甬舟鐵路桃夭門大橋方案研究與設計

甬舟鐵路桃夭門大橋方案研究與設計

劉 斌

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

摘 要：甬舟鐵路桃夭門大橋跨越桃夭門水道,根據線形、技術、經濟條件比選,最終確定採用經富翅島與公路橋並行方案,主橋與公路橋對孔布置,一跨跨越通航水域。並對鋼-混結合梁斜拉橋和鋼桁梁斜拉橋進行多方面比選,推薦採用鋼-混結合梁斜拉橋方案,通過對結構進行靜力分析、車-橋及風-車-橋耦合振動分析,驗證結構的安全性和舒適性。研究結果表明鋼-混結合梁斜拉橋適用於高鐵橋樑。該橋型將首次應用於高速鐵路,將為我國鐵路橋樑的設計研究提供借鑒和新思路。

關鍵詞：鐵路橋；斜拉橋；混合梁；橋塔；斜拉索；設計；高速鐵路

1 概述

寧波至舟山鐵路位於浙江省東部沿海地區，西起寧波東站，東至舟山市本島，簡稱甬舟鐵路，甬舟鐵路建設是加快舟山及寧波融入「一帶一路」國家經濟發展戰略的需要。桃夭門大橋位於舟山市冊子島與舟山本島之間，跨越桃夭門水道，是甬舟鐵路的重點工程。

舟山群島屬亞熱帶季風氣候[1]，多年平均氣溫為16.6 ℃，極端最高氣溫40.2 ℃，極端最低氣溫-6.1 ℃，基本風速V10=40.5 m/s。

橋址區屬海島丘陵區，地勢起伏變化大。陸域為基岩裸露、半裸露丘陵區，植被發育，一般分布有厚1.5～2.5 m的第四系殘坡積層，基岩為流紋質凝灰熔岩、晶屑玻屑熔結凝灰岩、安山岩等，岩質較硬，屬硬質岩。場地類別為Ⅱ類，基本地震動峰值加速度為0.10g，基本地震動反應譜特徵周期為0.35 s。

橋位附近航道較為複雜，富翅島西側為桃夭門水道，東側為響礁門水道，兩水道向北過富翅島後交匯於菰茨航門水道。橋位處最大水深達67 m，高潮位3.28 m，平均高潮位1.14 m，平均低潮位-0.75 m，最高設計通航水位3.28 m。

2 主要技術標準

(1)線路等級：客運專線。

(2)速度目標值：250 km/h。

(3)正線數目：雙線。

(4)正線線間距：4.6 m。

(5)最小曲線半徑：一般3 500 m，困難2 800 m。

(6)最大坡度：20‰。

(7)設計活載：ZK活載。

3 橋位選擇(圖1)

甬舟鐵路線路行經至冊子島後，在進入舟山本島之前，需要跨越桃夭門水道、響礁門水道。甬舟高速公路在建造時，為減少跨海工程難度，跨越桃夭門水道後先登陸富翅島，然後跨越響礁門水道，再進入舟山本島。

圖1 橋位方案示意

3.1 影響線位走向的控制因素

(1)甬舟高速公路：甬舟高速公路自金塘島經冊子島、富翅島至舟山本島，在富翅島上建有桃夭門大橋、響礁門大橋和正在建設的富翅門公路大橋。

(2)相關航道：桃夭門水道(2 000 t級海輪)、響礁門水道(500 t級海輪)、菰茨航門水道。

(3)冊子島上桃夭門大橋附近距離線路橋位較近處有正和船廠，製造下水8萬t級船舶。

(4)鎮海至舟山500 kV高壓走廊：高壓走廊經金塘島，跨越西堠門至冊子島，跨越桃夭門至富翅島，跨越響礁門至舟山，在富翅島上有多處高壓鐵塔，線位受其影響較大。

3.2 方案說明

(1)方案1：經富翅島方案

線路經冊子島，在冊子島東端饅頭山並行甬舟高速公路桃夭門大橋北側至富翅島，經富翅島，在富翅島孤翅山南側跨響礁門水道，經響礁門水道下大礁，至舟山本島，在大沙社區東南側設大沙預留站。

(2)方案2：不經富翅島方案

線路經冊子島，在冊子島東端馬柱跨海至舟山本島短樵頭，在小沙社區東側預留大沙站。

3.3 方案比選

從線路的順直性、跨海工程的難易程度、對500 kV電力線路的影響、至洋山港鐵路接軌條件以及工程投資大小等方面出發，研究了經富翅島方案、不經富翅島方案，比較結果見表1。

從表1可以看出，不經富翅島方案線路條件較好，且避開了500 kV高壓電塔位置，但對正和船廠有一定影響；橋位位於桃夭門水道、響礁門水道交匯處，航道條件較差；水中基礎水深較深，施工難度也較大，投資也相應較高。

經富翅島方案受設站影響，需限速200 km/h，高壓電塔位置也需局部調整，但對正和船廠影響較小；橋位處一跨跨越有效通航水域，對航道影響較小；由於水中基本不設橋墩，施工難度也較小，投資也相應較低。

表1 桃夭門大橋橋位方案比較

項目方案1：經富翅島方案方案2：不經富翅島方案線路條件受舟山本島預留大沙站北上條件影響，最小曲線半徑為2000m，需限速200km/h不受舟山本島大沙站站位影響，線路最短，線形較為順直，滿足時速250km/h的要求港口條件遠離正和船廠，對其影響較小經過正和船廠南側附近，對船廠影響較大航道條件與桃夭門公路大橋並行，垂直跨越桃夭門水道、響礁門水道，一跨跨越有效通航水域，對航道影響較小橋位位於桃夭門水道、響礁門水道交匯處，與兩水道夾角均較大，橋墩位於紊流區，不能一跨跨越通航水域，對航道影響較大主跨跨度主跨580m，與公路橋對孔布置與桃夭門水道夾角63°，主跨需650m公路、高壓線路影響與甬舟高速桃夭門大橋距離50m，影響較小；與500kV高壓電塔中心距離僅有36m，需要調整電力線路的位置與甬舟高速桃夭門大橋最小距離360m，基本無影響；與500kV高壓電塔最近距離約233m，避開了高壓鐵塔的位置施工難度跨越桃夭門水道、響礁門水道均在水面最窄處，橋塔基礎基本在岸邊，施工難度較小海上橋樑長度18km，基礎最大水深41m，施工難度較大工程投資橋塔基礎在岸邊，避免了水中施工，投資較低跨海長度較長，基礎水深較深，投資較高

經綜合比選，桃夭門大橋橋位推薦採用經富翅島方案。

4 橋型選擇

推薦採用的橋位方案與既有的桃夭門公路大橋並行，公路橋為7跨連續雙索麵半漂浮體系混合式斜拉橋，為解決與高速公路橋對孔要求[2]，橋跨布置為(48+48+50+580+50+48+48)m[3]。通航論證要求鐵路橋主跨一跨跨過通航水域，與橋址南側50.0 m處的既有桃夭門公路大橋對孔布置。根據橋位處特點，本橋橋式方案的選擇思路為：滿足功能使用、結構合理、造價經濟的原則[4]。基於上述原則，可供比選的橋式方案有：鋼箱混合梁斜拉橋、鋼桁梁斜拉橋，對以上2種橋型進行比較分析。

4.1 方案1：鋼箱混合梁斜拉橋方案

近年來，混合梁斜拉橋因其良好的力學特性，經濟性以及優美的造型[5]，已成為大跨度橋樑最有力的競爭橋型[6]。方案1主橋為(48+48+48+50+580+50+48+48+48)m鋼箱混合梁斜拉橋(圖2)，邊、中跨比為0.33，索塔採用鑽石形塔身，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱和下橫樑，索塔總高度為228 m，主梁為鋼箱混合梁，斜拉索在主樑上的標準索距為10 m，基礎為鑽孔灌注樁。

圖2 鋼箱混合梁斜拉橋方案立面布置(單位：m)

4.2 方案2：鋼桁梁斜拉橋方案

主橋為(116+203+580+203+116)m鋼桁梁斜拉橋(圖3)，由於鋼桁梁需邊、中跨對稱安裝，該方案較方案1邊跨相對較長。主梁採用鋼桁梁，N形桁布置，桁高15.2 m，節間長度14.5 m，主桁間距26 m，斜拉索錨固在主桁架上弦節點處。鐵路橋面採用正交異性鋼橋面板，密橫樑體系。橋塔為混凝土結構，索塔總高度為210 m，基礎為鑽孔灌注樁。

圖3 鋼桁梁方案立面布置(單位：m)

表2 桃夭門大橋橋型方案比較

項目方案1：鋼箱混合梁斜拉橋方案2：鋼桁梁斜拉橋主梁抗風性能有平板特性，有利於抵抗彎扭耦合振動，渦激振動容易發生抗扭顫振較好，渦激振動不易發生豎向剛度豎向剛度稍小，但滿足使用要求豎向剛度較大施工難易程度由於由板構件組成的關係，標準化大量生產較容易；主梁施工較方便，構件加工簡單，吊裝設備要求低桿件較多，節點構造複雜，標準化大量生產較困難；主梁施工稍複雜，桿件拼裝要求高，吊裝設備要求較高施工周期鋼箱梁節段之間採用焊接，施工周期相對較短鋼箱梁節段之間採用栓接，施工周期相對較長養護難易程度平面構件，易於油漆噴塗構件太多，油漆等維修較困難經濟性主梁用鋼量小，經濟性好主梁用鋼量大，經濟性稍差景觀性與公路橋樑型一致，景觀性好與公路橋樑型不一致，景觀性較差

鋼桁梁斜拉橋豎向剛度大，抗風性能好[7]，但施工複雜，養護維修要求高；鋼箱梁通過風洞試驗後完全可以滿足抗風性能發要求，豎向剛度雖不及鋼桁梁大，但同樣滿足使用要求，且鋼箱梁施工簡便，養護相對容易，經濟性、景觀性都較鋼桁梁優(表2)。經綜合比選，最終採用鋼箱混合梁斜拉橋方案。

5 主橋結構構造

主橋採用主跨580 m兩塔鋼箱混合梁斜拉橋結構，橋跨布置為(48+48+48+50+580+50+48+48+48) m鋼箱混合梁斜拉橋，鋼-混凝土分界點位於主梁中跨側距橋塔28.5 m處，除中跨523 m採用鋼箱梁外，其餘均採用預應力混凝土箱梁。索塔位置設雙向滑動支座的半漂浮體系，過渡墩和輔助墩採用縱(雙)向活動支座，在索塔處設置橫向抗風支座，以限制主梁的橫向位移，在主塔處設縱向阻尼器。縱向限位阻尼器在制動力、風荷載、地震荷載工況下鎖定，在其他荷載工況下不發生作用。

5.1 主梁

主梁採用氣動性能較好的整體扁平鋼箱梁[8]，邊跨採用混凝土箱梁，箱梁寬26.4 m(除風嘴)，高4.0 m。

混凝土箱梁為單箱四室截面，中室梁頂板、底板厚度均為42 cm，邊室頂板、底板厚35 cm，直腹板厚46 cm。混凝土箱梁每6～7 m布置1道厚36 cm的橫樑，與斜拉索位置對應設置。混凝土箱梁橫截面見圖4。

圖4 混凝土箱梁橫截面(單位：cm)

中跨採用流線形扁平鋼箱梁，截面外輪廓尺寸與混凝土箱梁相同。箱梁頂、底板均採用U肋和橫隔板垂直交叉的正交異性板結構體系，正交異性板既是縱橫樑的上蓋板，又是橋面荷載傳遞到箱樑上的構件[9]。根據受力和剛度過渡要求，鋼箱梁在不同區段採用了不同的板厚。頂板U肋高280 mm，厚8 mm，間距600 mm；底板U肋高250 mm，厚6 mm，間距900 mm。為加強橋面板剛度，減少橋面板變形對鋪裝層的不利影響，橫隔板間距確定為2.5 m。鋼箱梁橫截面見圖5。

圖5 鋼箱梁橫截面(單位：cm)

鋼箱梁標準節段長10.0 m，跨中合龍段長5.0 m，過渡段長4.8 m。鋼-混結合段全長13.8 m[10]，其中混凝土箱梁過渡段長3.0 m，混凝土實心段長2.0 m，鋼-混過渡段長4.0 m，鋼箱梁過渡段長4.8 m。

5.2 橋塔

主塔採用鋼筋混凝土結構，鑽石型塔身，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱和下橫樑，索塔總高度為228 m。橋面以上塔髙185.0 m，橋面以下塔高43.0 m，橋面以上塔的高跨比為1/3.135。橋塔縱向尺寸由塔頂的9.0 m變化到塔底的14.0 m。

上塔柱斜拉索錨固區橫橋向寬9.0 m，中塔柱為兩分離式傾斜塔柱，每柱橫橋向寬5.2 m，下塔柱亦為兩分離傾斜塔柱，每柱橫向寬度由5.2 m漸變至9.0 m。中塔柱和下塔柱在塔梁交接處設下橫樑，下橫樑採用預應力混凝土結構。

5.3 斜拉索

斜拉索採用標準強度為1 860 MPa鋼絞線斜拉索[11]，扇形布置，空間雙索麵體系，全橋共224根斜拉索。斜拉索在樑上間距為9.0～10.0 m，塔上間距為2.0～4.5 m。斜拉索在梁端設外置式阻尼器以抑制風雨振，並在其下端高2.5 m的範圍內外包不鏽鋼管。根據索力的不同，共設計7種規格的斜拉索。

5.4 主塔基礎

橋塔下部採用整體式承台，長、寬分別為37.0 、27.0 m，塔柱底座高3.0 m，承台高6.0 m。每個承台下設24根φ3.0 m鑽孔灌注樁，樁基呈行列式布置，縱、橫向分別布置4排、6排，縱向樁中心距7.0 m，橫向樁中心距6.8 m。橋塔樁長25.0 m，樁底持力層均為凝灰岩。

6 主橋結構檢算

採用MIDAS Civil有限元程序進行計算，按施工流程逐階段計算結構各截面內力、應力和位移。計算荷載包括恆載、列車活載、混凝土收縮徐變、預應力、溫度變化、風載、列車制動力、支座沉降等。

混凝土箱梁及鋼箱梁在施工、運營階段應力見表3。

表3 主梁應力 MPa

階段混凝土箱梁應力鋼箱梁應力上緣(最大/最小)下緣(最大/最小)頂板(最大/最小)底板(最大/最小)施工階段-1135/-051-1023/-054-3898/215-2261/231運營階段-1686/-074-2079/-087-11023/2816-9864/7658

註：負值表示受壓。

由表3可知，在施工階段、運營階段主梁均處於受壓狀態，混凝土箱梁最大壓應力為20.79 MPa，最小壓應力為0.51 MPa，均滿足規範要求；鋼箱梁頂板第一體系最大應力為110.23 MPa，與第二體系、第三體系應力疊加後仍滿足規範要求。

分別檢算上塔柱、中塔柱、下塔柱施工和運營階段橋塔的強度，控制截面最大應力見表4。由表4可知，塔柱各施工、運營階段均處於受壓狀態，安全性有保證。

表4 橋塔控制截面最大應力 MPa

階段上塔柱中塔柱下塔柱施工階段-395-591-544運營階段主力-701-946-892主+附-745-1138-1069

註：負值表示受壓。

斜拉索在最不利荷載組合作用下，最小安全係數2.85，疲勞應力幅119 MPa，均滿足安全要求。

中跨跨中靜活載豎向撓度0.816 m，撓跨比1/710；梁端轉角0.346‰rad；列車搖擺力、風力、溫度作用下的梁體水平位移0.112 m，撓跨比1/5 178。經車-橋及風-車-橋耦合振動分析驗證，橋樑結構和列車系統的各項動力響應均在容許值以內，旅客乘坐舒適度指標均達到「良好」標準以上，說明結構整體剛度控制合理。

7 主橋施工步驟

邊跨及中跨30 m長混凝土箱梁採用支架現澆，中跨鋼箱梁採用節段吊裝施工[12]。施工步驟如下：採用常規方法施工下部結構及塔柱；採用支架現澆法施工混凝土箱梁[13]；利用橋面吊機吊裝施工鋼箱梁節段[14]；按設計順序安裝、張拉斜拉索，直至全橋合龍；調整斜拉索索力[15]，完成橋面附屬工程施工；進行荷載試驗，交付運營。

8 結語

甬舟鐵路桃夭門大橋主橋採用(48+48+48+50+580+50+48+48+48)m斜拉橋，主梁為鋼箱混合梁，首次在高速鐵路斜拉橋橋上採用，將為我國鐵路橋樑的設計研究提供借鑒和新思路。

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The Research and Design of Taoyaomen Bridge on Ningbo-Zhoushan Railway

LIU Bin

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China)

Abstract：Taoyaomen bridge on Ningbo-Zhoushan Railway spans Taoyaomen Waterway. According to the comparison of the linear, technological and economic conditions, the bridge scheme is finally determined to cross Fuchi island and run parallel to the highway bridge. The main bridge is arranged with its aperture in line with that of the highway bridge and crosses the navigable waterway by one span. The multiaspect comparison of the steel-concrete composite beam cable stayed bridge with the steel truss cable-stayed bridge recommends the former and its safety and comfort are verified through static analysis of the structure and the analysis of wind-vehicle-bridge system coupling vibration. The research results show that the steel-concrete composite beam cable stayed bridge is suitable for high speed railway. This type of bridge will be employed the first time on high speed railway and may provide reference and new concept for railway bridge design.

Key words：Railway bridge; Cable-stayed bridge; Hybrid girder; Pylon; Stay cable; Design; High speed railway

收稿日期：2016-10-14；

修回日期：2016-10-21

作者簡介：劉 斌(1962—)，男，高級工程師，1983年畢業於西南交通大學鐵道橋樑專業，工學學士，E-mail：Liubin7983@vip.sina.com。

文章編號：1004-2954(2017)05-0077-05

中圖分類號：U442.5

文獻標識碼：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.05.017

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