南广铁路西江特大桥总体设计

南广铁路西江特大桥总体设计

摘要：以南广铁路肇庆西江特大桥为背景，针对大跨度钢拱桥的桥式方案，对钢箱拱桥和钢管桁架拱桥从结构性能、耐久性、工程造价、施工方法等多方面进行了综合比选；以西江特大桥486m中承式钢箱提篮拱桥为例，针对桥梁的主要设计参数进行了详尽阐述，包括矢跨比、拱轴系数、拱肋内倾角、横撑布置、吊杆形式、桥面系方案等；介绍了桥梁相关的静力、动力计算结果；针对大尺寸钢箱拱肋结构、钢混桥面系结构的结构方案及结构尺寸进行了描述；对大跨度钢箱拱桥“边段竖转+中段提升”、“缆索吊机节段悬拼”施工方案进行了综合研究比选。

关键词：铁路；钢箱拱桥；设计参数；缆索吊机；节段悬拼

1 工程概况

南广铁路西江特大桥是新建铁路南宁至广州线桂平至肇庆东段的控制性工程，设计速度250km/h，大桥全长618.3m，桥跨为

（41.2+486+49.1）m+ 32m预应力混凝土简支梁，主桥为中承式钢箱提篮拱桥，计算跨径为450m，是目前世界上最大跨度的高速铁路拱桥，引桥为1孔32简支箱梁。

该桥所处位置地理条件复杂，施工难度极大，具有钢箱拱肋构件加工精度要求严、安装线形控制难度大、水深（60～80m）流急、施工场地狭窄、地形地貌及地质条件复杂等特点。

2 结构形式

本桥主桥采用中承式钢箱提篮拱桥，计算跨径450m。大桥矢跨比为1/4，拱轴系数m=1.8，拱肋内倾角为4.8°，拱脚处拱肋横向中心距为

34.0m，拱顶处为15.17m。拱肋为钢箱结构，桥面系采用钢纵横梁与钢筋混凝土桥面板的结合梁体系。

2.1 拱肋及横撑

主桥拱肋各节段按“以折代曲”的原则设计。拱肋为变高度钢箱结构，拱脚处拱肋截面径向高度为15.1m，拱顶截面径向高度为9.1m，拱肋为陀螺形截面。肋肋横截面见图1。

全桥共设置18组横撑，桥面系以上12组，为一字形横撑；桥面系以下6组，为K形横撑。横撑各杆件截面采用箱形断面。

2.2 桥面系

桥面系由钢横梁、钢主纵梁、钢次纵梁、钢筋混凝土桥面板组成，为半漂浮式桥面结构体系（图2）。主纵梁横向中心距为20m，采用箱形断面，腹板中心距2.0m，高3.0m。横梁在与主纵梁连接处与主纵梁等高。横梁根据受力需要分为工形横梁和箱形横梁两种。次纵梁均为工形断面，与对应位置处横梁等高。桥面板由20cm厚的C50钢筋混凝土预制板和20cm厚后浇混凝土层组成。

图1 拱肋截面

2.3 吊杆

吊杆采用镀锌平行钢丝束，吊杆上端锚固在拱肋顶面，吊杆通过锚拉板锚固于钢主纵梁顶面，便于吊杆的安装、检查维修和更换，靠近拱梁相交区的2根吊杆D0、D1通过锚箱构造锚固于钢主纵梁下翼缘底面。

2.4 阻尼器

阻尼器设于支座处横撑的江心侧，安装位置与支座中心线重合，全桥共4个。阻尼器主要技术参数：最大阻尼力Fmax=2 000kN，阻尼系数c=4 000kN· s·m-1，速度指数α=0.3，最大冲程为±300mm。

图2 西江特大桥桥面布置

2.5 限位拉索

由于本桥桥面系为半漂浮体系，为控制结构的纵向位移，确保行车安全，在拱肋横撑支座处设置了限位拉索装置，安装位置与支座中心线重合，全桥共4个。限位拉索采用211φ5的新型PES（FD）低应力防腐索体，预张拉力为1 930kN。

3 桥式方案研究

本段航道位于西江弯道和峡谷上，江面变窄，常水位最大水深为60m，20年一遇洪水最大水深近80m，水流流速变化大，船舶航行条件差。通过与航道主管部门协商，为保证不影响通航，该段河道不宜在河中设墩，因此本桥采用一跨越过西江的方式，这样桥梁对航道影响最小，且避免了深水基础，桥梁造价不会增加。

根据河床地形、地质条件、水文、通航条件，考虑水利防洪、航道通航要求，本阶段主要对钢箱拱桥和钢管混凝土拱桥两种桥式方案进行比较。

就外观而言，钢箱拱桥更加简洁，线条更加流畅、美观；就受力性能而言，钢箱拱桥比钢管混凝土拱桥结构受力更可靠，而且钢箱拱桥的

动力特性和横向稳定性都优于钢管混凝土拱桥；就造价而言，钢箱拱桥方案工程造价略高于钢管混凝土拱桥方案。经过技术、经济、施工、运营安全等综合比较，钢箱拱桥方案虽然造价略高，但在技术、施工、运营安全等方面具有明显优势，因此本设计推荐采用钢箱拱桥方案。

4 主桥结构研究

4.1 矢跨比选取

钢箱拱桥的矢高对结构受力的合理性、吊杆长度和竖、横向刚度影响较大。在本次方案征集中对1/3、1/4、1/5这3种矢跨比拱肋的受力情况进行了比较。

表1 不同矢跨比的计算结果对比

矢跨比矢高/m最大拱肋轴力/kN最大拱肋弯矩/（kN·m）拱脚水平反力/kN Hz 1阶竖向1阶横向自振频率/主拱吊杆用钢量/t主拱拱肋用钢量/t 1/3 150.0 140 400 430 350 85 900 0.331 0.396 360 17 766 1/4 112.5 160 000 437 600 113 400 0.372 0.401 230 17 010 1/5 90.0 179 800 466 800 141 300 0.396 0.397 150 16 800

表1数据表明：矢跨比越小，结构竖向刚度越大，但拱座的水平反力以及拱肋的内力都会相应增大；由于1阶横向振型为桥面的横向弯曲，桥面结构与拱肋通过支座连接，因此矢跨比对结构整体的横向刚度基本没有影响。