新建柳肇铁路柳江特大桥方案设计研究

1　工程概况及建桥条件
新建柳州至肇庆铁路为设计速度160km/h、国铁Ⅰ级的双线铁路，线路在象州市西南侧鸡沙村附近跨越柳江，设象州柳江特大桥。大桥位于象州公路大桥下游约3.5km，象州水位站下游约2.5km处，线路与河流交角约73°。柳江在桥位处流向为由北向南，河道较为顺直，河流较为平缓，河流在桥位处以南约900m处为弯道，流向转向西北再转向西南。测量时水深水面标高为47.8m，最大水深约8m，江面宽约320m。
柳江位于西江的上游，是西江的第二大支流，属山区河流，流域内雨量充沛，多年平均雨量1500～1800mm之间，雨季集中在5～9月，枯水期在10月至3～4月。柳江水位受降雨影响极大，降雨水涨，洪枯水位变幅大。水位最大变幅柳州站达到22.53m，象州站达到25.81m。
桥址处柳江现阶段为Ⅲ级航道，船舶吨级1000吨，但是通过与柳州市航道局和广西自治区航道局沟通，桥址处柳江规划为Ⅱ级航道，船舶吨级为2000吨。
2　主要技术标准
（1）铁路等级
本线为国铁Ⅰ级、双线、线间距为4.2m，设计行车速度160km/h。
（2）设计水位
设计洪水频率百年一遇，水位为79.72m（国家（85））；设计最高通航水位的洪水重现期为20年，水位为75.99m（国家（85））。
（3）设计荷载

• 本桥设计荷载为“中－活载”。
• 温度力：

a) 体系温差：钢结构考虑全年最高和最低气温取△T=±25℃，
   砼与预应力砼结构考虑全年最高和最低月气温取△T=±20℃。
b) 砼梁上、下缘温差：道碴桥面采用±5℃
c) 斜拉索与其他结构的温差△T=±15℃

• 风荷载：主桥成桥风速按100年一遇计，设计基本风速25.30m/s，施工风速按10年一遇计，为成桥阶段风速的0.84倍。
• 船舶撞击力：船舶撞击力按照《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2004相关条文规定取值：横桥向撞击力1100t，纵桥向撞击力900t。
• 流水压力：按《铁路桥涵设计基本规范》TB10002.1-2005进行计算。

（4）地震：地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s，相当于地震基本烈度Ⅵ度，本桥抗震设防基本烈度按Ⅶ度考虑。
（5）桥面布置
桥面布置形式按“通桥(2005)2101”布置，线间距4.2m
（6）通航净空
本桥按2排1列通航的航道等级进行设计，双向通航孔净宽150m，上底宽131m，净高10m，侧高6m。
3　桥孔决定的依据
（1）通航等级为Ⅱ级，双向通航净宽150m，通航净高10m。
（2）行洪要求：行洪要求减少阻水面积，避免对河堤等产生不利影响，避免上游壅水太高，以及流向改变明显而造成冲刷。
（3）桥址处线路与河流交角约73°，河流在桥址处下游约900m处为弯道。
（4）桥位方案的确定：柳江特大桥肇庆端与象州站位紧邻，受大瑶山越岭标高的影响，象州站位标高为118m左右，在此标高下为满足车站设计要求，造成柳江特大桥斜交角度较大，桥面标高较高。
4　桥式方案研究
引桥采用多孔32m简支梁跨越，现将主桥的方案比选如下：
   1、桥式方案研究要点
    （1）满足160km/h速度目标值行车要求和货物列车按120km/h速度行驶要求。
    （2）结构耐久性和维护的方便性
    （3）建设条件的合理性：通航条件、行洪条件、地质条件、地形条件、交通条件、河床演变等。
    （4）安全性：结构安全性、防洪安全性、地基稳定性、通航安全性。
    （5）施工操作的可行性：施工技术、设备、费用、安全、环保等综合比选。
    （6）与环境的协调性
2、桥式方案研究
根据桥位处地形地貌、地质、通航、行洪等情况，本阶段分别对混凝土斜拉桥、刚构拱桥、双结合钢桁梁桥三个桥式方案进行分析比较。

1. 混凝土斜拉桥方案

• 主桥孔跨布置：40+106+236+106+40m
• 主桥结构形式：双塔双索面混凝土斜拉桥
• 主桥结构构造：本方案为主跨236m的混凝土斜拉桥，桥塔为空心混凝土结构，主梁采用混凝土箱梁，桥塔采用“上窄下宽”的“H”形塔。承台采用哑铃型结构，每个桥塔采用38根φ2.5m的钻孔灌注桩。
• 连接构造：本方案中混凝土箱梁与主塔间通过支座连接，塔梁间设纵向阻尼装置。

（2）刚构拱桥方案

• 主桥孔跨布置：126+236+126m
• 主桥结构形式：刚构拱桥
• 主桥结构构造：本方案为主跨236m的刚构拱桥，采用先梁后拱的方式进行施工，拱肋参与结构的二期恒载和活载的受力，主梁采用变截面混凝土箱梁，主墩采用双薄壁墩，承台为矩形，每个承台采用20根φ2.8m钻孔灌筑桩。
• 拱肋：拱肋计算跨度236m，矢跨比1/5，矢高47.2m，拱轴线为悬链线，拱肋各杆件之间通过节点板进行连接。

（3）双结合钢桁梁桥方案

• 主桥孔跨布置：129+236+129m
• 主桥结构形式：双结合钢桁梁桥
• 主桥结构构造：本方案为主跨236m的双结合钢桁梁桥，本桥不仅桥面板与主梁钢结构共同参与受力，在中支点处下弦杆之间浇筑混凝土，使其与钢结构也共同受力，形成了双结合的钢桁梁桥体系。
• 连接构造：本方案中主梁与桥墩之间通过支座连接。

（4）现对钢箱拱桥、钢管混凝土拱桥方案进行比较，对比结果如下表：

		混凝土斜拉桥	刚构拱桥	双结合钢桁梁桥
工程造价		2.41亿	2.46亿	3.46亿
施工工期		33个月	39个月	38个月
整体结构动力性能		基阶频率0.53(横向弯曲),面内稳定系数64.9，面外稳定系数67.1。满足时速160km/h客运列车和120km/h货运列车运行要求	基阶频率0.24(纵向弯曲),面内稳定系数13.6，面外稳定系数15.4。满足时速160km/h客运列车和120km/h货运列车运行要求	基阶频率0.36(横向弯曲),面外稳定系数3.4，面内稳定系数19.1。满足时速160km/h客运列车和122km/h货运列车运行要求
稳定	竖向	稳定	稳定	稳定
	横向	稳定	稳定	稳定
体系受力		简单明确	梁拱墩结合处结构受力复杂	简单明确
主要使用材料情况		混凝土	混凝土，拱肋为钢管混凝土结构	钢结构
维护费用		低	较高	高
主要施工方法		悬臂浇注	梁悬臂浇注、拱肋竖转	悬臂吊装
上部结构大临设施		牵索挂篮	挂篮、扣塔、拱肋支架	悬臂吊机、扣塔
基础施工条件		深水基础、承台较大	深水基础、承台较小	深水基础、承台较小
对通航条件的影响		对通航影响有限	对通航影响有限	对通航影响有限
对行洪条件的影响		对行洪阻碍较小	对行洪阻碍较小	对行洪阻碍较小
对环境及水土保持的影响		影响较小	影响较小	影响较小

经过技术、经济、施工、运营安全、后期维护、与环境的协调等各方面比较，混凝土斜拉桥为主桥的方案具有较大的优势，因此本桥推荐采用混凝土斜拉桥方案。
5　主桥结构设计
（一）、混凝土斜拉桥方案

混凝土斜拉桥方案 主桥布置图
1、主梁
本桥主梁采用混凝土箱梁结构，箱梁宽度为15.6m，高度为3.5m，线间距4.2m，斜拉索横向间距14m。塔梁之间为纵向活动支座，可以放松主梁温度荷载对桥塔的影响，纵向设置阻尼装置，使两塔同时分担桥面结构传来的纵向力。
主梁截面为单箱三室，两边采用斜腹板，中间为直腹板。顶底板厚度为40cm，斜腹板厚度为40cm，直腹板厚度为30cm。两直腹板间距为4.2m，与两条线路中线相对应。在斜拉索锚固处、梁端、支座处设置横隔板，横隔板间距为6～8m，斜拉索锚固处隔板厚度为30cm，梁端隔板厚度为1.2m，桥塔和辅助墩处支座处隔板厚度为1m，所有隔板均设过人孔。主桥桥面结构构造图如下图所示。

主桥桥面结构构造图
2、斜拉索
斜拉索为双索面，采用高强度低松弛平行钢丝束，锚头为冷铸墩头锚。主桥斜拉索间距8m，斜拉索采用283φ7～313φ7的平行钢丝束。
3、桥塔
由于本桥桥面结构较高，为了提高主桥的横向刚度，本桥桥塔采用“上窄下宽”的“H”形塔，塔顶宽14m，塔底宽39m，塔顶斜拉索锚固区为直线段，向下至塔底为圆弧过渡。塔柱为箱型截面，纵桥向塔柱截面宽度由塔顶的6m增至塔底的12m，横桥向塔柱截面宽度由塔顶的4m增至塔底的6m。每个塔设三道横梁，均为箱型截面，上下两个横梁截面为4x4m，中间横梁截面为6x4m。桥塔布置如下图所示。

桥塔布置图
4、承台及基础
为了使桥塔基础受力更加合理，承台采用哑铃型结构，承台顺桥向宽度为23.75m，横桥向宽度为66m，中间部分宽度为15.75m，承台最厚处厚度为9m，中间厚度为5.3m，承台顶面为坡面，与塔柱轴线垂直。每个桥塔采用38根φ2.5m的钻孔灌注桩。具体构造如下图所示。

桥塔承台及基础布置图
（二）、刚构拱桥方案

刚构拱桥方案 主桥布置图
1、主梁
本桥主梁采用变高度混凝土箱梁，箱梁中支点处梁高14m，端支点及中跨跨中处梁高4.6m，其中中支点处平段长10m，中跨跨中平段长20m，中间103m长度变高段梁底曲线为圆曲线。主梁采用单箱双室截面，吊杆采用横桥向双吊杆布置，锚固处主梁箱内设置横梁。
主梁顶板宽15.1m，顶板厚度40～50cm，底板厚度由跨中及端支点附近的35cm渐变至中支点附近的130cm，腹板厚度分别为30cm、45cm、60cm三种。在梁拱墩结合处，主梁上部由15.1m加宽至17.4m，下部与薄壁墩连为一体，断面图如下图所示。

梁拱墩结合处断面图
2、拱肋
拱肋计算跨度236m，矢跨比1/5，矢高47.2m，拱轴线为悬链线，拱肋各杆件之间通过节点板进行连接。
每片拱肋由4根φ750mm钢管混凝土组成，由小横联、竖向腹杆与弦杆连接成为钢管混凝土桁架，腹杆和小横联均采用H型钢，与拱肋弦杆通过节点板进行连接。拱肋上下弦之间中心高度由拱脚处的4m（钢管中心间距）渐变至拱顶处的3m。每片拱肋钢管横向中心距1.7m，两片拱肋中心距11.9m。全桥共设置9道横撑，靠近拱脚的两道横撑为K字撑，其他的均为米字撑。
3、吊杆
吊杆采用高强度低松弛平行钢丝束，锚头为冷铸墩头锚。主桥吊杆采用横桥向双吊杆布置，每个上弦钢管锚固一束吊杆，吊杆纵桥向间距10m，吊杆采用109φ7～127φ7的平行钢丝束。
4、主墩
主墩采用双薄壁墩，墩底设墩座，墩座高6m，顺桥向宽14m，横桥向宽20m。薄壁墩壁厚3m，自墩座顶以上41m的高度范围内宽度为12m，其上以圆弧过渡至桥面顶部17.4m；薄壁墩为实心矩形截面，两墩壁中心距5m。
5、主墩承台及基础
主墩承台为矩形，顺桥向宽26.6m，横桥向宽33.6m，承台厚度8m。每个承台采用20根φ2.8m钻孔灌注桩，顺桥向4排，横桥向5排，桩中心距7m。
（三）、双结合钢桁梁桥方案

双结合钢桁梁桥方案 主桥布置图
1、上部结构
本方案为双结合钢桁梁桥，除了桥面板与主梁共同参与受力外，本桥在支座负弯矩区的桁梁下弦浇筑混凝土，使其与下弦杆共同受力，形成双结合钢桁梁体系，增加截面的抗弯刚度。主桁间距6.5m，桥面板宽度13m，桥面板厚度30cm；支座处负弯矩区桁梁下弦混凝土厚度2m，主墩支座处浇筑2个节间；支座处桁高18m，跨中处桁高10.5m。主桁材质采用Q370qE，为便于安装，弦杆与腹杆采用等宽截面，弦杆与腹杆宽度均为2m，弦杆截面高度从2.8到1m不等。主梁构造如下图所示。

主梁构造图
2、主墩
主墩采用变截面圆端形空心墩，墩底设墩座，墩座高5m，顺桥向宽14m，横桥向宽20m。空心墩横桥向壁厚2m，纵桥向壁厚1.5m；墩顶横桥向×纵桥向为：12m×6m，墩顶横桥向×纵桥向为：14m×8m；墩顶实心段高度5m，墩底实心段高度3m。
3、主墩承台及基础
主墩承台为矩形，顺桥向宽23.75m，横桥向宽30m，承台厚度8m。每个承台采用20根φ2.5m钻孔灌筑桩，顺桥向4排，横桥向5排，桩中心距6.25m。
6　结语
铁路桥梁设计是以高墩、大跨、高速、耐久性为主要形式发展的。本研究结合柳江具体工程实例的方案，在符合安全适用、技术先进、经济合理的前题下，对三种桥式方案结构设计进行了分析研究。桥梁建筑结构设计的目标是将形式美与结构的合理性统一起来，使二者结合得近乎完美。重点考虑经济性和景观效果，在理论可行的前题下，重点要考虑施工难易程度，决定主跨２36m斜拉桥为推荐方案，并已被建设单位采纳。
作者简介：初晓庚（1975-），男，工程师，2001年毕业于大连理工大学结构工程专业，工学硕士。
参考文献：

1. 张华. 象州柳江特大桥可行性研究。
2. 刘俊峰，王为玉.郑州黄河公铁两用桥总体设计.铁道标准设计，2009（3）。
3. 李坤丰，叶长允.徐州和平路跨铁站场大桥方案设计. 铁道标准设计，2009（5）。
4. TB10002.1-2005,铁路桥涵设计基本规范。
5. JTG D60-2004，《公路桥涵设计通用规范》。

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文章名称： 新建柳肇铁路柳江特大桥方案设计研究

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