晋陕黄河特大桥主桥方案比选.pdf

国内图书分类号：t u 3 3 8 国际图书分类号： 西南交通大学 研究生学位论文 密级：公开 年 姓 专 二零一一年7 月 一苓一一，牛弋月 c l a s s i 6 u d c ： m a s t e rd e g r e et h e s i s s c h e m ec o m p i a i u s o no fj i n s h a n y e l l o wrm rb r i d g e cia s s ：civi ie n gin e e rin g2 0 0 0 c a n did a t e ：y u ey in g iiu a c a d e micd e g r e ea p pi ie df o r ：m a s t ero fe n gin e e rin g m a jo r ：a r c h it e c t u r ea n dc ivi i e n g in e e rin g s u p e r v is o t ：p r o f z h a or e n d a p r o f z h a n gx i a n g j u n e 17 ，2 011 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名：岳也九 日期：力| f 7 牛 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本文在结合国内外高速铁路桥梁的发展，根据近几年来我国高速铁路大跨 度桥的实践，针对大同至西安铁路运城至西安段晋陕黄河特大桥，提出了五种 桥式方案( 单t 刚构钢桁加劲组合结构、部分斜拉桥、连续梁边孔加拱组合结 构、下承式连续钢桁梁、空腹连续刚构) ，主要从桥梁结构受力行为、动力性 能、施工难度、景观效果、工程造价等多方面进行了分析比较，结合轨道分析 计算结果，推荐采用方案单t 刚构钢桁加劲组合结构。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签名：岳龇 日期：2 dl 7 叶 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 一九六四年日本新干线的成功运营标志着现代高速铁路时代的来l i 缶。经过 四十多年的发展，高速铁路已经成为世界上最经济、最具有效能的地面运输系 统。本文针对大同至西安铁路运城至西安段晋陕黄河特大桥，介绍了高速铁路 桥梁设计的特点，进行了初步设计的方案比选。本文的具体工作如下： l 、结合国内外高速铁路桥梁的发展，根据近几年来我国高速铁路大跨度 桥的实践，提出了5 种方案，主要从桥梁结构受力行为、动力性能、施工难度、 景观效果、工程造价等多方面进行了分析比较，最后结合轨道分析计算结果， 推荐采用方案单t 刚构钢桁加劲组合结构。 2 、对推荐方案单t 刚构钢桁加劲组合结构进行了进一步的评述，主要包 括了桥式布置及平纵断面设计、主桥上下部结构、引桥以及导冶建筑物等水工 设施和防护措施，最后介绍了推荐方案的主要施工方法，并给出了安全施工的 意见。 关键词：大西客运专线；晋陕黄河特大桥；方案比选；单t 刚构钢桁加劲组合 结构； a b s t r a c t i n19 6 4 ，t h es u c c e s s f u lo p e r a t i o no fs h i n k a n s e ni nj a p a n s i g n i f i e st h ec o m i n g o ft h ee r ao fm o d e r nh i g hs p e e dr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n a f t e rm o r et h a n4 0y e a r s o fd e v e l o p m e n t ，s u c hh i g hs p e e dt r a n s p o r t a t i o nh a sb e c o m et h em o s te c o n o m i c a l a n de f f i c i e n tl a n d t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m i nt h ep r e s e n tt h e s i s 。b a s e do nt h e j i n - s h a ny e l l o wr i v e rb r i d g eo nd a x ip a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e ，b r i d g ed e s i g n f e a t u r e so fh i g h s p e e dr a i l w a ya r ei n t r o d u c e da n ds c h e m ec o m p a r i s o no f p r e l i m i n a r yd e s i g ni sc a r r i e do u t t h i sr e s e a r c hi sf o c u s e dm a i n l yo nt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： i 、o nc o m b i n a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e dr a i l w a yb r i d g e sh o m ea n d a b o r a d ，5p r o je c tp l a n sa r ep r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c eo fl o n gs p a nr a i l w a y b r id g e si no u rc o u n t r y t h e s ep la n sa r ef u t h e rc o m p a r e da n ds t u d i e df r o mt h ep o i n t o fs t r u t u r a lb e h a v i o r , d y n a m i cc h a r a c t e r , c o n s t r u c t i o nd i f f i c u l t y , l a n d s c a p ee f f e c t s a sw e l la sc o n s t r u c t i o nc o s t f i n a l l y , t h ec o m b i n e ds t r u c t u r ep l a nw i t has i n g l e t - f r a m es t i f f e n e db ys t e e lt r u s si s r e c o m m e n d e da c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h e t r a c ka n a l y s i s 2 、f u t h e ri n v e s t i g a t i o n sa r ed o n et o e v a l u a t et h er e c o m m e n d e dp l a n t h e s e i n v e s t i g a t i o n s c o n s i s to f b r i d g el a y o u t ，p r o f i l e d e s i g n ，s u b s t r u c t u r e a n d s u p e r s t r u c t u r eo ft h em a i ns p a n ，a p p r o a c hb r i d g ea sw e l la s r i v e r - t r a i n i n g b u i l d i n g s a n do t h e r h y d r a u l i c o r p r o t e c t i o nm e a s u r e s a tl a s t 。t h em a i n c o n s t r u c t i o na p p r a o c h e st o g e t h e rw i t ht h es u g g e s t i o n so nc o n s t r u c t i o ns a f e t yo f t h er e c o m m e n d e dp l a na r ei n t r o d u c e d k e yw o r d s ：d a x ip a s s e n g e rd e d i c a t e dl i n e = j i n s h a ny e l l o wr i v e r b r i d g e ； s c h e m ec o m p a r i s o n ；s i n g l et - f r a m es t i f f e n e db ys t e e lt r u s s ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 目录 第1 章绪论。1 1 1 高速铁路大跨度桥梁的特点l 1 1 1 双线桥梁的建筑界和桥面跨度1 1 1 2 桥梁设计荷载2 1 1 3 桥跨结构构造特点3 1 2 高速铁路大跨度桥梁跨度与桥式方案4 1 2 1 桥梁跨度与桥式的关系4 1 2 2 不同桥式的高速铁路的跨越能力4 1 3 我国大陆跨长江、黄河大跨度铁路桥梁一7 1 4 本文研究工作9 第2 章工程背景1o 2 1 基本资料1o 2 1 1 地理位置、河流特征1 0 2 1 2 水文资料l7 2 1 3 工程地质资料1 7 2 2 桥梁总体设计2 0 2 2 1 主要设计原则2 0 2 2 2 桥梁跨度的确定21 2 2 3 主桥桥式方案的选择2l 2 2 4 联长的选择2 1 2 3 本章小结2 2 第3 章桥式方案比选2 3 3 1 方案一：单t 刚构钢桁加劲组合结构2 3 3 1 1 主桥孔跨布置2 3 3 1 2 方案构思2 3 3 1 3 方案形成过程2 3 3 1 4 方案介绍2 9 3 2 方案二：部分斜拉桥方案。3 6 3 2 1 桥跨布置3 6 3 2 2 部分斜拉桥在高速铁路桥梁中应用的可行性3 6 3 2 3 部分斜拉桥在本桥中应用的合理性37 3 2 4 斜拉索承担荷载比例的取值3 7 3 2 5 方案形成过程3 8 3 2 6 方案介绍4 2 3 2 7 结构静力计算分析4 4 3 3 方案三：连续梁边孔加拱组合结构：5 5 3 3 1 桥桥跨布置：5 5 3 3 2 方案构思5 5 3 3 3 方案形成过程：5 6 3 3 4 方案介绍5 9 3 4 方案四：双孔连续钢桁梁6 7 3 4 1 主桥桥跨布置：6 7 3 4 2 方案形成过程一6 7 3 4 3 方案介绍7 l 3 4 4 结构计算结果：7 3 3 4 5 施工方案介绍：一8 4 3 5 方案五：空腹刚构8 5 3 5 1 主桥孔跨布置8 5 3 5 2 方案构思：8 5 3 5 3 结构特点8 5 3 5 4 方案介绍8 6 3 6 桥式方案比较9 4 3 7 本章小结9 7 第4 章建议方案评述9 8 4 1 桥式布置及平纵断面9 8 4 1 1 线路平面设计9 8 4 1 2 纵断面设计9 8 4 1 3 桥梁孔跨布置9 8 4 2 主桥上部结构9 8 4 2 1 主粱9 8 4 2 2 加劲钢桁9 8 4 3 主桥下部结构9 9 4 4 引桥9 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第v 页 4 5 导治建筑物、其他水工设施和防护措施9 9 4 6 主要施工方法9 9 4 6 1 主桥：单t 刚构钢桁加劲组合结构9 9 4 6 2 箱形简支梁9 9 4 6 3 基础施工10 0 4 6 4 施工进度1 0 0 4 7 安全施工的意见1o o 4 8 本章小结l0 1 第5 章结论及展望10 2 5 1 结论10 2 方案一：单t 刚构钢桁加劲组合结构1 0 2 方案二：部分斜拉桥10 2 方案三：连续梁边孔加拱组合结构1 0 2 方案四：下承式连续钢桁梁1 0 2 方案五：空腹连续刚构1 0 3 5 2 展望10 3 致谢1 0 4 参考文献10 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 高速铁路大跨度桥梁的特点 高速铁路桥梁承受的动力作用远大于一般桥梁。根据行车安全性和乘坐舒 适性的要求，高速铁路桥梁需要比普通铁路、公路桥梁更大的刚度和整体性【l 】。 因此，高速铁路桥梁通常采用较小跨度。但由于跨越大江、大河和深谷的需要， 高速铁路大跨度桥梁的修建也越来越多 由于列车的高速度以及其对桥梁刚度的要求，使得高速铁路大跨度桥梁相 对普通铁路、公路大跨度桥梁有着许多不同特点。 1 1 1 双线桥梁的建筑界和桥面跨度 1 1 1 1 双线桥梁的建筑限界 对于大跨度双线铁路桥梁，特别是下承式桥梁，其净空设计必须满足双线 桥梁的建筑限界【2 1 。 铁路桥梁的建筑限界依据于铁路机车车辆限界。高速铁路电气化建筑限界 的宽度为机车车辆宽度和运行中车体横向振动偏移量并加一定安全裕量的总 和，单线铁路的建筑限界最大跨度为4 8 8 0 m m 。建筑限界的高度与接触悬挂方 式、导线高度、结构高度、带电体对地绝缘距离及轨道维修预留抬高量、施工 误差等因素有关。建筑限界高度从轨面起算，一般情况下为7 2 5 0 m m 。建筑限 界的宽度随高度不同而不同。 对双线桥梁净空影响的重要因素是线间距d ，它等于交会列车相邻侧壁间 挣距y 加上2 个交会列车宽b 1 、b 2 一半之和。y 值大小取决于会车压力波的 允许值，它与列车运行速度和机车的头型系数有关。我国时速3 5 0 k m 客运专 线铁路线间距采用5 m 。 1 1 1 2 桥面宽度 高速铁路大跨度桥梁的桥面宽度不同于常用跨度梁桥面宽度，为适应高速 行车的要求，并便于检查和养护，根据桥梁结构跨度较大的具体特点，构造要 求桥面较宽时，人行道可放在腹杆内侧；当桥面较窄时，人行道宜放在腹杆外 侧。考虑检查维修人员有可能出现在桥上的情况，人行道内侧距车辆壁的风压 带宽应不小于1 2 m ，人行道宽为l m 。双线铁路直线桥面宽b 按以下两式计算， 取最大值。 b = 线间距+ 建筑限界宽度+ 2 x ( 人行道宽度+ 腹杆宽度) 人行道在腹杆外测时： b = 线间距+ 车辆宽度+ 2 x ( 风压带宽度+ 人行道宽度+ 腹杆宽度+ 栏杆宽 度) b = 线间距+ 建筑限界宽度+ 2 x ( 人行道宽度+ 腹杆宽度+ 栏杆宽度) 1 1 2 桥梁设计荷载 1 1 2 1 桥梁设计活载z k 荷载 目前我国高速铁路多为客运专线，前期采用高、中速列车混跑的运输组织 模式，即高速列车和中速列车共线运行，中速列车荷载要大于高速列车荷载。 基于此，我国高速铁路桥梁设计采用z k 荷载，其值为u i c 荷载的0 8 倍。 对于桥梁小于6 m 的结构，采用4 x 2 5 0 k n 的特种荷载计算。 而设计荷载较实际运行的列车荷载要大得很多，这种裕量可用荷载发展储 备系数k 来衡量。 k = 、一k 安7 k 毽 式中，k 为实际列车换算均布荷载；如为设计活载换算均布荷载。 k 值大小随跨度不同而变化。对于中速列车荷载，设计活载的k 值大约为 下列值：跨度为6 4 0 m ，k = 0 4 2 0 4 8 ；跨度为4 8 8 0 m 时，k = 0 5 2 - - , 0 5 8 ；当跨 度为16 0 4 0 0 m 时，k = 0 6 0 0 6 5 。因此，跨度越大，裕值越大。 1 1 2 2 动力系数 目前，z k 荷载的动力系数在计算剪力和弯矩时分别计算，取值参考u i c 荷载系统的规定，由u i c 荷载动力系数乘以动力系数调整值0 8 3 并除以线路 等级系数0 8 而得到的。 对于大跨度钢桥，为简化计算，仅采用弯矩动力系数的算式，且按影响线 加载长度计算。 在中、小跨度桥梁中，为了减小动力作用的影响，采用u i c 7l 荷载作用 下的动力系数时，梁体还应满足自振频率低限的要求。对于大跨度桥梁、梁体 基频较低，但动力系数随着跨度增大而减小，而且大跨度桥梁荷载裕量很大， 因此跨度大于l0 0 m 的桥梁，动力系数等于1 。 1 1 2 3 横向摇摆力 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 高速铁路桥梁对摇摆力是取l0 0 k n 的移动集中力作用于轨项。世界上许多 国家的规范也都采用水平集中力形式来规定列车横向摇摆力。 车一桥动力响应计算表明，高速列车每一轮对摇摆力在速度为3 5 0 k m h 时，最大值不超过5 0 k n ，其大小与轨道不平顺和运行速度等因素有关，与跨 度没有多大关系，而且轮对摇摆力的方向有左有右，在同一跨度上轮对摇摆力 不会完全同向。对于大跨度桥梁，除保留采用10 0 k n 水平集中力检算小跨度构 件外，建议加用1 5 k n m 均布荷载加载进行计算，加载长度不超过列车长度。 1 1 3 桥跨结构构造特点 1 1 3 1 大跨度桥梁受力特点 跨越大水系的特大跨度桥梁，桥中线与水流方向应正交。桥梁与大堤平交 时，要特别注意桥堤过渡段的处理，这些地方往往填土高度较高，而且过渡段 的构造和要求与大堤相连的要求不全一样，应予妥善考虑。大跨度桥梁梁端伸 缩量和转角相对较大，容易造成轨道不平顺，从而引起振动，对这里的构造应 进一步深入研究。车一桥动力响应计算表明，大跨度桥梁的车体横向振动比竖 向振动的影响要大，横向加速度远大于竖向加速度【3 d1 1 。另外桥梁刚度的变化 多采用加速度指标控制舒适度时，反映并不敏感。因此，大跨度桥梁横向尺寸 应慎重确定。 1 1 3 2 桥面构造特点 高速铁路桥梁的桥面构造必须保证轨道具有持久和稳定的高平顺，其标准 和技术要求除梁体的挠度、转角、扭曲等变形必须严格控制外，与高速线路规 定一致。这里仅阐述桥面构造布置的特点f 1 2 】。 ( 1 ) 钢桥桥面不采用明桥面( 枕木直接铺于纵梁上) ，而采用有砟桥面或 无砟板式轨道桥面。砟床或轨道板铺设在钢筋混凝土桥面板上，桥面板支撑在 纵梁上。有砟轨道桥面和板式轨道桥面相比，板式轨道桥面的二期恒载约为 9 0 k n m ，仅为有砟轨道的一半，虽然一次投资的费用较贵，但维修费用大大 减少。特别对于大跨度桥梁，减轻恒载对节约投资大有好处，应予积极进行板 式轨道的研究实验工作。 ( 2 ) 桥面采用钢筋混凝土轨枕而不用木枕。因为混凝土轨枕及其钢轨扣 件较之木枕能提供更大的、可靠的无缝线路轨道纵、横向抗力，还可以根据高 速运行条件来设计混凝土轨枕的承载能力，使之满足长期使用耐久性要求，减 少维修、更换的工作量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 3 ) 选用平直性和材质都符合高速铁路要求的6 0 k g m 优质钢材。一次铺 设无缝线路，大跨度桥梁应设温度调节器。国外高速铁路一般不设护轨，但应 设列车掉道后的安全挡块。 1 2 高速铁路大跨度桥梁跨度与桥式方案 随着世界高速铁路的不断发展，人们对高速铁路桥梁的认识不断加深，高 速铁路大跨度桥梁的建设也越来越多，即将开工建设的主跨达3 3 0 0 m 的墨西 拿大桥即考虑同两岸的高速铁路线相连。我国高速铁路的建设也已经如火如荼 的进行。“十一五”期间，我国铁路建设总投资达1 2 5 0 0 亿元，建设新线1 9 8 0 0 k m ， 其中时速在3 0 0 k m 以上的有5 4 5 7 k m 。目前，我国建设的有代表性的高速铁路 大跨桥有：主跨5 0 4 m 的天兴洲公铁两用斜拉桥和主跨3 3 6 m 的大胜关铁路钢 桁拱桥，设计时速分别为2 0 0 k m 和3 0 0 k m 。目前，高速铁路桥梁正向结构新 型化和大跨度的方向发展，桥式也呈多样化的趋势【1 3 2 0 1 。 1 2 1 桥梁跨度与桥式的关系 桥梁从本质上来讲是用于支撑车辆和行人等竖向荷载的。随着跨度的增 大，它所承担的竖向荷载( 包括自重) 必将逐渐增大。对于普通的梁式桥，在 梁部会承受越来越大的弯矩，这就必须通过增大梁的截面和高度的方式来予以 抵抗。而增加截面所带来的后果是桥梁自重的增加，因此会逐渐陷入荷载增大 一截面增大一荷载增大的恶性循环，从而导致在经济上和技术上都不合适的情 况出现。因此，梁式桥的跨越能力是十分有限的。 当增大梁式桥( 变高粱) 的高度，并使梁底曲线逼近二次抛物线时，桥梁 将由受弯构件变成以轴心受压为主的构件，即拱桥。进一步去除拱桥中腹材料， 使其变成空腹拱桥，从而使桥梁受力更加明确，并大大减轻桥梁的自重。由于 受力方式的改变和桥梁自重的减轻，拱桥的跨越能力相对梁式桥大为提高。 当将拱桥的线型翻转过来，受压构件就变成受拉构件，从而变成悬索桥。 悬索桥的主缆受拉，不存在压屈失稳的问题，同时通过采用高强钢丝甚至碳纤 维材料等高强材料可以使其跨度得以大幅提高。悬索桥应该是所有桥型中跨越 能力最大的。 而目前广泛采用的斜拉桥，则是通过斜拉索的辅助将竖向荷载转变成对主 梁的水平压力和对主塔的竖直压力，从而达到控制梁高、增加跨度的目的。从 实践上看，斜拉桥比拱桥有更大的跨越能力。 1 2 2 不同桥式的高速铁路桥的跨越能力 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 高速铁路桥相对普通桥梁有两个显著特征：荷载重和安全性、舒适性要求 高。这就使得高速铁路桥梁对强度和刚度都有着较高的要求。适应这些要求， 各种桥式的能力是不同的，因而它们所适应的跨度范围也不一样。这里结合经 济性等作一定的阐述。 1 2 2 1 梁式桥 梁式桥从梁型上分主要有：预应力混凝土箱梁、钢箱梁、钢桁梁等；从体 系上看主要有：简支、连续、墩梁固接( 主要针对混凝土梁) 等。混凝土桥由 于其刚度大、噪声小、成本低、维修养护方便等优点，比较适用于高速铁路桥 梁。但由于混凝土结构本身自重大、不能受拉的特点，使其经济跨度受到很大 限制。对于简支体系的桥梁( 包括钢结构) ，不太适合作为大跨桥梁。但对于 预应力混凝土连续梁或连续刚构而言，其主跨做到15 0 m 是易于实现的。而对 于钢箱梁，它不太适合铁路桥荷载比较集中的特点，并且存在噪声大等不利因 素，在高速铁路桥梁中应用相对较少。钢桁梁由于其承载能力大、易于装配、 适合做双层桥面等特点，在铁路上应用十分普遍，它可以作为跨度不是很大的 高速铁路桥的一种较有竞争力的桥型，其适应跨度应该在2 0 0 m 以内。 1 2 2 2 拱桥 拱桥也有多种桥型，从其主要受力拱圈的材料来分有：钢筋混凝土拱、钢 管混凝土拱、钢箱拱、钢桁拱等；从桥面所处的位置看，也有下承式、中承式 和上承式之分。拱桥由于其跨越能力较大，且兼具刚度大的特点，很适合高速 铁路大跨桥，其应用十分普遍。其中，钢筋混凝土拱也存在截面和自重较大的 特点，经济跨度应该在2 5 0 m 以内；钢拱的跨度则可以做得更大，达到3 0 0 4 0 0 m 是可行的 2 1 - 2 5 1 。 1 2 2 3 斜拉桥 相对于其他桥型，斜拉桥的变化更多。它的适应跨度范围也很广，目前公 路斜拉桥跨度业已突破千米大关。结合经济性和刚度需求，铁路斜拉桥主跨在 8 0 0 m 以内时有竞争力的。众所周知，斜拉桥主要有塔、索、梁和基础构成。 对于主塔，为了增加桥梁的刚度，应着重考虑混凝土结构。为了适应大跨度的 要求，斜拉索也应以密索体系为主。斜拉桥的主梁形式多样，从材料分有混凝 土梁、钢梁、结合梁等；从形式上分有边主梁、箱梁、桁梁等。混凝土主梁恒 载比较大，因而斜拉索的应力幅较低，它的横向、竖向刚度都有一定的优势， 比较适合高速铁路。但也由于其自重较大，适用跨度受到一定的限制，其跨度 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 超过3 5 0 m 时，技术上和经济上都会面临大的挑战 2 6 - 3 1 】。为了提高桥梁跨度， 就必须降低主梁自重，采用钢主梁是有一种自然的选择。钢梁的形式是多种多 样的，但在铁路桥中，钢桁梁无疑占主导地位。根据高速铁路桥梁的特点，钢 桁梁的桥面系可以采用多种形式，其中较为典型的是纵横梁体系，其上铺设混 凝土道砟槽板，这种桁式恒载仍然较重，但维修方便。为了进一步降低梁重， 以避免因主桁杆件过大带来的困扰，铁路桥面可以采用正交异性钢桥面板，并 与主桁结构共同受力。通常在正交异性钢桥面板上还会铺设参与共同受力的混 凝土板，一方面可以作为道砟槽板，并对钢桥面板起保护作用，另一方面也可 以有效提高主梁乃至斜拉桥的竖向刚度。总之，钢主梁斜拉桥的跨越能力是很 大的，通过精心设计，使其主跨超过6 0 0 m 是可行的，甚至在8 0 0 m 范围内都 是值得重视的方案。但对于钢主梁而言，其自重相对较轻，当其跨度很大时， 桥梁的横向、竖向刚度，甚至抗风等问题都比较突出，需要通过优化结构体系 以及主梁形式等措施来加以解决。同时，当斜拉桥边跨与中跨之比小于0 5 时， 边墩、辅助墩有产生负反力的趋势，因此通常要采取压重措施。如果将边跨甚 至中跨的一部分主梁做成混凝土结构，即采用混合梁，不仅使负反力问题得以 解决，而且有效增加了桥梁的刚度，甚至更加经济。 1 2 2 4 悬索桥 悬索桥的是跨越能力最大的一种桥型，采用现有材料，其理论跨度可以超 过5 0 0 0 m 。目前，准备修建的意大利墨西拿海峡大桥跨度已经达到3 3 0 0 m ，而 且是公铁两用大桥。该桥型用于铁路桥目前在国内还未有实践。但就目前而言， 铁路桥需要跨越千米时，这种桥型几乎是必然选择，因此应引起足够重视。高 速铁路大跨悬索桥面临的最大挑战是抗风和刚度问题，这两方面的研究是方案 是否成立的关键【3 卜4 1 】。通常大跨度悬索桥的竖弯和扭转刚度主要来自于主缆， 主缆的刚度主要取决于主缆的截面积，截面积又由跨度、恒活载、矢跨比等确 定。通过调整主缆同加劲梁的相对位置和增加特定的水平和横向的辅助索可以 达到提高结构抗扭刚度和扭转振动频率的目的，而颤振临界风速同桥梁扭转频 率和扭弯频率比直接相关，所以这类方法对提高大跨和超大跨悬索桥的颤振稳 定性是行之有效的。尽管悬索桥的主塔和加劲梁对大跨悬索桥的整体刚度贡献 不是十分突出。但采用混凝土结构的主塔无疑能够提高桥梁的竖向刚度。可以 作为高速铁路大跨悬索桥加劲梁的梁式应该是多样的，但最常见的还是颤振临 界风速比较高的流线型钢箱梁和钢桁梁，二者都有较大的抗弯和抗扭刚度。对 于钢桁梁而言，可以在付出不多材料的情况下，容易地增加梁宽和梁高，从而 达到增加抗弯和抗扭刚度的目的。流线型钢箱梁在大跨悬索桥中的应用较为普 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 遍，具有良好的气动性能。但随着跨度的增大，依然需要采取诸如中央开槽( 分 离箱) 、增设垂直、水平稳定板、导流板以及阻尼器等措施来提高大桥的抗风 性能。另外要提到的是，对于高速铁路大跨悬索桥，为了提高桥梁的刚度和抗 风性能，往往需要特别增加加劲梁的高度和宽度，从某种意义上讲，由于自重 的增加也提高了主缆的刚度，从而达到提高桥梁整体刚度和抗风性能的目的。 因此，对于大跨特别是超大跨的高速铁路悬索桥宜采用公铁合建的形式。目前 建成或筹建的超过千米的铁路悬索桥，如墨西哥、濑户、青马等，都属于公铁 两用桥梁。 1 3 我国大陆跨长江、黄河大跨度铁路桥梁 随着经济发展所带来的对运输的需求以及节能的需要，在若干年内，我国 的高速铁路将实现大规模发展，大量的高速铁路桥也将得以修建。另外，随着 技术的提高和人们认识的改变，对桥梁，包括高速铁路的跨越能力的要求也越 来越高，更多、更大跨度的高速铁路将不断地出现在神州大地上。这就要求我 们桥梁工作者要加深对各种桥式的研究，不断创新，提出更多合适的高速铁路 大跨桥的桥式方案。 近年来，由于建设京沪高速铁路和武广客运专线等高速铁路、客运专线、 城际铁路的需要，大桥院在长江、黄河上开展了高速铁路大跨桥的研究和实践。 包括了武汉天兴洲公铁两用长江大桥、南京大胜关长江大桥、济南黄河大桥( 主 跨1 6 8 m 钢桁梁拱桥) 、安庆长江铁路大桥( 主跨5 8 0 m 钢斜拉桥) 、沪通铁路 长江大桥( 主跨分别为5 8 0 m 和1 0 0 8 m 钢桁梁斜拉桥方案) 、郑州黄河公铁两 用大桥( 主跨l6 8 m 钢桁结合梁多塔斜拉桥等) 。其中，天兴洲桥和大胜关桥 具有代表性。 武汉天兴洲公铁两用长江大桥为主跨5 0 4 m 钢桁梁斜拉桥，双塔三索面三 主桁结构，铁路桥面为纵横梁体系，并结合整体道砟槽板。设双层桥面，上层 为6 车道公路，下层为4 线铁路，其中2 线客货共线、2 线客运专线，列车设 计时速为2 0 0 k m 。 南京大胜关长江大桥时主跨为3 3 6 m 钢桁拱桥，两联拱三主桁结构，铁路 桥面为整体桥面。单层桥面设计为6 线铁路，其中2 线城市轻轨、2 线客货共 线、2 线高速，高速列车设计时速3 0 0 k m 。 上述桥梁的共同点是钢桁结构为主梁形式，根据需要分别采用钢桁拱或斜 拉索来提高跨越能力。跨度较小时钢桁梁将是桥梁刚度的主要提供者，随着跨 度的逐渐增大，斜拉索和钢桁拱将承担更大的受力，直到成为刚度的主要提供 者。铁路桥面倾向于更多地采用整体桥面，这样的结构有利于桥面系( 包括混 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 凝土道砟槽板) 参与共同受力，从而将单纯的局部受力构件转变成参与整体受 力的构件。 应该说，我们所采用的桥式很好的解决了桥梁跨度和刚度的矛盾，既实现 了大的跨越、又提供了足够的安全性和舒适性。但是当建桥条件出现很大的不 同，或是面临更大的跨越要求时，我们仍需要研究、应用新的桥式。我国标志 性的大跨度铁路桥梁主要有以下几座，其中，九江长江大桥虽不是高速铁路桥 梁，但其深水基础施工的成套技术以及高强钢材的应用，至今对高速铁路桥梁 的应用仍有借鉴意义。 图1 1九江长江大桥 图卜3 天兴洲公铁两用长江大桥 r 浔孵秭唧o 图1 2芜湖长江大桥 图1 4南京大胜关长江大桥 图l - 5郑州黄河公铁两用大桥图1 6宜昌长江铁路大桥 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图1 - 7 渝怀铁路重庆长寿长江大桥 1 4 本文研究工作 本文在结合国内外高速铁路桥梁的发展，根据近几年来我国高速铁路大跨 度桥的实践，针对大同至西安铁路运城至西安段晋陕黄河特大桥，提出了5 种 桥式方案，主要从桥梁结构受力行为、动力性能、施工难度、景观效果、工程 造价等多方面进行了分析比较。本文主要研究内容如下： 第一章首先简述了高速铁路大跨度桥梁的特点，随后对高速铁路大跨度桥 梁的跨度与桥式方案进行了介绍，最后对我国大陆跨长江、黄河大跨度铁路桥 梁的实践进行了介绍。 第二章首先详细介绍了大同至西安铁路运城至西安段晋陕黄河特大桥的 基本资料，主要包括了该桥的地理位置、河流特征、水文资料以及工程地质资 料。然后从设计原则、桥梁跨度的确定、主桥桥式方案以及联长的选择四个方 面对该桥的总体设计进行介绍。 第三章分别对主桥进行了五个桥式方案( 单t 刚构钢桁加劲组合结构、部 分斜拉桥、连续梁边孔加拱组合结构、下承式连续钢桁梁、空腹连续刚构) 的 比较分析，主要从桥梁结构受力行为、动力性能、施工难度、景观效果、工程 造价等多方面进行了分析比较，结合轨道分析计算结果，推荐采用方案单t 刚 构钢桁加劲组合结构。 第四章对推荐方案单t 刚构钢桁加劲组合结构对行了进一步的评述，主要 包括了桥式布置及平纵断面设计、主桥上下部结构、引桥以及导冶建筑物等水 工设施和防护措施，最后介绍了推荐方案的主要施工方法，并给出了安全施工 的意见。 第五章总结了本文在实际应用方面的成果，对将来有待更进一步研究的问 题给出了建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章工程背景 2 1 基本资料 2 1 1 地理位置、河流特征 2 1 1 1 桥址地理位置 该桥为大同至西安铁路运城至西安段晋陕黄河特大桥，桥址位于陕西省与 山西省交界处禹门口至潼关段黄河上，近东西向跨越黄河，东侧位于山西永济 市张营镇小樊村，右岸位于合阳县黑池镇北廉村附近，即黄河小北干流黄淤 5 4 断面与黄淤5 3 断面之间，桥轴线与洪水主流夹角约为8 2 0 ，桥址处地形平 坦，地势开阔，河道宽阔，河床宽浅，主河槽摆动不定。东岸运城侧桥台位于 黄河三级阶地上，西岸西安侧桥台位于黄土台塬边上，与黄河一级阶地间形成 明显的陡坎，高差分别约为5 0 m 和4 0 m 。桥梁大部分坐落于黄河一级阶地、 漫滩及河床区。桥址两侧与临风公路及10 8 国道等公路干线毗邻，但其间多数 桥墩坐落于黄河滩地，特别是陕西侧部分桥墩需穿越大片黄河湿地，交通不便。 2 1 1 2 河流特征 ( 1 ) 流域概况 禹门口至潼关河段位于黄河中游，是内蒙古托克托县河口镇至潼关黄河北 干流的下段部分，称小北干流，全长l3 2 5 k i n 。该河段属淤积性游荡型河道， 具有洪水峰高量大，含沙量高的特点。泥沙大量淤积，河道宽浅，水流散乱， 主流游荡不定。 ( 2 ) 河道基本情况 禹潼河段平面形态呈哑铃状，中间较窄、两头较宽。根据河道特性，将其 分为上、中、下三段( 表2 1 1 ) ，桥位位于中段：庙前至夹马口( 黄淤5 4 断 面) ，长3 0 k m ，平均河宽4 o k m 。两岸基岩系第三世纪红土层，抗冲能力强， 河势较稳定。 ( 3 ) 气象及冰清 1 ) 气象 拟建桥位属暖温带半湿润大陆性季风气候区。四季分明，春秋适宜，夏热 多雨，冬寒干燥。详见 l5 m ， ( 待钻孔资料) ，稍密一中密，稍湿，i i 级普通土，s0 = 12 0 k p a ( 稍密) ，s0 = 15 0 k p a ( 中密) 。 ( 3 ) 第四系上更新统冲积层( q3 a 1 ) ： 粉质黏土( q3 a 1 1 ) ：为桥址区主要地层，多呈层状分布，层厚1 12 m ， 灰黄色、红褐色，土质不均匀，黏性一般，硬塑，i i 级普通土，s 0 = 1 5 0 k p a 。 粉土( q3 a 1 2 ) ：呈透镜状分布，层厚2 5 m ，黄褐色，土质不均，密 实，饱和，i i 级普通土，s0 = 15 0 k p a 。 砂质黄土( q3 a 1 3 ) ：为运城台黄河三级阶地主要地层，层厚 2 5 m ( 待 钻孔资料) ，稍密中密，稍湿，i i 级普通土，s0 - - 12 0 k p a ( 稍密) ，s0 - - 15 0 k p a ( 中密) 。 皇ii i 舅曼曼曼曼詈曼曼皇曼量量曼皇曼量曼曼量曼曼皇曼鼍量量置墨舅| 曼墨置曼置量量舅鼍寰皇曼曼曼曼曼量量量舅量舅量量量皇曼曼量囊置量皇量皇皇暑曼皇曼_ 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 粉砂( q3 a 1 4 ) ：呈透镜体状分布于细砂层中，层厚3 l3 m ，浅灰色为 主，砂质不纯，含少量黏性土，密实，饱和，i 级松土，s0 = 18 0 k p a 。 细砂( q3 a 1 4 ) ：为桥址区上更新统粉质黏土层下主要地层，层厚较大， 钻孔未揭穿，浅灰色，砂质不纯，含较多黏性土，密实，饱和，i 级松土， so = 2 0 0 k p a 。 中砂( q3 a 1 5 ) ：呈透镜体状分布于细砂层中，层厚2 l8 m ，黄褐色、 灰褐色，砂质不纯，含黏性土，密实，饱和，i 级松土，so = 3 0 0 k p a 。 ( 4 ) 第四系中更新统洪积层( q2 p 1 ) ： 砂质黄土( q 2 p 1 3 ) ：为西安台黄土台塬边缘下部主要地层，层厚 2 5 m ， 中密一密实，稍湿，级硬土，s0 = 18 0 k p a ( 中密) ，so = 2 0 0 k p a ( 密实) 。 2 1 3 2 地质构造 桥址处于大的构造单元属中朝准地台渭河断陷盆地和运城沉降带，断裂构 造主要为桥址两侧黄土台塬塬前断裂。 2 1 3 3 水文地质特征 ( 1 ) 地表水特征 桥址处地表水主要为黄河河水，常年有流水，季节性变化明显，枯水期水 量较小，雨季洪水暴涨。主要受上游径流及大气降水补给。据初测地表水水质 分析报告，地表水具氯盐环境，环境作用等级为l 1 。 ( 2 ) 地下水类型及特征 桥址处地下水主要为赋存于第四系全新统松散层中的孔隙潜水，埋深一般 3 m ，在靠近东岸坎处逐渐变深，水量较大，水位变化幅度较小，主要受大 气降水及黄河河水补给。据初测钻孔水质分析报告，地下水具氯盐环境，环境 作用等级为l 1 。 2 1 3 4 不良地质与特殊岩土 ( 1 ) 不良地质 地震液化：桥址区范围内，第四系全新统冲积饱和粉土、细砂、中砂为可 液化土层，液化土层厚约1 3 2 0 m 。 ( 2 ) 特殊岩- i - 桥梁运城台位于黄河三级阶地上，表层为第四系上更新统冲积砂质黄土， 西安台位于黄土塬边缘，表层为第四系上更新统风积砂质黄土，运城台侧黄河 一级阶表层为第四系全