车安全，防止危岩落石对主桥的冲击，设计在主桥两侧采用了护桥进行防护。护桥为上承式混凝土肋拱桥，该桥拱轴线与主桥一致，该桥横向有两钢筋混凝土肋拱，两肋拱通过横向跨主桥的预应力门式刚架结构连接，再用混凝土T型纵梁架在门式刚架结构的横梁上形成棚洞，棚洞上覆土层及旧轮胎，防止危岩落石冲击，对主桥进行保护。

主桥总布置见图1，护桥总布置见图2，主桥与护桥相对关系示意见图3。

图1 排搞河双线中桥主桥总布置(单位：m)

图2 排搞河双线中桥护桥总布置(单位：m)

图3 排搞河双线中桥主桥与护桥相对关系示意(单位：cm)

4 结构构造设计

主桥为跨度45 m钢筋混凝土板拱桥，由基础、板拱圈、立柱、承轨梁、桥台、桥面构成。护桥为跨度45 m钢筋混凝土肋拱桥，由基础、肋拱圈、立柱、横梁、工字型纵梁、填土构成。

4.1 拱圈

我国铁路拱桥常用的拱轴形式有：圆弧线、抛物线和悬链线拱。选择拱轴的原则，首先应当尽量减小荷载弯矩[2]。根据这个原则，设计采用主桥拱圈1.1 m×7.0 m矩形钢筋混凝土板拱，矢高10 m，矢跨比为1/4.5，其拱轴系数通过优化计算不断调整，使最不利弯矩在控制截面正负值大致相当，最后得出拱轴系数m=1.756。拱脚与基础采用刚接。护桥拱圈采用两根2.5 m×1.8 m矩形钢筋混凝土肋拱圈，分布于主桥两侧，横向中心间距为14.1 m，考虑到美观因素，其拱轴线与主桥一致。

4.2 基础

考虑地形及岩石分布等因素，拱圈基础采用斜向方桩，其轴线与拱脚处拱圈轴线相切。主拱基础截面尺寸为2 m×2.5 m，嵌入W2岩石中，横向共两根方桩，方桩通过承台与拱圈相连。为便于承台基坑开挖，主桥拱圈承台采用圆端形承台，目的是使开挖斜向基坑时形成弧形拱洞，使岩石受力合理，保证施工安全。主桥桥台基础为圆形群桩基础，小里程段桥台为减小w2岩石开挖量，设计采用直径1.5 m的单排桩基础。护拱基础采用桩柱式连接，肋拱基础采用3 m×2.5 m矩形截面斜向方桩，立柱采用1.7 m×1.7 m竖向方桩。

4.3 主桥拱上建筑

承轨梁为跨度(10.2+8.6×5+10.2)m钢筋混凝土连续梁，梁高0.9 m，桥面宽12.2 m，桥面设置排水系统，主梁截面形式为实心双箱并置截面，横向采用刚性连接。主桥立柱为钢筋混凝土门式刚架墩，其纵向间距为8.6 m，立柱截面尺寸为1.5 m×1.1 m，横梁截面尺寸为1.5 m×1.5 m。立柱下设基座与拱圈相连。为防止落梁，横梁两侧均设置钢筋混凝土挡块。本桥位于R=12 000 m平曲线上，承轨梁平面布置采用平分中矢的原则进行布置。

4.4 护桥拱上建筑

护桥拱上立柱纵向中心间距为8.6 m，与主桥一致，横向中心间距为14.1 m，立柱截面为1.5 m×1.5 m。立柱上刚接横梁，为2.5 m×1.7 m预应力混凝土构件，采用高强度低松弛钢绞线。立柱与横梁相接位置纵向设置腹拱圈，用以加强各立柱间的纵向联系，为减轻温度及基础沉降对腹拱圈内力的影响，每隔2～3根立柱腹拱圈设置断缝。为便于更换，横梁上采用简支纵向工字梁，形成护桥承重体系。工字梁梁高1.1 m，腹板厚0.42 m。工字梁上铺防水层防止雨水渗漏。

4.5 护桥填土

为减轻危岩落石对护桥的冲击，设计采用0.69～1.0 m厚的炉渣覆盖于工字梁上，炉渣容重低于14 kN/m3，,炉渣上再覆盖一层0.5 m厚的黏土隔水层，减少雨水往下渗透。黏土上方再覆盖一层废旧轮胎，以缓冲落石的冲击力。

5 结构计算与分析

5.1 计算模型

本文采用 Midas/Civil软件分别建立了主拱和护拱的三维计算模型，均采用梁单元模拟，模型如图4、图5所示。

图4 主桥模型

图5 护桥模型

5.2 主要计算结果

受篇幅限值，本文仅列出主拱的计算结果

5.2.1 结构竖向刚度

由表1可知，承轨梁及拱圈竖向挠度及梁端转角均远小于铁路设计规范限值[3]，说明结构具有足够的刚度。

5.2.2 结构配筋检算

由表2可知，承轨梁、拱圈、立柱、盖梁在主力和主+附荷载工况下，钢筋、混凝土应力及裂缝宽度均小于规范限值[4]。

表1 竖向挠度检算

5.2.3 结构动力特性

结构自振频率如表3所示，主拱第一阶结构自振振型如图6所示。

由主桥结构自振振型和频率分析可知，第一、二阶振动为拱上立柱纵飘，第三、四阶为拱及主梁在面内的竖向弯曲振动，第五阶为拱及主梁在面外的横向弯曲振动，说明桥跨结构横向刚度大于竖向刚度，面外稳定性强于面内稳定性。最低自振频率为2.703 Hz，说明结构整体刚度较大。

表2 主拱结构配筋检算

表3 结构自振特性

图6 主拱第一阶振型

6 设计体会

(1)拱桥拱圈厚度应与其跨度相匹配，随着厚度增加将导致其刚度增加，而温度产生的内力急剧增加，浪费材料又不能保证安全。厚度过小则其承载能力过小不能满足安全要求。

(2)由于拱结构受力下挠，而拱脚处及桥台处几乎不发生沉降，由于“跷跷板”效应的影响，设计拱上连续梁时应特别注意边支座是否出现负反力。本桥承轨梁设计中采用的边跨大于中间跨便是基于该原因设计而成。

(3)采用实心双箱并置且横向刚接的连续梁时，应注意横向四支座反力分配不均的问题。

(4)如何计算危岩落石的冲击力是一个比较复杂问题，设计应交代施工方排查清除已有危岩落石，并在设计中应采取有效措施对主体结构进行保护。

7 结束语

贵广铁路排搞河双线中桥于2012年初开工，于2014年建成通车。该桥设计新颖独特，护桥的设计提供了一种艰险复杂山区铁路危岩落石的解决方案，从而避免了抬高线路标高以及增加主桥跨度，大大节省了工程造价，为国内该类情况的铁路设计提供了参考，使高速铁路的适应能力得以提高。