孫宗磊，李恩良

（1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2.中國鐵路經濟規(guī)劃研究院有限公司 橋隧咨詢部，北京 100844；3.中國鐵路設計集團有限公司 土建結構研究所，天津 300308）

近年來，黃河流域的發(fā)展已納入國家高質量發(fā)展戰(zhàn)略，跨黃河橋梁的建設也愈發(fā)受到社會各界的關注。黃河具有季節(jié)流量變化大、洪汛期和凌汛期長等顯著特點，橋梁建設方案需要充分考慮防洪、防凌、通航等因素的影響。據調研目前黃河上鐵路橋梁約有20 座，從結構類型看，一般為鋼桁梁橋、拱或索加勁桁梁橋、連續(xù)梁橋、鋼管拱橋等；從跨度看，基本都在200 m 以下，其中準朔鐵路的上承式鋼管混凝土拱橋主跨為380 m，為目前黃河上跨度最大的鐵路橋梁；從地震烈度看，基本在7度以下，個別橋梁達到8 度，但其跨度為100 m 左右，相應的地震響應相對較小，不控制橋梁結構設計；從施工方案看，受凌汛期和浮運條件限制，多采用頂推法或拖拉法，施工棧橋和臨時支撐需多次搭拆，工期相對較長［1］。

包銀高鐵為時速250 km 雙線有砟軌道高速鐵路，烏海黃河橋為全線的控制性工程，橋址位于內蒙古自治區(qū)烏海市與寧夏回族自治區(qū)石嘴山市交界處，橋址處為8度震區(qū)，根據邊界條件要求主橋跨度達到310 m，該橋是目前黃河上跨度最大、地震烈度最高的高速鐵路大跨度橋梁，其結構形式、抗震體系、軌道平順性、施工方案適用性等直接關系到高速鐵路的運營安全和黃河的汛期安全。本文根據橋址具體邊界條件選擇合適的橋式方案，并針對上述4個方面開展深入研究。

1 橋址及控制因素

橋位處黃河河道整體呈“S”形，無護坡及控導工程，300年一遇洪峰流量為6 520 m3·s?1。河道基本穩(wěn)定，洪水期主河槽寬約600 m，線位與黃河現狀河槽交叉右角為101°。小里程河岸地勢較高，橋址兩岸高差約11 m，大里程河岸局部淤積，形成河汊及沙洲，橋址平面如圖1所示。

圖1 橋址平面

橋址處具有以下控制因素：

（1）季節(jié)溫差大。烏海地區(qū)歷年平均氣溫為9.84 ℃，歷史極端最高和最低氣溫分別為41和?28.9 ℃，在橋梁設計上屬于寒冷地區(qū)。

（2）地震烈度高。橋址處設計和罕遇地震動峰值加速度分別為0.222g和0.446g，地震動特征周期分別為0.5和0.6 s。

（3）洪汛期和凌汛期時間長。橋址區(qū)黃河洪汛期為每年7月至9月，凌汛期為11月至翌年3月，汛期間需拆除建橋涉河臨時工程。

（4）跨度要求特殊。根據黃河管理部門意見，主河槽內橋梁跨度不小于260 m，擺動主河槽內橋梁跨度不小于80 m。

（5）彎曲河道通航要求高。受S形河道橫向流速的影響，航道管理部門要求主通航孔跨度不小于310 m。

（6）河槽兩岸高差大。受地形限制，包頭側河岸比銀川側河岸高約11 m，主橋整體縱斷面較低。

2 主橋方案

2.1 橋式

根據上述控制因素，主橋孔跨布置主跨應不小于310 m，邊跨應不小于80 m，結合常用橋跨結構形式的運用經驗和國鐵集團近年的科研成果《高速鐵路200—450 米混凝土橋設計關鍵技術研究》（編號：2016G002），該跨度鐵路橋可供選擇的橋型有混凝土部分斜拉橋方案、連續(xù)鋼桁梁+柔性拱方案、鋼桁拱+柔性梁方案、半漂浮體系斜拉橋方案。

混凝土部分斜拉橋方案主梁截面高、重量大。當主跨在300 m 以上時主墩支點處梁高在16 m 以上，單延米結構自重在100 t 以上［1］，這對于縱斷面較低的橋址景觀效果較差，同時由于其自重較大，也不適合高烈度震區(qū)。

鋼桁梁+柔性拱或鋼桁拱+柔性梁組合方案的典型特點是用鋼量大，全壽命周期內的運營維護費用相對較多。當跨度達到300 m 以上時，主體結構單延米用鋼量分別達到25 和30 t 以上［1］，經濟性較差。

而半漂浮體系斜拉橋方案主梁截面低，且采用鋼箱梁時主體單延米用鋼量基本都在19 t 以內［1?2］。因此結合本橋工點的邊界條件和調研情況，對4種橋型的工點適應性分析見表1。

根據表1調研分析結果，半漂浮體系斜拉橋方案優(yōu)勢明顯，同時考慮防洪、防凌、通航對孔跨的要求及景觀需求，烏海黃河橋主橋采用孔跨布置為（80+80+310+80+80）m 的半漂浮體系箱梁斜拉橋方案。

表1 橋式方案適應性分析

2.2 整體布置

橋梁主要結構形式關系到橋梁的結構安全和技術經濟性能［3?5］，目前建成、在建的鐵路箱梁斜拉橋有20 余座［1，6］，烏海黃河橋主橋主要結構參數在充分吸收工程實踐成果的基礎上，經過技術經濟比選確定為：主跨撓跨比按1/700 控制，主梁高采用4.25 m，梁型為箱梁；2 個主塔全高分別為111.5和115.0 m，橋面以上有效塔高采用89.5 m，橋塔為混凝土橋塔；2個主塔每側均布置14對斜拉索，塔上索間距為2.0～2.3 m，梁上索間距采用10.5 m，邊索傾角為29.5°。

主橋結構立面布置如圖2所示。

圖2 主橋立面布置（單位：m）

3 主梁和主塔結構形式

合理的梁型可以提高主橋的技術經濟性能，結合工程實踐中常用的主梁類型，選取鋼箱梁、混凝土箱梁、混合箱梁、混合結合箱梁4 種方案進行主梁梁型比選。

合理的塔型不僅能夠適應橋址的“S”河道，更能夠使整個橋梁結構獲得良好的技術經濟效果［7?9］。結合工程實踐情況［1］，選取A 型塔、H 型塔、花瓶型塔3種方案進行主塔塔型比選。

主梁和主塔結構形式研究中靜力分析采用有限元法，地震分析采用反應譜分析與非線性時程分析相結合的方法。

采用MIDAS Civil軟件建立不同主梁梁型和主塔塔型的主橋模型。主塔、主梁、橋墩采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，支座采用彈性連接模擬，阻尼器和橫向防落梁裝置采用一般連接單元模擬，基礎與地基采用節(jié)點彈性支承進行模擬。圖3為花瓶型橋塔、混合箱梁主橋方案的有限元模型。

圖3 花瓶型橋塔、混合箱梁主橋方案的有限元模型

3.1 主梁梁型

烏海地處西北黃土高原河谷地帶，橋址基本設計風速為29.8 m·s?1。為減少風力效應，各方案主梁均采用具有良好氣動布局的寶石型截面，截面板厚根據不同梁型方案受力要求進行調整，4 種主梁方案涉及的3種主梁截面布置如圖4所示。

圖4 各方案主梁橫斷面布置（單位：cm）

在主塔均為花瓶型方案的條件下，調整主塔、主梁、斜拉索及基礎的尺寸和規(guī)格，使各方案主梁成橋線性基本一致，進行4 種不同主梁方案的剛度、內力、地震響應、經濟性等對比分析。4 種方案的具體布置見表2，主要對比分析結果見表3。

表2 4種梁型方案結構布置

表3 4種梁型方案技術經濟對比

由表2和表3可知：

（1）從結構構造來看，混合結合梁方案鋼混結合面范圍最大，除2 個受壓的結合面外，還有4 道縱向腹板結合帶和68 道橫隔板結合帶，根據常規(guī)實踐經驗鋼混結合面受溫差影響較大，而烏海地區(qū)歷史極端溫差高達70 ℃，因此該方案主梁設計難度較大，與橋址適應性較差；混合梁方案只有2 個受壓的結合面，因此其結構設計相對混合結合梁方案較簡單；鋼箱梁方案和混凝土箱梁方案材料單一，不存在鋼混結合問題。

（2）從剛度指標來看，鋼箱梁方案梁端轉角達到了2.366‰，超出了規(guī)范不大于2‰的限制，同時該方案的撓跨比為1/681，不滿足小于1/700的設計要求；混凝土箱梁方案的梁端轉角和撓跨比均最小，分別為1.144‰和1/1 161，因此其剛度在4 個方案中最大；混合梁方案和混合結合梁方案的梁端轉角和撓跨比基本一致。

（3）從工后徐變來看，鋼箱梁方案工后徐變最小為27 mm，由于鋼結構不存在徐變問題，因此該值由主塔徐變引起；混凝土箱梁方案工后徐變最大為94 mm，這將對行車的平順性產生不利影響；混合梁方案工后徐變?yōu)?9 mm，約是混凝土箱梁方案的41%；混合結合梁方案為49 mm，介于混凝土箱梁和混合梁方案之間。

（4）從地震響應來看，鋼箱梁方案的梁端位移、塔底豎向力、塔底彎矩均最小，混凝土箱梁方案這3 項指標均最大，分別比前者大了約63%，32%和25%，混合結合梁方案這3 項指標僅次于混凝土箱梁方案，混合梁方案與鋼箱梁方案基本一致，但比鋼箱梁方案稍高。各方案的塔底彎矩和豎向力大小直接影響其主塔基礎樁基的布置根數。

（5）從施工方面來看，混合結合梁方案鋼混結合面范圍最大，因此其工序最復雜，工期最長，為38 個月；混凝土箱梁方案工期受養(yǎng)護時間控制僅次于混合結合梁方案，為37 個月；鋼箱梁、混合梁方案鋼結構部分可提前在工廠加工，與現場基礎、主塔和橋墩等同步施工，工期相對較短，分別為33和35個月。

（6）從經濟性來看，鋼箱梁方案由于鋼結構造價高而導致總造價最高，為34 481萬元；混凝土箱梁和混合結合梁方案總造價基本一致，且僅次于鋼箱梁方案，混合梁方案總造價最低為30 361 萬元，4個方案總造價比值為1.14∶1.06∶1∶1.07。

綜合上述各方面因素，該橋主梁采用混合箱梁方案的技術經濟效果更佳。

3.2 主塔塔型

3 種型塔方案中，A 型塔方案上塔柱合并，采用空間索面；H 型、花瓶型采用平行索面。3 種塔型方案具體布置如圖5所示。

圖5 3種塔型方案布置（單位：m）

在主梁均采用混合箱梁的情況下，對上述3 種不同的塔型方案分別按2.3節(jié)所述的方法進行有限元靜力工況和地震工況分析，針對不同的方案調整塔壁、斜拉索和基礎尺寸，使各方案主梁成橋線性基本一致，并對各方案的剛度、地震響應、經濟性等主要指標進行對比研究，結果見表4。

由圖1、圖5和表4可知：

表4 3種塔型方案技術經濟對比

（1）從剛度指標來看，不同塔型對橋梁整體剛度的影響較小，3 個方案的梁端轉角和撓跨比基本一致。

（2）從地震響應來看，花瓶型橋塔方案塔頂縱向位移最小，為349 mm，塔頂橫向位移最大，為494 mm，但塔頂相對于上橫梁的變形較小，為220 mm，因此上塔柱設計難度較??；A 型、H 型橋塔方案由于下塔柱外傾而有利于減小塔頂橫向位移，但其橫向剛度較大，從而增加了結構的地震內力，A型塔方案的基底橫向彎矩比花瓶型塔方案增加了約1.6%。

（3）從施工方面來看，A 型塔方案上塔柱合并，因此斜拉索需采用空間索面，索梁、索塔錨固構造比H 型和花瓶型方案相對復雜，施工難度較大。

（4）從對河道的影響來看，A型和H型橋塔方案基礎橫向寬度約是花瓶型橋塔的1.6倍，引起基礎鋼圍堰工程量增大，與橋址S形河道要求盡量減小施工阻水的適應性較差。

（5）從經濟性來看，花瓶型橋塔方案主塔和基礎圬工量及總造價最低，比前2 種方案節(jié)省投資4%～5%。

綜合考慮上述因素，該橋采用花瓶形橋塔方案的技術經濟效果更佳。

4 抗震體系

該橋位于高烈度震區(qū)，地震工況控制結構設計，參考同類橋梁的抗震措施［10?11］及本橋的研究成果［6］，綜合確定該橋的抗震約束體系由大位移球形鋼支座支承系統(tǒng)、主塔和輔助墩阻尼器系統(tǒng)、邊墩和輔助墩設置橫向防落梁系統(tǒng)3 部分組成，如圖6所示。

圖6 1/2抗震約束體系布置圖

該約束體系的運行機制為：

（1）正常運營和多遇地震工況采用縱向大位移滑動支座、橫向固定支座進行豎向支承和橫向限位。

（2）設計地震和罕遇地震工況橫向固定支座剪力銷剪斷，縱向采用阻尼器控制位移，橫橋向主塔處依靠橫向阻尼器控制位移，輔助墩、邊墩處依靠橫向防落梁裝置控制位移。

此種抗震約束體系與常規(guī)約束體系的區(qū)別在于主塔與主梁之間是設置橫向阻尼還是設置抗風支座。設橫向阻尼方案為在梁底和主塔之間設置橫向阻尼器，地震工況時主梁和主塔之間依靠阻尼器限位耗能；設抗風支座方案為在主梁側面和塔柱之間設置橫向支座，地震工況時主梁橫向力直接傳給主塔，依靠主塔限位并承受橫向力。2 種約束方案布置如圖7所示。

圖7 2種塔梁間橫向約束方案

對2 種方案采用主橋有限元模型進行地震分析，并對2 種方案的塔頂位移響應、結構內力響應和經濟性進行對比，結果見表5。

由表5數據可知：

表5 主梁與主塔處橫向約束體系對比

（1）從技術方面來看，主梁和主塔之間設置橫向阻尼方案可大幅度減小結構地震工況的內力和位移，其中主塔下塔柱底部橫向彎矩比設抗風支座方案減小約20%，能夠大幅降低橋塔和下部結構的設計難度。

（2）從經濟方面來看，塔梁間設橫向阻尼方案比設抗風支座方案的主塔圬工量、基礎樁基根數均有較大幅度減少，上部結構造價減少約2%，下部結構減少約10%，總投資減少約4%。

因此，就主塔與主梁間的橫向約束方案來看，設橫向阻尼方案比設置抗風支座方案在技術經濟效果方面更佳。

5 軌道平順性檢驗

大跨度橋梁豎向剛度和橫向剛度相對常規(guī)跨度橋梁較弱。在溫度等荷載作用下，主梁產生連續(xù)的豎向彎曲變形，對高速鐵路軌道高低平順性產生影響；在風力、溫度、搖擺力等荷載作用下，主梁產生連續(xù)的橫向彎曲變形，對高速鐵路軌道的軌向平順性產生影響［13］。當高低平順性或軌向平順性超過限值時都會對高速列車的乘坐舒適性和行車安全性產生影響，甚至造成嚴重事故。

國鐵集團科研成果《高速鐵路200—450 米混凝土橋設計關鍵技術研究》（編號：2016G002）中推薦大跨度橋梁采用40 m 弦進行軌道不平順測量和靜態(tài)驗收，高低及軌向不平順限值為5 mm。

昌贛客專贛江橋、商合杭高鐵裕溪河特大橋及連鎮(zhèn)鐵路五峰山長江大橋等的研究成果［12?15］推薦采用60 m弦進行軌道不平順測量和靜態(tài)驗收，時速250 km時，高低及軌向不平順限值推薦為10 mm。

采用主橋有限元模型進行靜力計算，針對計算所得的變形數據分別采用40 m 弦和60 m 弦按照中點弦測法對主橋的軌道高低、軌向分別進行檢算，結果如圖8和圖9所示，對主橋進行的車-橋耦合動力仿真分析結果見表6和表7。

由圖8、圖9、表6和表7可知：

表6 列車動力響應計算結果

表7 車-橋系統(tǒng)動力響應評價結果

圖8 主橋軌道高低不平順

圖9 主橋軌道軌向不平順值

（1）采用40 m 弦長按中點弦測法計算時，軌道不平順高低最大值為3.76 mm、軌向最大值為2.34 mm，能夠滿足限值5 mm的要求。

（2）采用60 m弦長按中點弦測法計算時，軌道不平順高低最大值為7.77 mm，軌向最大值為4.43 mm，小于同標準鐵路橋梁推薦控制值10 mm 的要求。

（3）高速列車以時速250 km 通過橋梁時，列車的各項動力響應指標均在容許值以內，列車乘坐舒適性達到“良好”以上。

由此可見，該橋在高速行車時具有較好的軌道平順性。

6 施工方案

黃河上橋梁施工一般采用頂推法，有浮運條件時也可采用懸臂拼裝法［1］。橋址處黃河洪汛期及凌汛期分別長2 個月和3 個月，根據黃河管理機構要求，汛期需拆除河道上的棧橋、支墩等臨時工程措施，因此采用頂推法施工時工期不能保證。

再者，橋址位于S 形狹窄彎道上，流速較大，且主跨部分區(qū)域位于擺動河槽淺水區(qū)，浮船不能到達，因此浮運法亦不適合。

結合調研從減少黃河行洪、行凌對施工工期的影響角度綜合出發(fā)，提出了混凝土箱梁采用支架現澆，鋼箱梁段采用“梁端提梁、橋面運梁、旋轉吊機組拼”的施工方案［16］。該方案主梁施工不依賴于跨河棧橋及臨時支墩，工期不受黃河洪汛期影響，與頂推法相比，每年可增加施工工期2 個月，從而使總工期縮短約5個月，同時最大程度地減少了施工對黃河的影響，與橋址的邊界條件具有較好的適應性。該施工方案由梁端提梁系統(tǒng)、梁上梁段運輸系統(tǒng)、旋轉吊機系統(tǒng)為支撐，施工方案如圖10所示。

圖10 1/2梁部施工方案示意圖

針對該施工方案采用有限元方法對主橋結構進行施工過程計算，并對結構各部位強度進行分析，結果如下：

（1）混凝土箱梁均處于受壓狀態(tài)，最大壓應力14.8 MPa，最小壓應力0.1 MPa，鋼箱梁最大壓應力64.9 MPa，最大拉應力115.1 MPa，均滿足規(guī)范要求。

（2）主塔處于壓彎狀態(tài)，混凝土最大壓應力11.71 MPa，裂縫最大寬度0.12 mm，鋼筋最大拉應力94.7 MPa，均滿足規(guī)范要求。

（3）斜拉索最小安全系數3.18，滿足規(guī)范要求。

綜上所述，采用該施工方案施工時能夠有效節(jié)約工期，同時可以確保施工過程結構安全。

7 結 論

（1）結合橋址控制因素、國內外鐵路橋梁的工程實踐及科研成果，烏海黃河橋采用孔跨布置為（80+80+310+80+80）m 的半漂浮體系斜拉橋方案技術經濟效果最佳。

（2）混合箱梁方案具有剛度適中、抗震性能優(yōu)良、工期較短、經濟性好等優(yōu)勢，是高烈度震區(qū)斜拉橋主梁的優(yōu)選方案。

（3）花瓶型橋塔方案具有良好的抗震性能和經濟性能，橋塔基礎占地面積小，有利于通航及行洪，施工方便，與橋址“S”形河道的邊界條件適應性最優(yōu)。

（4）由大位移球形鋼支座、主塔和輔助墩設置的阻尼器、邊墩和輔助墩設置的橫向防落梁組成綜合抗震約束體系，能有效減小結構的地震內力，提高主橋的整體經濟性，可降低主橋造價約4%。

（5）主橋具有較好的軌道平順性，按40 和60 m 弦計算的軌道高低不平順分別為3.76，7.77 mm，軌向不平順分別為2.34，4.43 mm，按時速250 km運行時，乘坐舒適性均在“良好”以上。

（6）結合橋址處洪汛、凌汛期長的特點，提出的“梁端提梁、橋面運梁、旋轉吊機組拼”鋼箱梁段施工方案，降低了施工和黃河渡洪、渡凌之間的相互影響，可縮短橋梁的施工工期約5個月，同時能夠保證施工過程橋梁結構的受力安全。