包银高铁乌海黄河桥主桥方案研究

2022-02-16孙宗磊李恩良

中国铁道科学 2022年1期

孙宗磊，李恩良

（1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；2.中国铁路经济规划研究院有限公司桥隧咨询部，北京 100844；3.中国铁路设计集团有限公司土建结构研究所，天津 300308）

近年来，黄河流域的发展已纳入国家高质量发展战略，跨黄河桥梁的建设也愈发受到社会各界的关注。黄河具有季节流量变化大、洪汛期和凌汛期长等显著特点，桥梁建设方案需要充分考虑防洪、防凌、通航等因素的影响。据调研目前黄河上铁路桥梁约有20 座，从结构类型看，一般为钢桁梁桥、拱或索加劲桁梁桥、连续梁桥、钢管拱桥等；从跨度看，基本都在200 m 以下，其中准朔铁路的上承式钢管混凝土拱桥主跨为380 m，为目前黄河上跨度最大的铁路桥梁；从地震烈度看，基本在7度以下，个别桥梁达到8 度，但其跨度为100 m 左右，相应的地震响应相对较小，不控制桥梁结构设计；从施工方案看，受凌汛期和浮运条件限制，多采用顶推法或拖拉法，施工栈桥和临时支撑需多次搭拆，工期相对较长［1］。

包银高铁为时速250 km 双线有砟轨道高速铁路，乌海黄河桥为全线的控制性工程，桥址位于内蒙古自治区乌海市与宁夏回族自治区石嘴山市交界处，桥址处为8度震区，根据边界条件要求主桥跨度达到310 m，该桥是目前黄河上跨度最大、地震烈度最高的高速铁路大跨度桥梁，其结构形式、抗震体系、轨道平顺性、施工方案适用性等直接关系到高速铁路的运营安全和黄河的汛期安全。本文根据桥址具体边界条件选择合适的桥式方案，并针对上述4个方面开展深入研究。

1 桥址及控制因素

桥位处黄河河道整体呈“S”形，无护坡及控导工程，300年一遇洪峰流量为6 520 m³·s−1。河道基本稳定，洪水期主河槽宽约600 m，线位与黄河现状河槽交叉右角为101°。小里程河岸地势较高，桥址两岸高差约11 m，大里程河岸局部淤积，形成河汊及沙洲，桥址平面如图1所示。

图1 桥址平面

桥址处具有以下控制因素：

（1）季节温差大。乌海地区历年平均气温为9.84 ℃，历史极端最高和最低气温分别为41和−28.9 ℃，在桥梁设计上属于寒冷地区。

（2）地震烈度高。桥址处设计和罕遇地震动峰值加速度分别为0.222g和0.446g，地震动特征周期分别为0.5和0.6 s。

（3）洪汛期和凌汛期时间长。桥址区黄河洪汛期为每年7月至9月，凌汛期为11月至翌年3月，汛期间需拆除建桥涉河临时工程。

（4）跨度要求特殊。根据黄河管理部门意见，主河槽内桥梁跨度不小于260 m，摆动主河槽内桥梁跨度不小于80 m。

（5）弯曲河道通航要求高。受S形河道横向流速的影响，航道管理部门要求主通航孔跨度不小于310 m。

（6）河槽两岸高差大。受地形限制，包头侧河岸比银川侧河岸高约11 m，主桥整体纵断面较低。

2 主桥方案

2.1 桥式

根据上述控制因素，主桥孔跨布置主跨应不小于310 m，边跨应不小于80 m，结合常用桥跨结构形式的运用经验和国铁集团近年的科研成果《高速铁路200—450 米混凝土桥设计关键技术研究》（编号：2016G002），该跨度铁路桥可供选择的桥型有混凝土部分斜拉桥方案、连续钢桁梁+柔性拱方案、钢桁拱+柔性梁方案、半漂浮体系斜拉桥方案。

混凝土部分斜拉桥方案主梁截面高、重量大。当主跨在300 m 以上时主墩支点处梁高在16 m 以上，单延米结构自重在100 t 以上［1］，这对于纵断面较低的桥址景观效果较差，同时由于其自重较大，也不适合高烈度震区。

钢桁梁+柔性拱或钢桁拱+柔性梁组合方案的典型特点是用钢量大，全寿命周期内的运营维护费用相对较多。当跨度达到300 m 以上时，主体结构单延米用钢量分别达到25 和30 t 以上［1］，经济性较差。

而半漂浮体系斜拉桥方案主梁截面低，且采用钢箱梁时主体单延米用钢量基本都在19 t 以内［1−2］。因此结合本桥工点的边界条件和调研情况，对4种桥型的工点适应性分析见表1。

根据表1调研分析结果，半漂浮体系斜拉桥方案优势明显，同时考虑防洪、防凌、通航对孔跨的要求及景观需求，乌海黄河桥主桥采用孔跨布置为（80+80+310+80+80）m 的半漂浮体系箱梁斜拉桥方案。

表1 桥式方案适应性分析

2.2 整体布置

桥梁主要结构形式关系到桥梁的结构安全和技术经济性能［3−5］，目前建成、在建的铁路箱梁斜拉桥有20 余座［1，6］，乌海黄河桥主桥主要结构参数在充分吸收工程实践成果的基础上，经过技术经济比选确定为：主跨挠跨比按1/700 控制，主梁高采用4.25 m，梁型为箱梁；2 个主塔全高分别为111.5和115.0 m，桥面以上有效塔高采用89.5 m，桥塔为混凝土桥塔；2个主塔每侧均布置14对斜拉索，塔上索间距为2.0～2.3 m，梁上索间距采用10.5 m，边索倾角为29.5°。

主桥结构立面布置如图2所示。

图2 主桥立面布置（单位：m）

3 主梁和主塔结构形式

合理的梁型可以提高主桥的技术经济性能，结合工程实践中常用的主梁类型，选取钢箱梁、混凝土箱梁、混合箱梁、混合结合箱梁4 种方案进行主梁梁型比选。

合理的塔型不仅能够适应桥址的“S”河道，更能够使整个桥梁结构获得良好的技术经济效果［7−9］。结合工程实践情况［1］，选取A 型塔、H 型塔、花瓶型塔3种方案进行主塔塔型比选。

主梁和主塔结构形式研究中静力分析采用有限元法，地震分析采用反应谱分析与非线性时程分析相结合的方法。

采用MIDAS Civil软件建立不同主梁梁型和主塔塔型的主桥模型。主塔、主梁、桥墩采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟，支座采用弹性连接模拟，阻尼器和横向防落梁装置采用一般连接单元模拟，基础与地基采用节点弹性支承进行模拟。图3为花瓶型桥塔、混合箱梁主桥方案的有限元模型。

图3 花瓶型桥塔、混合箱梁主桥方案的有限元模型

3.1 主梁梁型

乌海地处西北黄土高原河谷地带，桥址基本设计风速为29.8 m·s−1。为减少风力效应，各方案主梁均采用具有良好气动布局的宝石型截面，截面板厚根据不同梁型方案受力要求进行调整，4 种主梁方案涉及的3种主梁截面布置如图4所示。

图4 各方案主梁横断面布置（单位：cm）

在主塔均为花瓶型方案的条件下，调整主塔、主梁、斜拉索及基础的尺寸和规格，使各方案主梁成桥线性基本一致，进行4 种不同主梁方案的刚度、内力、地震响应、经济性等对比分析。4 种方案的具体布置见表2，主要对比分析结果见表3。

表2 4种梁型方案结构布置

表3 4种梁型方案技术经济对比

由表2和表3可知：

（1）从结构构造来看，混合结合梁方案钢混结合面范围最大，除2 个受压的结合面外，还有4 道纵向腹板结合带和68 道横隔板结合带，根据常规实践经验钢混结合面受温差影响较大，而乌海地区历史极端温差高达70 ℃，因此该方案主梁设计难度较大，与桥址适应性较差；混合梁方案只有2 个受压的结合面，因此其结构设计相对混合结合梁方案较简单；钢箱梁方案和混凝土箱梁方案材料单一，不存在钢混结合问题。

（2）从刚度指标来看，钢箱梁方案梁端转角达到了2.366‰，超出了规范不大于2‰的限制，同时该方案的挠跨比为1/681，不满足小于1/700的设计要求；混凝土箱梁方案的梁端转角和挠跨比均最小，分别为1.144‰和1/1 161，因此其刚度在4 个方案中最大；混合梁方案和混合结合梁方案的梁端转角和挠跨比基本一致。

（3）从工后徐变来看，钢箱梁方案工后徐变最小为27 mm，由于钢结构不存在徐变问题，因此该值由主塔徐变引起；混凝土箱梁方案工后徐变最大为94 mm，这将对行车的平顺性产生不利影响；混合梁方案工后徐变为39 mm，约是混凝土箱梁方案的41%；混合结合梁方案为49 mm，介于混凝土箱梁和混合梁方案之间。

（4）从地震响应来看，钢箱梁方案的梁端位移、塔底竖向力、塔底弯矩均最小，混凝土箱梁方案这3 项指标均最大，分别比前者大了约63%，32%和25%，混合结合梁方案这3 项指标仅次于混凝土箱梁方案，混合梁方案与钢箱梁方案基本一致，但比钢箱梁方案稍高。各方案的塔底弯矩和竖向力大小直接影响其主塔基础桩基的布置根数。

（5）从施工方面来看，混合结合梁方案钢混结合面范围最大，因此其工序最复杂，工期最长，为38 个月；混凝土箱梁方案工期受养护时间控制仅次于混合结合梁方案，为37 个月；钢箱梁、混合梁方案钢结构部分可提前在工厂加工，与现场基础、主塔和桥墩等同步施工，工期相对较短，分别为33和35个月。

（6）从经济性来看，钢箱梁方案由于钢结构造价高而导致总造价最高，为34 481万元；混凝土箱梁和混合结合梁方案总造价基本一致，且仅次于钢箱梁方案，混合梁方案总造价最低为30 361 万元，4个方案总造价比值为1.14∶1.06∶1∶1.07。

综合上述各方面因素，该桥主梁采用混合箱梁方案的技术经济效果更佳。

3.2 主塔塔型

3 种型塔方案中，A 型塔方案上塔柱合并，采用空间索面；H 型、花瓶型采用平行索面。3 种塔型方案具体布置如图5所示。

图5 3种塔型方案布置（单位：m）

在主梁均采用混合箱梁的情况下，对上述3 种不同的塔型方案分别按2.3节所述的方法进行有限元静力工况和地震工况分析，针对不同的方案调整塔壁、斜拉索和基础尺寸，使各方案主梁成桥线性基本一致，并对各方案的刚度、地震响应、经济性等主要指标进行对比研究，结果见表4。

由图1、图5和表4可知：

表4 3种塔型方案技术经济对比

（1）从刚度指标来看，不同塔型对桥梁整体刚度的影响较小，3 个方案的梁端转角和挠跨比基本一致。

（2）从地震响应来看，花瓶型桥塔方案塔顶纵向位移最小，为349 mm，塔顶横向位移最大，为494 mm，但塔顶相对于上横梁的变形较小，为220 mm，因此上塔柱设计难度较小；A 型、H 型桥塔方案由于下塔柱外倾而有利于减小塔顶横向位移，但其横向刚度较大，从而增加了结构的地震内力，A型塔方案的基底横向弯矩比花瓶型塔方案增加了约1.6%。

（3）从施工方面来看，A 型塔方案上塔柱合并，因此斜拉索需采用空间索面，索梁、索塔锚固构造比H 型和花瓶型方案相对复杂，施工难度较大。

（4）从对河道的影响来看，A型和H型桥塔方案基础横向宽度约是花瓶型桥塔的1.6倍，引起基础钢围堰工程量增大，与桥址S形河道要求尽量减小施工阻水的适应性较差。

（5）从经济性来看，花瓶型桥塔方案主塔和基础圬工量及总造价最低，比前2 种方案节省投资4%～5%。

综合考虑上述因素，该桥采用花瓶形桥塔方案的技术经济效果更佳。

4 抗震体系

该桥位于高烈度震区，地震工况控制结构设计，参考同类桥梁的抗震措施［10−11］及本桥的研究成果［6］，综合确定该桥的抗震约束体系由大位移球形钢支座支承系统、主塔和辅助墩阻尼器系统、边墩和辅助墩设置横向防落梁系统3 部分组成，如图6所示。

图6 1/2抗震约束体系布置图

该约束体系的运行机制为：

（1）正常运营和多遇地震工况采用纵向大位移滑动支座、横向固定支座进行竖向支承和横向限位。

（2）设计地震和罕遇地震工况横向固定支座剪力销剪断，纵向采用阻尼器控制位移，横桥向主塔处依靠横向阻尼器控制位移，辅助墩、边墩处依靠横向防落梁装置控制位移。

此种抗震约束体系与常规约束体系的区别在于主塔与主梁之间是设置横向阻尼还是设置抗风支座。设横向阻尼方案为在梁底和主塔之间设置横向阻尼器，地震工况时主梁和主塔之间依靠阻尼器限位耗能；设抗风支座方案为在主梁侧面和塔柱之间设置横向支座，地震工况时主梁横向力直接传给主塔，依靠主塔限位并承受横向力。2 种约束方案布置如图7所示。

图7 2种塔梁间横向约束方案

对2 种方案采用主桥有限元模型进行地震分析，并对2 种方案的塔顶位移响应、结构内力响应和经济性进行对比，结果见表5。

由表5数据可知：

表5 主梁与主塔处横向约束体系对比

（1）从技术方面来看，主梁和主塔之间设置横向阻尼方案可大幅度减小结构地震工况的内力和位移，其中主塔下塔柱底部横向弯矩比设抗风支座方案减小约20%，能够大幅降低桥塔和下部结构的设计难度。

（2）从经济方面来看，塔梁间设横向阻尼方案比设抗风支座方案的主塔圬工量、基础桩基根数均有较大幅度减少，上部结构造价减少约2%，下部结构减少约10%，总投资减少约4%。

因此，就主塔与主梁间的横向约束方案来看，设横向阻尼方案比设置抗风支座方案在技术经济效果方面更佳。

5 轨道平顺性检验

大跨度桥梁竖向刚度和横向刚度相对常规跨度桥梁较弱。在温度等荷载作用下，主梁产生连续的竖向弯曲变形，对高速铁路轨道高低平顺性产生影响；在风力、温度、摇摆力等荷载作用下，主梁产生连续的横向弯曲变形，对高速铁路轨道的轨向平顺性产生影响［13］。当高低平顺性或轨向平顺性超过限值时都会对高速列车的乘坐舒适性和行车安全性产生影响，甚至造成严重事故。

国铁集团科研成果《高速铁路200—450 米混凝土桥设计关键技术研究》（编号：2016G002）中推荐大跨度桥梁采用40 m 弦进行轨道不平顺测量和静态验收，高低及轨向不平顺限值为5 mm。

昌赣客专赣江桥、商合杭高铁裕溪河特大桥及连镇铁路五峰山长江大桥等的研究成果［12−15］推荐采用60 m弦进行轨道不平顺测量和静态验收，时速250 km时，高低及轨向不平顺限值推荐为10 mm。

采用主桥有限元模型进行静力计算，针对计算所得的变形数据分别采用40 m 弦和60 m 弦按照中点弦测法对主桥的轨道高低、轨向分别进行检算，结果如图8和图9所示，对主桥进行的车-桥耦合动力仿真分析结果见表6和表7。

由图8、图9、表6和表7可知：

表6 列车动力响应计算结果

表7 车-桥系统动力响应评价结果

图8 主桥轨道高低不平顺

图9 主桥轨道轨向不平顺值

（1）采用40 m 弦长按中点弦测法计算时，轨道不平顺高低最大值为3.76 mm、轨向最大值为2.34 mm，能够满足限值5 mm的要求。

（2）采用60 m弦长按中点弦测法计算时，轨道不平顺高低最大值为7.77 mm，轨向最大值为4.43 mm，小于同标准铁路桥梁推荐控制值10 mm 的要求。

（3）高速列车以时速250 km 通过桥梁时，列车的各项动力响应指标均在容许值以内，列车乘坐舒适性达到“良好”以上。

由此可见，该桥在高速行车时具有较好的轨道平顺性。

6 施工方案

黄河上桥梁施工一般采用顶推法，有浮运条件时也可采用悬臂拼装法［1］。桥址处黄河洪汛期及凌汛期分别长2 个月和3 个月，根据黄河管理机构要求，汛期需拆除河道上的栈桥、支墩等临时工程措施，因此采用顶推法施工时工期不能保证。

再者，桥址位于S 形狭窄弯道上，流速较大，且主跨部分区域位于摆动河槽浅水区，浮船不能到达，因此浮运法亦不适合。

结合调研从减少黄河行洪、行凌对施工工期的影响角度综合出发，提出了混凝土箱梁采用支架现浇，钢箱梁段采用“梁端提梁、桥面运梁、旋转吊机组拼”的施工方案［16］。该方案主梁施工不依赖于跨河栈桥及临时支墩，工期不受黄河洪汛期影响，与顶推法相比，每年可增加施工工期2 个月，从而使总工期缩短约5个月，同时最大程度地减少了施工对黄河的影响，与桥址的边界条件具有较好的适应性。该施工方案由梁端提梁系统、梁上梁段运输系统、旋转吊机系统为支撑，施工方案如图10所示。