重庆武隆太子坪乌江大桥设计关键技术

【摘要】渝湘高铁太子坪乌江大桥为主跨300m无砟轨道双塔混合梁斜拉桥，主跨及部分边跨主梁为钢－混组合梁，其余为混凝土梁。针对铁路桥恒载重、主梁宽高比小的特点，钢－混组合梁采用单箱单室“大风嘴”截面，节省了造价，便于施工和后期养护。

桥塔为钻石形钢筋混凝土结构，采用钻孔灌注桩基础。

斜拉索采用标准抗拉强度1860MPa镀锌钢绞线拉索，斜拉索与钢－混组合梁采用锚拉板锚固，与混凝土梁采用齿块锚固。

该桥采用半飘浮体系，塔梁间纵向约束采用新型带熔断装置的锁定装置和液体黏滞阻尼器2种组合控制体系，提高了结构整体刚度，结构受力较优，降低了温度效应的不利影响。与轨道适应性相关计算结果表明，结构强度和刚度均满足规范要求；风－车－桥耦合振动仿真计算与分析结果表明，结构满足高速铁路行车安全性和舒适性要求。

【关键词】高速铁路桥；无砟轨道；斜拉桥；钢－混组合梁；新型“大风嘴”截面；斜拉索锚固；约束体系；桥梁设计

太子坪乌江大桥效果图

太子坪乌江大桥效果图

太子坪乌江大桥桥塔施工

渝湘高铁太子坪乌江大桥位于重庆武隆区，跨越乌江。桥址处河段河道弯曲，河床、河势基本稳定，处于长江三峡工程回水的末端。重庆侧桥跨位于武隆车站范围内，桥位及走向受武隆车站选址的限制，桥梁轴线法线方向与水流流向最大交角约33°，水流最大横向流速约1.67m/s，主通航孔采取300m一孔跨过通航水域。

主桥范围地表覆盖层较薄，主要为卵石土、粉质粘土，下伏基岩主要为页岩夹灰岩、灰岩及盐溶角砾岩地层。

渝湘高铁为双线客运专线，线间距5.0m，设计速度350km/h，采用无砟轨道。

主桥为（30＋40＋60＋300＋60＋40＋30）m双塔斜拉桥，纵向采用双向0.06%的人字坡。

主跨及部分边跨主梁采用钢－混组合梁，其余采用混凝土箱梁。

桥塔采用钻石形钢筋混凝土结构，桥塔及桥墩基础均采用钻孔灌注桩。

斜拉索采用无粘结镀锌钢绞线，双索面扇形布置。

主桥立面布置如图1所示。

图1太子坪乌江大桥主桥立面布置

目前国内已建的300m以上跨度、设计速度350km/h的高铁无砟轨道桥梁桥型方案通常采用斜拉桥和拱桥。

该桥黔江侧桥墩地质情况较差（下伏有较厚的盐溶角砾岩岩层），且两主墩位于水中，有推力的混凝土拱桥不合适，而无推力钢拱桥方案与斜拉桥方案相比，斜拉桥方案更加经济合理，且施工风险小，最终采用斜拉桥方案。

根据通航论证，主跨300m主墩位置已确定，受重庆侧引桥上设有道岔的影响，边跨最大长度为130m，综合考虑边跨支墩高度及负反力、主梁梁端转角、边跨主梁施工等因素，边跨采用（30＋40＋60）m，两岸边跨各设置2个辅助墩，既可以减少边跨主梁弯矩，同时能增大桥梁的总体刚度。

综合考虑结构受力、整体刚度、抗风稳定性、运输安装以及造价等因素，主桥主梁采用混凝土箱梁＋钢－混组合梁的混合梁。为控制梁端转角，采取设置辅助墩及加大梁高的措施，梁高4.5m；塔高跨度比约0.3，最外侧斜拉索角度为31°；钢－混组合梁上采用12m索间距，混凝土箱梁上采用9m索间距。

主梁采用混合梁，主跨及部分边跨采用钢－混组合梁，其余采用混凝土梁。

组合梁的断面形式一般有双边工字梁组合梁、双边箱组合梁、箱形组合梁和桁架式组合梁。该桥采用整体性能好、抗扭刚度大、抗风性能较好的箱形组合梁。

箱形组合梁由单箱单室槽形钢梁和混凝土桥面板组成，中心处主梁高（顶板至底板顶面）4.475m，桥面宽15m。

标准钢梁节段长度为12m，每个节段设3道横隔板，间距为4m。

跨中200m长范围底板厚度为16mm，向桥塔方向逐渐加厚为20mm、26mm，在桥塔和钢－混结合段区域底板增厚为28mm。

跨中区域边腹板上翼缘板厚40mm，桥塔处加厚为46mm。

主梁边腹板厚36mm，横隔板厚16mm。

边腹板上翼缘、腹板、底板上均设有U形加劲肋，U肋板厚8mm，高300mm，间距为800mm。

钢材采用Q345qD、Q345qE级钢。

钢－混组合梁横截面如图2所示。

图2钢－混组合梁横截面

由于铁路桥恒载重、主梁宽高比小，钢－混组合梁采用单箱单室“大风嘴”截面，两边腹板高1.5m，竖直向外倾斜3°，与水平向上倾斜32°的斜底板共同组成大风嘴迎风面。

“大风嘴”截面顶板上翼缘全部布置在边腹板内侧，边腹板延伸超出顶板并与锚拉板对接焊，焊缝受力性能好，避免了传统风嘴的主梁截面在顶板上采用十字形焊缝，或者在顶板上开槽形孔让腹板穿过顶板再与锚拉板焊接。主梁取消了中腹板及外侧风嘴的设置，减少了用钢量，且降低了主梁制造安装难度及后期维护工作量。

组合梁截面的中心轴靠近混凝土桥面板，桥面板承受的弯曲应力较小。预制桥面板平面尺寸为3.4m×6.55m，厚40cm，采用C55混凝土，最大吊重24t，纵向配置19－φ、15－φ预应力钢束。

桥面板需先预制存放不少于6个月后再吊装上桥，通过钢梁顶板及横隔板上翼缘上的剪力钉，浇筑混凝土湿接缝与钢梁结合，桥面板局部传力特性属于纵向单向板。

钢－混结合段设置在距29号和32号辅助墩中心13m处，长度为2m，采用全截面连接承压传剪式，并通过设置预应力钢束使全截面处于受压状态。钢－混结合段构造如图3所示。

图3钢－混结合段构造

混凝土梁采用C55混凝土，单箱单室等高截面，梁顶宽16.6m，中心处梁高4.5m，顶板厚60cm、底板及斜底板厚70cm，边腹板厚165cm；斜拉索吊点位置设置高4.5m、厚50cm横梁。

纵向在每2个斜拉索吊点间设置1道高4.5m、厚30cm的横梁。混凝土箱梁纵向配置17－φ、15－φ预应力钢束；横梁配置5－φ、15－φ横向、竖向预应力钢束。混凝土箱梁横截面如图4所示。

图4混凝土箱梁横截面

桥塔选用经济性、抗风稳定性好的钢筋混凝土结构，混凝土等级为C50。

桥塔顺桥向采用单柱式、横桥向采用钻石形，为空心多边形截面。

30号、31号塔柱顺桥向顶宽均为6m，塔柱底宽分别为11m、10.869m。

30号塔高160.5m，其中上塔柱高108m，下塔柱（含塔座）高52.5m；承台尺寸为32m×20m×5m，布设20根φ2.2m的钻孔桩，桩长22m。

31号塔高156.5m，其中上塔柱高108m，下塔柱（含塔座）高48.5m；承台尺寸为33m×25.5m×5m，布设26根φ2.2m的钻孔桩，桩长75m。

30号桥塔结构如图5所示。

图530号桥塔结构

上塔柱斜拉索锚固区采用钢锚箱与“井”字形预应力相结合的方案，采用9－φ、12－φ高强低回缩钢绞线锚固系统，二次张拉工艺，张拉后钢束回缩值小于1mm。

斜拉索采用标准抗拉强度1860MPa镀锌钢绞线拉索，空间双索面体系，扇形布置，全桥共48对，规格型号分别为61－φ，73－φ，85－φ。

钢绞线斜拉索的索体防腐采用由钢绞线的镀锌层、油脂、护套及索套管等构成4层防护层，HDPE索套管采用抗风雨激振型双层双螺旋线圆管护套。

斜拉索与钢－混组合梁之间采用锚拉板锚固，锚拉板与主梁腹板顶缘采用熔透对接焊缝连接，锚拉板厚40mm。锚拉板结构示意如图6所示。

图6锚拉板结构示意

斜拉索与混凝土箱梁之间采用梁底齿块锚固；塔端锚固除近塔位置第1对斜拉索采用齿块锚固方式外，其余斜拉索均采用内置式钢锚箱锚固。

斜拉索大部分水平分力由钢锚箱侧拉板和横隔板承担，其它水平分力及不平衡力由塔柱承担，斜拉索竖直分力通过钢锚箱端部剪力钉传递到塔柱混凝土。

钢锚箱侧拉板板厚30mm，钢锚箱端板与塔壁混凝土相连，板厚30mm，表面焊有剪力钉，支承板厚40mm，索力通过支承板传递至侧拉板和端板上。钢锚箱结构示意如图7所示。

图7钢锚箱结构示意

约束体系的选择不仅关系到结构的受力合理性和安全性，也是影响高速列车运营安全性和舒适性的重要因素。

该桥采用目前国内铁路斜拉桥较成熟的半飘浮体系，即塔墩固结，在桥塔及边墩上设置竖向支座。

主梁与两桥塔间各设2个抗震用液体黏滞阻尼器、2个速度锁定器及2个横桥向抗风支座。塔梁间纵向约束采用新型带熔断装置的速度锁定器和液体黏滞阻尼器2种组合控制体系。

当出现大风、刹车和多遇地震作用时，主梁纵向运行速度大于1mm/s，速度锁定器开始提供2000kN锁定力，将主梁和桥塔锁定，此时速度锁定器相当于纵向固定支座。

在设计地震、罕遇地震等作用下，当速度增加到一定值，速度锁定器将率先熔断（最大熔断力为2500kN），主梁在桥塔处的纵向约束全部由液体黏滞阻尼器承担，液体黏滞阻尼器最大阻尼力为3500kN，速度指数0.4，阻尼系数为4000kN·（m/s）－0.4。地震之后，速度锁定器可以更换熔断片，恢复正常使用功能。

该约束体系有效提高了结构整体刚度，主梁、桥塔及斜拉索受力较优，同时降低了温度效应的不利影响。约束体系布置如图8所示。

图8约束体系布置

该桥采取了钢－混组合梁体系、加大梁高和塔高跨度比、增加斜拉索刚度、优化主梁约束体系等关键措施，让桥梁结构更好地适应无砟轨道的要求。主梁主要变形计算结果如表1所示。

表1主梁主要变形计算结果

主梁在运营活载＋温度＋收缩徐变的最不利组合作用下的挠度为229mm，对应的换算曲率半径为49127m（按圆曲线拟合）＞49000m，满足《高速铁路设计规范》中路基工后沉降轨面高程竖曲线半径Rsh≥0.4V²的要求。

节段模型风洞试验结果表明：该桥静风、颤振和驰振稳定性满足规范要求；施工阶段主梁在20m/s以上风速存在涡激振动，但不影响结构安全；成桥状态主梁在18～20m/s风速下最大涡激振动振幅为38.5mm，满足规范要求。

考虑桥梁涡振的系统空间风－车－桥耦合振动仿真计算与分析结果表明：无风状态下该桥具有非常好的动力特性及列车走行性；有风状态下该桥不会成为全线运行速度的控制节点；涡激振动发生时满足高速列车行车安全性要求。

渝湘高铁太子坪乌江大桥为主跨300m无砟轨道混合梁斜拉桥。

钢－混组合梁采用单箱单室新型“大风嘴”截面，主梁总用钢量3690t（含锚拉板），主梁桥面每平米用钢624kg，用钢量较少，节省了造价，同时也方便了施工和后期养护。

该桥静力计算结果表明，结构强度和刚度均满足规范要求；风－车－桥耦合振动仿真计算与分析结果表明，该桥满足高速铁路行车安全性和舒适性要求。该桥2020年1月开工，计划工期4年。