京港高铁鳊鱼洲长江大桥北汊航道桥设计.pdf

世界桥梁2 0 2 3年第51卷第5期（总第2 2 7 期）22World Bridges,Vol.51,No.5,2023(Totally No.227)D0I:10.20052/j.issn.1671-7767.2023.05.004京港高铁鱼洲长江大桥北汉航道桥设计胡秋贵，宁伯伟，石建华，王桐？（1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430 0 56；2.武九铁路客运专线湖北有限责任公司，湖北武汉43 0 2 0 0)摘要：京港高铁鱼洲长江大桥北汉航道桥设计为双主跨140 m独塔预应力混凝土曲线梁斜拉桥，4线铁路整幅布置，客运专线和客货共线分别采用无诈、有确轨道。大桥采用塔墩梁固结体系；主梁采用单箱六室预应力混凝土曲线箱梁，梁高4m，主跨全宽32.5m，边跨主梁因不设斜拉索，梁宽缩减为2 8 m；桥塔采用双柱式钢筋混凝土结构，上、下塔柱间设置1道半圆拱形横梁，主梁通过横梁与桥塔固结，上塔柱设置横桥向预偏，以抵消索力引起的塔柱横桥向往主梁曲线内侧产生的位移；全桥共设32 对斜拉索，按竖琴式双索面布置在主跨；斜拉索采用标准抗拉强度17 7 0 MPa的锌铝合金镀层平行钢丝；基础采用钻孔灌注桩基础。桥塔采用爬模施工，主梁分区段采用牵索挂篮悬臂浇筑和支架现浇施工。该桥设计验算和成桥荷载试验结果均满足要求。关键词：高速铁路；斜拉桥；塔墩梁固结；预应力混凝土；曲线箱梁；双柱式桥塔；竖琴式索面；桥梁设计中图分类号：U448.13;U448.27;U442.5文献标志码：A文章编号：16 7 1-7 7 6 7(2 0 2 3)0 5-0 0 2 2-0 61工程概况京港高铁是国家中长期铁路网规划中“八纵八横”高速铁路主通道之一纵“京港（台）通道”的重要组成部分，鱼洲长江大桥为京港高铁安庆至九江段的关键控制性工程，大桥位于九江长江二桥上游5.3km处，自北向南经湖北省黄梅县跨越长江至江西省九江市，按4线铁路（2 线客运专线设计速度350 km/h，预留的2 线客货共线设计速度200km/h)过江通道建设，全长4.2 58 km1-2。大桥位于九江水道鱼洲分汉河道处，南汉为主航道，北汉为辅航道。桥位处河道较顺直，河势、航道基本稳定，航道规划等级为I级，设计最高通航水位十2 1.8 50 m（19 8 5国家高程基准）、最低通航水位十5.46 0 m，通航净高2 4m，其中，北汉航道桥单向通航孔净宽不小于10 7.2 m。北汉航道桥桥址处覆盖层较厚，主要为粉砂、细砂、砂砾石和黏性土，基岩主要为泥质灰岩和砾岩，岩溶较发育。桥址区多年平均气温为16.517，最高月平均气温为33（7 月、8 月），最低月平均气温为4（1月）。桥址处地震基本烈度为VI度，地震动峰值加速度为0.0 5g，地震动反应谱特征周期值为0.45s。收稿日期：2 0 2 2-11-0 9作者简介：胡秋贵（198 1一），男，高级工程师，2 0 0 4年毕业于华中科技大学土木工程专业，工学学士，2 0 0 7 年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士（E-mail：4938 2 359 q q.c o m）。2总体设计2.1桥型方案混凝土桥梁具有结构刚度大、造价经济、养护维修方便等优点，且易于保证高速铁路行车的安全性、平稳性和可靠性，近年来被广泛应用于铁路斜拉桥和部分斜拉桥建设。研究表明，铁路混凝土斜拉桥在30 0 m以内的跨度范围内具有很强的竞争力3-8 。为满足通航净空要求，结合桥墩（塔)及防撞设施布置等，北汉航道桥单个单向通航孔跨径不小于140m，综合考虑减小梁高、降低桥面高程、减小引桥墩高从而降低工程造价，以及与南汉主航道斜拉桥景观相协调，北汉航道桥采用主跨2 140 m的独塔预应力混凝土梁斜拉桥方案。2.2总体布置北汉航道桥采用主跨2 140 m的独塔预应力混凝土梁斜拉桥方案，为使斜拉桥的梁端转角满足高速铁路行车要求，将两侧相邻各1孔49 m简支梁作为斜拉桥的边跨，因此全桥跨度布置为（49 十2 X140十49）m（见图1）。边跨不设斜拉索，可降低塔高，减少斜拉索用量，降低工程造价。北汉航道桥立面位于自黄梅向九江的5.1%单向纵坡上，客运专线平面均位于缓和曲线上，客货共线平面在N15N16墩之间位于直线上，在N16N17 墩之间位于京港高铁鱼洲长江大桥北汉航道桥设计黄梅49胡秋贵，宁伯伟，石建华，王桐37814023九江下游14049上游34.5元文+131.6 4760000000000000000000000279最高通航水位+2 1.8 506.500107.2-1.1002.5钻孔桩最低通航水位+5.46 0-3.500-0.600-0.200152+L561文-3.50 0(a)主桥立面图1鱼洲长江大桥北汉航道桥总体布置Fig.1 General layout of north navigational channel bridge of Bianyuzhou Changjiang River Bridge缓和曲线上，在N17N19墩之间位于R=7000m的圆曲线上。客运专线采用无轨道，布置在上游侧，线间距为5m；客货共线采用有诈轨道，布置在下游侧，线间距为4.44.436 m；客运专线左线与客货共线右线线间距为8.2 16 9.38 1m。为适应曲线及线间距变化，主梁平面采用拟合曲线（曲率半径R10 000 m)。2.3支承体系北汉航道桥设计为独塔预应力混凝土曲线梁斜拉桥，4线铁路整幅布置，客运专线和客货共线分别采用无碓、有碓轨道结构型式，结构平面及荷载均不对称，具有荷载大、结构受力复杂的特点。经研究，该桥采用适宜的塔墩梁固结体系，结构体系刚度大，有利于结构受力，且不需在桥塔墩处设置大吨位支座与临时固结措施，便于施工9-10 1。由于斜拉桥为整幅梁，相邻简支梁为分幅布置，在边墩主梁中心线处设置横向限位纵向活动支座，以限制高速铁路无轨道桥梁相邻梁端两侧的钢轨支点处横向相对位移不大于1mm1112；在边墩和辅助墩墩顶处设置多向活动球型钢支座。结构支承体系如图2 所示。C14C13C12C11C10(b)桥塔立面单位：m横向限位纵向活动支座（10 0 0 0 kN）横向限位纵向活动支座（10 0 0 0 kN)多向活动球型钢支座（6 0 0 0 0 kN)塔墩梁固结多向活动球型钢支座(2 0 0 0 0 kN）多向活动球型钢支座(2 0 0 0 0 kN)单位：m图2 结构支承体系Fig.2 Structural supporting system3结构设计3.1主梁主梁顺桥向从桥塔中心线往边跨长度划分为（7/2+6.2 5+7+16 7+2+58.2 5）m，其中桥塔处塔梁固结段长7 m，桥塔两侧各有2 个无索区节段S0a和Sob（支架现浇段），长度分别为6.2 5、7m；主跨16 个挂篮悬浇节段均长7 m，最大悬浇节段重92 0 t；合龙口设置在主跨距辅助墩中心线9.25m处，合龙段长2 m；主跨剩余9.2 5m与边跨共58.2 5m采用支架现浇一次成型。主梁节段划分如图3所示。主梁位于平曲线上，客运专线左线与客货共线C16C155C2C1桥墩中心线46.2558.25(支架现浇段）S15S14S13S12S11S10桥墩中心线S163:759.25（合龙段）S216X7112（挂篮悬浇段）图3主梁节段划分Fig.3Main girder segment divisionSi（支架现浇段）SobSOa716.2513.257/单位：m桥塔中心线24右线线间距变化约1.2 m，边跨未布置斜拉索，辅助墩墩顶处主梁负弯矩和剪力较大，需布置较多的腹板和顶板预应力钢束。综合考虑，主梁采用整体性好、结构刚度大、截面有效宽度折减小、易于布置纵向预应力且不需设置顶板横向预应力的单箱六室预应力混凝土箱梁结构。由于主梁为4线铁路整幅布置，有确与无碓轨道轨顶标高相同，但轨道结构高度及梁顶保护层厚度不同，因此有碓与无诈范围对应的主梁结构顶面高度不同，常规处理方法为在主梁顶面设置多道不同的横坡，但该方法施工复杂且精度难以保证。经研究，将主梁顶面设计为平坡，客运专线无诈侧梁顶设置混凝土调平层（待成桥后再浇筑），这样既便于主梁施工，又减小了有碓与无碓二期恒载差，从而减小了对主梁结构横向受力不利的影响，且增加了无诈轨道标高控制的措施，更能保证无碓轨道成桥线形平顺。主梁梁高4m，采用C55混凝土，主跨主梁布置32对斜拉索，全宽32.5m，梁顶宽31m；边跨主梁因不设斜拉索，为减轻边跨自重、节省材料，将两侧索锚区对应区域去除，梁宽缩减为2 8 m。主跨主梁每间隔7 m设置1道厚45cm的横隔板，边跨主梁中间不设横隔板，仅在边墩和辅助墩墩顶处设横隔墙,厚度分别为2、2.5m。主梁标准段顶板厚34cm，在桥塔和辅助墩附近加厚为45cm；底板厚30cm，在桥塔和辅助墩附近加厚为45cm。主跨腹板厚40 cm，边跨腹板因抗剪及布置预应力钢束需要，厚度取50 cm，在近桥塔、边墩和辅助墩处倒角变厚。主梁典型横断面如图4所示。主梁采用纵、横向预应力体系，预应力采用高强度低松弛钢绞线，标准抗拉强度为18 6 0 MPa。主梁悬臂施工阶段，为防止施工期间顶、底板开裂，在顶、底板配置一定数量的悬臂束，规格为7-15.2mm；塔梁固结处主梁负弯矩较大，配置了60根2 1-15.2mm顶板束；边跨因未设斜拉索，需在辅助墩两侧配置较多的顶板和腹板纵向预应力钢束，规格分别为19-15.2mm和2 1-15.2 mm;此外还需配置一定数量的底板纵向预应力钢束，规格为15-15.2mm。横向仅在横隔板及横隔墙内设置横向预应力钢束，规格为19-15.2 mm。3.2桥塔桥塔设计为双柱式混凝土结构，塔梁固结段采用C55混凝土，其余采用C50混凝土，桥塔与承台之间设置高2.5m的塔座，塔座以上塔高132.6 47 m（含塔顶3m装饰段），桥面以上塔高8 1m，桥塔顺世界桥梁2023,51(5)下游主跨314,44.436 8.2169.381客货共线1:55.25下游b4 44.436_8.2169.381客货共线4.5图4主梁典型横断面Fig.4 Typical cross-section of main girder桥向长7 m、横桥向宽34.5m。上、下塔柱均采用单箱单室钢筋混凝土结构，顺桥向长7 m，上塔柱横桥向宽5m，顺桥向与横桥向壁厚分别为1.5、1m，下塔柱横桥向宽11m，壁厚均为1.5m，底部5m范围为实心段。上、下塔柱之间设置1道半圆拱形预应力混凝土横梁，横梁中心高8 m，主梁通过横梁与桥塔固结，桥面以上塔柱未设置横梁，既节省造价、方便施工，又使结构简约、通透，景观效果好。桥塔结构如图5所示。上塔柱通过设置横桥向预偏，以抵消因斜拉索的横桥向分力和混凝土收缩徐变引起的塔柱横桥向往主梁曲线内侧产生的位移。斜拉索通过混凝土锚块锚固于塔壁上，索锚区塔壁横向布置环向预应力，规格为2 4-7mm、标准抗拉强度为16 7 0 MPa的平行钢丝，采用镦头锚。3.3斜拉索斜拉索采用d7mm、标准抗拉强度17 7 0 MPa的锌铝合金镀层平行钢丝，呈双索面竖琴式布置，景观效果好13-14，全桥共设32 对（6 4根）斜拉索。斜拉索规格为PES7-379，运营最不利工况下单根最大索力9 9 6 0 kN，最长索长148.3m，最大索重18.6t，全桥斜拉索用量（不含护套）6 35t。斜拉索在梁上索距7 m，在塔上索距4.2 m,倾角约31，通过混凝土锚块分别锚固于塔壁与主梁上，两端均采用张拉端锚具和球铰垫板。斜拉索通过配套内置减振器、外表面带螺旋线形护套和在梁端设置的外置式阻尼器抑制振动，并在其下端高2.5m的范围内外包不锈钢护套，以防索体PE表面损伤。上游5a客运专线195.251:532.5边跨281928上游5a客运专线4.5+单位：m京港高铁鱼洲长江大桥北汉航道桥设计立面34.524.5胡秋贵，宁伯伟，石建华，王桐11侧面7+131.64725立面6.25,6.256X6.5114.25封底混凝土上塔柱截面桥塔中心线(工)29279(业)3.4桥塔基础桥塔基础采用2 6 根2.5m钻孔灌注桩，桩基础按柱桩设计，平均桩长7 6 m。桩基呈梅花形布置，纵向4排，横向13排，纵、横向基本间距均为6.5m。圆角矩形承台横向长43m，纵向宽23.5m，厚6.5m，上设2.5m高塔座。桥塔基础如图6 所示。3.5边墩、辅助墩及基础边墩、辅助墩墩身采用n形框架墩。辅助墩采用空心截面，单墩柱底部轮廓尺寸为7.8 mX4.5m，壁厚1m，为提高墩身抗船撞能力，墩身下部可能受撞击的部分采用实心截面并用系梁连接。边墩因基础刚度及防船撞需要，墩身采用实心截面，单墩柱底部轮廓尺寸为7.8 mX6m。边墩、辅助墩承台平面为矩形，横向长31m，纵向宽18 m，辅助墩承台厚6.5m，边墩承台厚6 m。边墩、辅助墩基础均采用15根2.5m的钻孔灌注桩，呈行列式布置，纵向3排，横向5排，纵、横向间距均为6.5m。根据具体地质情况，N15、N16 号墩桩基按柱桩设计，N18、N19号墩桩基按摩擦桩设计。辅助墩及基础如图7 所示。4施工方案该桥总体施工方案为：插打钢管桩施工栈桥、钻孔平台，利用钻机成孔施工桩基础15，安装围堰进又-3.50 056下塔柱截面+50.6471.511-1.000承台承台图 5 桥塔结构Fig.5Pylon configuration$2.5钻孔桩平面26塔糕62单位：m64.1.6.55.6.5+8.8+6.56.43图6 桥塔基础Fig.6Pylon foundation立面21.57.8.5.25,10.25.:10.265.252.54X6.5图7 辅助墩及基础Fig.7 Auxiliary pier and foundation行承台、塔座和墩身施工，桥塔采用爬模施工，在桥塔墩旁搭设支架现浇施工桥塔两侧SO号节段主梁，采用大吨位宽幅牵索挂篮悬臂浇筑施工主跨S1S16号节段主梁，支架整体现浇施工边跨及相邻的主跨主梁，吊架施工合龙段16 。5结构计算与成桥试验结果结构计算结果表明：混凝土主梁及桥塔均全截4侧面.5.56.75/4.56.752L5T2.526.52.612.5钻孔单位：m单位：m26面受压，最大压应力分别为18.2、14.4MPa；斜拉索最大应力为6 8 3MPa，小于0.4fpk（f p k 为标准抗拉强度），活载最大应力幅为6 8 MPa；梁端转角为0.64%rad,满足高速铁路梁端转角限值1%rad的要求；主梁主跨工后最大徐变为12.6 mm，梁端转角为0.6 4%rad，主跨静活载最大挠度为7 9.8 mm、挠跨比为1/17 54,边跨静活载最大挠度为11.4mm、挠跨比为1/42 9 8，均满足规范要求；桥梁各部位关键截面均满足抗震性能要求，列车运行平稳性和旅客乘坐舒适度均达到“良好”以上标准。成桥静载试验结果表明：实测主跨跨中最大挠度为2 5.0 mm，校验系数为0.7 4，换算至设计荷载作用下的挠度为51.9 mm，换算挠跨比为1/2 6 9 7，小于设计挠跨比，表明实桥刚度比设计大。轨道质量指数TQI值为1.6，小于时速350 km的TQI管理值5，表明轨道平顺性较好。6结语京港高铁鱼洲长江大桥北汉航道桥搭载4线铁路，荷载大，结构平面及荷载不对称，结构受力复杂。该桥采用塔墩梁固结体系。主梁采用单箱六室宽幅混凝土箱梁，结构整体性好、刚度大。桥塔采用无上横梁的双柱式混凝土结构。斜拉索布置为双索面竖琴式，构造简约，施工方便，景观效果好。该桥是国内首座独塔竖琴式索面高速铁路斜拉桥，已于2021年12 月30 日正式通车运营。参考文献(References)：1宁伯伟新建安九铁路鱼洲长江大桥总体设计J.桥梁建设，2 0 2 0,50（1）：8 6-9 1.（NI NG Bo w e i.O v e r a llD e s ig n o f Bia n y u z h o uChangjiang River Bridge on Newly-Built Anqing-JiujiangHigh-Speed Railway J.Bridge 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section of the Beijing-Hong Kong High-speed Railway is a curved cable-stayed bridgewith two equal main spans of 140 m.The four railway tracks are arranged on the same deck,where the ballastless tracks are placed for the passenger-dedicated lines and the ballast tracks areimplemented for the multi-purpose lines(for both passenger dedicated and freight trains).Thepylons,supported by bored pile foundations,are fixed with the piers and the deck.Consisting ofsix-cell prestressed concrete box girders that measures 4 m in depth,the superstructure in themain spans reaches 32.5 m wide,which narrows to 28 m in the side spans,in that there are nostay cables.The pylons are two-column reinforced concrete structures,and an arched cross beamis installed between the upper and lower pylon columns,via which the deck is fixed with thepylons.The upper pylon columns are purposely displaced a little bit along the bridge width tocounterbalance the displacement of the pylon columns induced by the stay cable forces towards theinner side of the curved superstructure.The total 32 stay cables,which are composed of Zn-Alalloy coated parallel steel wires with a nominal tensile strength of 1 770 MPa,are arranged in harpdouble cable planes.The pylons were constructed by climbing formwork.The superstructure wasconstructed by the combined utilization of the form travelers and scaffolds,depending onlocations.The design checking and load tests after completion of the bridge proved that themechanical property of the bridge meet the requirements.Key words:high-speed railway;cable-stayed bridge;pier-deck-pylon fixation;prestressedconcrete;curved box girder;two-column pylon;harp cable plane;bridge design(编辑：陈东雷）