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南广铁路西江特大桥总体设计张华徐升桥彭岚平（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055）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 000kN²s²m-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/（kN²m）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。
综合考虑结构受力、动力性能、制造、施工难度及桥梁美学等因素，最终选取矢跨比1/4。
4.2 拱轴系数比选分别取不同的拱轴系数m为1.2，1.5，1.8进行计算，得到拱肋内力以及全桥动力特性如表2、表3所示。
注：正弯矩表示拱肋下缘受拉，负弯矩表示拱肋上缘受拉；活载正负号表示由活载引起的拱肋最大正负弯矩。
表2 拱肋内力拱脚轴力/kN 拱顶轴力/ m kN 拱脚弯矩/（kN²m）拱顶弯矩/（kN²m）恒载活载1.2 134 120 26 500 93 450 18 900-180 000-36 000/340 000 27 700-3170/恒载活载恒载活载恒载活载72 000 1.5 134 730 26 500 94 160 19 000-87 510-35 010/348 300 61 930-3 050/75 500 1.8 135 100 26 600 94 870 19 100-5 500-35 000/360 000 94 350-5 550/77 000 表3 全桥动力特性阶数不同m下的频率/Hzm=1.2 m=1.5 m=1.8振型特点123 0.372 0.402 0.467 0.3720.401 0.471 0.373 0.396 0.462反对称竖弯桥面横弯拱肋横弯由表2、表3可以看出，拱轴系数m对全桥的动力特性和拱肋轴力基本无影响，但对拱肋弯矩有较大影响，经比选，选取拱轴系数m=1.5。
4.3 拱肋内倾角比选分别取不同的拱肋内倾角对全桥的动力特性进行计算，在相同的桥面宽度、不同的拱肋内倾角的条件下，前5阶振型和频率如表4所示。
表4 不同内倾角的动力特性对比阶数不同拱肋内倾角下的频率/Hz 0.0°3.0°4.8°8.0°振型特点12345 0.326 0.391 0.393 0.565 0.669 0.362 0.395 0.412 0.569 0.695 0.371 0.399 0.458 0.572 0.723 0.378 0.400 0.513 0.575 0.790反对称竖弯桥面横弯拱肋横弯对称竖弯拱肋反对称横弯由表4可以看出，平行拱的横向刚度低于提篮拱，因此推荐采用提篮拱。
对于本方案而言，由于桥面系与拱肋通过支座进行连接，1阶动力特性（桥面横弯）起到控制作用，对于拱肋内倾角不同的提篮拱，1阶频率相差不大，但在桥面系宽度相同的情况下，上、下游拱脚的间距随着拱肋内倾角的增加而有较大增加，通过综合比选，拱肋内倾角采用4.8°。
4.4 横撑数量对比对桥面以上不同的横撑数量进行比选，计算结果如表5所示。
桥面以上不同横撑数量的线性稳定性能如表6所示。
表5 桥面以上不同横撑数量动力特性阶数振型特点1 0.372 0.372 0.374 0.374 0.375 Hz 16道12道10道9道7道不同横撑数量下的频率/反对称竖弯2 0.4 0.401 0.398 0.395 0.379对称横弯（拱肋与桥面同向）3 0.465 0.471 0.453 0.446 0.428对称横弯（拱肋与桥面反向）4 0.57 0.572 0.573 0.573 0.574对称竖弯5 0.742 0.732 0.722 0.695 0.641拱肋2阶反对称横弯+桥面扭转表6 桥面以上不同横撑数量线性稳定性能不同横撑数量下的稳定系数16道12道10道9道7道失稳模态11.6 11.68 10.59 10.37 8.816反对称竖弯通过以上对比，并考虑全桥的整体美观性，桥面以上采用12道横撑。
4.5 刚性吊杆与柔性吊杆比选由于吊杆长度较长，刚性吊杆对结构的刚度基本没有提高；采用刚性吊杆要对吊杆上、下连接处做特殊处理，所以本方案最终采用了柔性吊杆。
4.6 尼尔森体系与平行吊杆体系比选分别对尼尔森体系和平行吊杆体系进行分析，静力、动力特性及线性稳定计算结果如表7-表9所示。
表7 不同吊杆形式下结构竖向位移（平行吊杆/尼尔森吊杆）cm对应桥面一期恒载-20.6/-17.8-11.8/-12.4-38.8/-28 -24.6/工况拱顶1/4拱肋跨中桥面1/4 -19.1恒载（含二恒）-27.3/-23.4-14.8/-15.8-52.7/-36.6-32.7/-25.1最小活载-12.2/-9.2-20.4/-14.3-18.9/-12.5-25.5/-16.8最大活载3/2.116.9/11.2 3/2 16.7/11.2升温30℃20.1/17.6 12.7/11.2 17.4/14.6 10.9/10.2降温30℃-20.1/-17.6-12.7/-11.2-17.4/-14.6-10.9/-10.2恒+活载+降温-55.6/-49.9-44.8/-41.3-85.6/-66.6-65.8/-51.2 表8 不同吊杆形式下结构动力特性振型特点1阶0.372反对称竖弯0.401对称横弯（拱肋与桥面同向）阶数平行吊杆体系频率/Hz 振型特点尼尔森体系频率/Hz 2阶0.401对称横弯（拱肋与桥面同向）0.443反对称竖弯3阶0.446对称横弯（拱肋与桥面反向）0.478对称横弯（拱肋与桥面反向）4阶0.573对称竖弯0.696对称竖弯5阶0.695拱肋2阶反对称横弯+桥面扭转0.734拱肋2阶反对称横弯+桥面扭转表9 不同吊杆形式下结构线性稳定平行吊杆体系尼尔森体系稳定系数失稳模态面内失稳11.68反对称竖弯11.73稳定系数失稳模态反对称横弯面外失稳12.44横向失稳17.17反对称竖弯由表7-表9可以看出，尼尔森体系较平行吊杆体系竖向刚度有了一定的提高，横向刚度影响不大，但是尼尔森体系受力和构造都不如平行吊杆简洁，因此本桥采用平行吊杆。