第一节　南京大胜关长江大桥

南京大胜关长江大桥是京沪高速铁路中的第一大控制性桥梁工程，是京沪高速铁路、沪汉蓉铁路、南京地铁六线轨道交通共用的跨江通道。大桥全长9.273km，主桥由两联（84+84）m连续钢桁梁和一联（108+192+2×336+192+108）m三主桁双连拱整体桥面钢桁连续梁组成。桥梁设计速度为京沪高速铁路300km/h、沪汉蓉铁路250km/h、南京地铁80km/h，对应的设计活载分别为ZK活载、中—活载、B型车辆活载。桥梁通航净高不低于24m且单孔单向净宽不小于280m，桥址区域地震动峰值加速度为0.15g。

一、总体设计

1.横断面布置

主桥采用整体桥面供四线铁路运营，下游侧通行京沪高速铁路，上游侧通行沪汉蓉铁路。由于高速铁路正线与沪汉蓉铁路采用独立的养护维修管理机制，员工走道均需设置人行道栏杆，考虑承重主桁1.4m的结构宽度，高速右线与沪汉蓉左线最小线间距为10.2m，主桥采用2×15.0m的三桁布置（图4.2.1）。地铁布置于主桁两侧，仅外侧设置员工走道，地铁与京沪高速铁路正线最小线间距为8.2m，地铁与沪汉蓉铁路最小线间距为8.4m。

由于三条铁路的设计限界各不相同，除主桥钢桁梁外，合建引桥以及北高速引桥采用分幅桥面布置。对应钢桁梁2×15.0m的主桁间距，南北合建区引桥（图4.2.2）两幅预制箱梁预留1.8m的施工间距，以满足梁体安装空间要求。设计参考国内外分建桥梁施工的成功经验，取3倍钻孔桩直径作为北高速引桥基础钻孔桩施工的安全距离。

2.桥跨布置

桥位处江面常水位宽约1400m，南北两岸长江第一道防洪大堤间距1960m、外侧防洪大堤间距2808m，六线合建桥梁范围包括通航区域主桥、北岸浅滩区桥梁与跨长江大堤桥梁，桥梁全长至少在2.8km以上。主河槽通航区域主桥的孔跨布置，重点是适应航道的变化，同时考虑船舶的习惯航路并兼顾河道形态、主河槽深泓位置等因素，须采用大跨度以满足通航要求。非通航区域桥梁，须根据河道特征、水流特性考虑孔跨布置，满足水利与防洪要求。

经桥式方案比选，主河槽通航区采用“两主+两副”的单向通航方案，即（192+336+336+192）m；水域非通航区为北岸河床高程-5.0m的等深线以上水域部分，孔跨布置不受通航净空控制，过洪断面比例较小，按照长江水域已建桥梁的工程经验及水利与防洪要求，可选择80m以上跨度桥梁；北岸浅滩区地面高程在4.0m左右，过洪断面所占比例极小，可选择跨度30～40m的桥梁。

南京市是国家确定的首批重点防洪城市，防洪工程为一等一级工程，城区堤防按有台风影响的设计水位考虑，郊区堤防按无台风影响的设计水位考虑。桥址处长江干堤超设计水位2.0m，堤顶宽8～12m，跨长江大堤桥梁基础必须布置在大堤堤脚安全范围以外。经水利部门同意，考虑适当的工程措施后，跨长江大堤桥梁孔跨按跨度大于60m布置。

综合考虑上述因素，京沪高速铁路南京大胜关长江大桥主桥采用大跨度连续钢桁拱与钢桁连续梁桥覆盖常水位全部水域范围（图4.2.3），引桥主要采用32m简支箱梁，跨南北两岸大堤、浦乌公路及南岸电厂排水箱涵采用预应力混凝土连续箱梁。全桥孔跨布置如下：

北高速引桥：24-32m简支箱梁+（40+2×44+40）m连续箱梁（跨浦乌公路）+142-32m简支箱梁；

北合建区：（44+68+44）m连续箱梁（跨北岸大堤）+32-32m简支箱梁；

主桥：2×（84+84）m连续钢桁梁（长江北浅水区域）+（108+192+336+336+192+108）m六跨连续钢桁拱桥（长江通航水域）；

南合建区：（37+60+37）m连续箱梁（跨南岸大堤）+32m简支箱梁+（37+60+37）m连续箱梁（跨电厂排水箱涵）+17-32m简支箱梁。

其中，六线合建段长度3.674km，主桥钢梁长度1.615km，大桥总长9.273km。

3.桥上无缝线路轨道设计

针对桥梁孔跨布置的特点，南京大胜关长江大桥无缝线路纵向力专题研究提出了多个无缝线路结构方案，且对各结构方案进行无缝线路纵向力分析，并采用各方案纵向力的计算结果对轨道结构、桥梁结构进行受力检算，最终确定桥上无缝线路轨道的布置方案。

为适应桥上无缝线路轨道安全受力需要，不设或少设伸缩调节器，最大限度地提高桥上轨道的平顺性，分别在主桥三联钢桁梁的中部1号、3号、7号墩设置固定支座（图4.2.3），跨两岸大堤、排水箱涵混凝土连续梁固定支座布置在下坡方向的中墩上，跨浦乌公路混凝土连续梁固定支座布置于梁体对称线的中间桥墩。因此，联长1275m的六跨连续钢桁拱桥与2×84m钢桁梁间的温度跨长为721.5m，与跨南岸大堤（37+60+37）m混凝土连续梁间的温度跨长为734.5m；联长170m的两联2×84m钢桁梁间的温度跨度长170m，钢桁梁与32m简支梁间的温度跨长为117m；跨浦乌公路（40+2×44+40）m混凝土连续梁与32m简支梁间的温度跨长为116m；跨北岸大堤（44+68+44）m混凝土连续梁与32m简支梁间的温度跨长为112m；跨南岸大堤及箱涵（37+60+37）m混凝土连续梁与32m简支梁间的温度跨长为97m。显然，钢桁梁、混凝土连续梁与32m简支梁间的温度跨度均小于120m，无须设置钢轨伸缩调节器。

大胜关长江大桥采用的桥上轨道布置如下：

（1）仅在六跨连续钢桁拱桥的两个活动端设置钢轨伸缩调节器，每线2组，分别铺设在与钢桁拱相邻的2×84m钢桁梁和（37+60+37）m混凝土连续梁上。这样一来，两组调节器间无缝线路的长度与钢桁拱桥的联长基本一致。计算表明，这种轨道布置方案的高速行车性能最优。

（2）在两联连续钢桁梁、六跨连续钢桁拱以及与主桥相邻的南岸引桥两联（37+60+37）m混凝土连续梁及中间一孔32m简支梁桥上采用小阻尼扣件，其余区段则采用大阻力扣件。

上述轨道布置的优点是无缝线路长钢轨长度较长，钢轨调节器设置数量较少，有利于高速列车安全运营，便于线路养护维修，但局部区段桥梁和无缝线路长钢轨的附加纵向力较大。

二、主桥结构设计

1.上部结构设计

京沪高速铁路大胜关长江大桥主桥由北岸浅水区两联2×84m的连续钢桁梁和主通航孔桥一联（108+192+336+336+192+108）m双连拱连续桁梁组成，全长1615m。

1）双连拱

大胜关长江大桥规划建设初期，桥位下游1.55km处的南京三桥已经开工建设，而南京三桥采用了648m的主通航孔，因此，该桥的孔跨布置需要考虑包括南京三桥在内的习惯性航路，桥型方案必须满足通航要求。

按通航要求确定孔跨布置，无论是采用三塔斜拉桥还是采用336m主跨的梁式桥，其竖向刚度都难以满足高速列车运行要求。然而，两跨336m主跨采用竖向刚度大的钢桁拱结构，两侧跨度稍小的边跨采用连续钢桁梁，二者平顺连接形成的六跨连续钢桁拱—桁梁组合结构，桥型优美流畅，结构刚度大，可满足桥上列车高速运行与桥下船舶顺利通航的要求，实现桥型与桥梁使用功能的完美融合。因此，大胜关长江大桥最终采用了刚劲有力、优美流畅的双连拱造型，在众多铁路桥梁给人以体量庞大、结构粗壮的普遍印象中脱颖而出，宛如京沪高速铁路线上的一朵奇葩。

主跨336m钢桁拱矢高84.2m，矢跨比1/4，拱轴线采用抛物线，从拱趾到拱顶总高96.2m，跨中处桁高12.0m。连续钢桁拱的端跨和边跨240m范围为平弦桁架，桁高16.0m，节间长12.0m，桁式为N形。192m边跨的上弦以变高桁匀顺过渡与拱上弦衔接，下弦用加劲弦与拱桁连接。因为主墩附近拱桁较高，斜、竖杆交角较小，为使节点设计合理，在6号、7号、8号三个主墩两侧各60m范围内的4个节间，长度调整为13.56～15.72m。

2）三主桁

双线铁路宽度一般为12.8～13.4m，计入结构尺寸一般在15m左右。当桥上通行四线铁路且主跨达到336m时，若采用并行的两座双线桥梁，桥梁的横向刚度将难以满足列车运行要求；若布置成四线同层并行，桥梁横向宽度达30m，宽跨比满足大于1/20的规范要求，采用适当的联结系布置，可获得较大的横向刚度，对高速行车有利，但对横向构件（尤其是桥面荷载较大时）的受力不利。大胜关长江大桥在两条铁路线之间设置中间主桁，形成三主桁空间桁架结构，三片主桁共同承受竖向荷载，方便地解决了多线铁路横向刚度与横向构件受力方面的难题。通过主桁、平联、横向联结系、桥面结构的合理布置与设计，做到了三片主桁受力均匀。计算表明，除三片主桁吊杆存在中间吊杆受力较大外，三片桁架的拱肋杆件受力分配较为均匀，中主桁内力与边主桁内力之比在跨中部位一般在1.05以下，在支点部位也不超过1.13。

三主桁空间桁架结构桥面总宽41.6m，桁宽2×15m，采用双幅布置，分别设双向2.0％横坡。主桁下游侧为两线京沪高速铁路（线间距5.0m），上游侧为两线沪汉蓉铁路（线间距4.6m），边主桁外侧设5.8m的悬臂托架通行南京地铁。

3）板桁组合结构与整体钢桥面系统

传统铁路钢梁桥中的格子梁体系明桥面系统整体性差、质量轻，最大运行速度难以超过140km/h。因此，高速铁路大跨度钢梁桥均采用道砟桥面，以增加桥面的质量和阻尼，保证高速列车的运行安全和乘坐舒适。

高速铁路钢桥道砟桥面的支撑结构或为“格子梁+混凝土板”的结合梁，或为正交异性板结构。大跨度公铁两用钢桥采用钢梁作为加劲梁时，由于有较宽的公路桥面结构提供横向抗弯刚度，铁路桥面可以有较为灵活的选择方案。单纯的铁路钢桥，尤其是大跨度高速铁路钢桥，则需要采用正交异性板作为桥面支承结构来提供足够的横向抗弯刚度并增强桥面的整体性。

大胜关长江大桥主桥在国内首次采用下承板桁组合结构，将箱形下弦杆与正交异性钢桥面相连接，在节间范围内布设多道横梁并采用小刚度纵梁与纵肋，使得桥面板结构受力均匀、变形协调。在细节构造上，采用主桁节点板穿过桥面板方式保证节点板的竖向传力要求，在桥面板开槽孔使节点板穿过且实施围焊来保证桥面板的横桥向传力要求，焊接完成后将焊缝打磨匀顺并进行必要的锤击处理以使焊缝均匀连续。

4）主桁构造及构件设计

三片主桁中，中主桁受力比边主桁约大10％，因此在主桁杆件的截面设计中，中桁杆件截面稍大于边桁，两边主桁结构对称布置。

为节省钢材，主桁杆件的宽度作了两次改变，84m桁梁及桁拱两端杆件内宽600mm，拱桁平弦E3～E16节点范围的杆件内宽1000mm，其余节间及拱弦宽1400mm，杆件高度分别为1000mm、1200mm、1400mm和1820mm。由于整体结构中的杆力相差悬殊（主桁最大杆件的杆力达93.3MN，杆件内力小的仅0.3MN），除了几个主墩的支承节点和拱与系杆相交的特殊节点采用Q420qE60～68mm厚钢板外，其余节点板钢板的厚度在60mm以下，杆件的板厚一般在52mm以下。

主桁弦杆一般采用箱形和箱形带4条加劲肋截面，拱肋下部受力最大的箱形弦杆增加到8根加劲肋（图4.2.4）。最大拱肋杆件重约110t。杆力大的腹杆为箱形截面，截面内高1000mm以下，与节点板及节点内的隔板四面对拼连接；杆力小的腹杆为H形截面，杆件宽度较节点板净距小2.0mm，插入节点板间连接，杆件高960mm以下，腹杆的板厚不超过52mm。最长的单根竖杆长24.2m，采用整根制造。最长的吊杆长约52m，分三段制造，在工地拼装。

以往的桁拱结构一般设计为散拼节点。为加强结构的整体性，大胜关长江大桥主桁杆件的节点连接设计为整体焊接节点。整体节点在工厂制造，用焊接方式把杆件和节点板连成一体，工地架设时在节点板以外用高强度螺栓将整体节点与杆件拼接。由于节点板较大，拼接缝离节点中心较远，拱桁杆件间的夹角较平弦大，若采用以往的整体节点在拼接缝中心弯折的做法，将会对杆件尤其是压杆产生不利的附加弯矩。为了保持节点之间杆件顺直，弯折点设在节点中心。由于拱桁整体节点的制造精度控制钢桁拱的线形，整体节点制造过程中的尺寸与精度控制甚为关键。

5）桥面系构造及设计

采用板桁组合结构的整体钢桥面，将主桁弦杆、纵横梁连成一体，由纵、横肋加固的正交异性钢桥面板和主桁的下弦杆顶板焊接成一体。这样使桥面板直接参与弦杆的受力，均匀地传递下弦平面的内力，既解决了横梁面外变形的问题，也改善了桥面系的受力状况，保持了桥面结构的连续完整和行车的平顺性。

设计中将主桁箱形下弦杆的上水平板加宽400mm，伸过弦杆竖板与16mm厚的桥面顶板以不等厚对接焊连。遇主桁节点处，在弦杆的上水平板上开槽，开槽端部避开节点板的圆弧起点100mm以上，让节点板从槽中穿出，使节点板保持为一个整体。节点板两侧及开槽的端部以熔透焊缝与弦杆上水平板焊连，使桥面板有效地和下弦杆、主桁节点板连接。在厚16mm的钢桥面顶板之下，横桥向每隔600mm焊有高260mm、厚6mm的U形纵肋。在每条线路的轨道之下焊有500mm高的倒T形纵梁，遇横梁、横肋腹板时开孔穿越。顺桥向每隔3.0m设一道倒T形横肋，横肋的高度与主桁下弦杆相等，翼、腹板均和弦杆杆件焊连。在主桁节点处横桥向焊有2.0～2.4m的横梁，横梁的腹板与主桁的节点板用焊缝连接，腹板上缘与桥面板焊连。由于在节点处横梁的端弯矩较大，弦杆顶面与桥面板平齐，主桁节点板需适应横梁的高度而向下加高，与横梁下缘对齐后焊接。

桥面板采用分块制造和安装。每节间的桥面板横桥向分为五块，由三片主桁下弦杆侧面的三条焊连桥面板接头和位于两桁间的两块桥面板组成。两桁间的桥面板块宽11.76m，面积和重量较大，为了便于制造和安装，将其沿纵桥向又分成长度分别为8.26m和3.74m的两段，最重块件约33t。桥面板各板块均为焊接连接，纵横梁间采用高强度螺栓栓接。

6）联结系构造及其构件设计

上平联和拱肋的下平联为交叉式斜杆构造，斜杆为工字形截面，截面的高和宽均为460mm。横撑杆为箱形截面，高460mm，宽520mm。每个节间均设横向联结系，为双交叉形，以增强结构的横向刚度，利于荷载在三桁间的分配。杆件截面都是H形，高500mm，宽400mm或460mm。加劲弦平联由于受力大，截面尺寸为900mm×1000mm及600mm×700mm的箱形杆件。

7）轻轨托架及纵梁

轻轨托架悬挑在下弦边主桁的外侧，与节点处的横梁等高，为焊接的工形板梁。轻轨纵梁为一组高1.0～1.2m的工形梁，间距2.0m，其间用联结系角钢相连。

8）吊杆

为抑制吊杆风致振动，采取以下三种措施：

（1）摒弃传统的H形截面，采用箱形截面，既增加了截面刚度，又提高了吊杆的自振频率；

（2）从优化吊杆的气动外形着手，将箱形截面4边倒角成8边形截面，从而提高了涡激振动发生的风速；

（3）设计时预留阻尼器安装位置，待成桥后实测吊杆频率和阻尼，根据需要加装阻尼器。

9）铁路混凝土道砟槽

铁路混凝土道砟槽分别置于两片主桁的中间。上游沪汉蓉铁路道砟槽净宽9.0m，下游京沪高速铁路道砟槽净宽9.4m。道砟槽为钢筋混凝土结构，底厚15cm，布上下两层ф12mm钢筋网，采用C40混凝土，设6cm厚防水耐磨层。挡砟墙高1.235m，上端厚20cm，底部厚25cm。钢桥面板顶焊接ML15的ф19mm×100mm圆柱头栓钉与道砟槽底板结合成一体。栓钉间距40cm×50cm（横向×纵向），道砟挡墙下横向加密至20cm，梁端纵向加密至20～25cm。道砟槽纵向不设断缝。

10）钢梁的防腐及涂装

按照《铁路钢桥保护涂装》（TB/T1527—2004）第7套涂装体系涂装。

2.下部结构设计

主桥基础设计主要考虑以下因素：

（1）主桥基础必须满足高速列车行车安全性、旅客乘坐舒适性对桥梁总体刚度的要求。

（2）主桥基础设计力求技术先进、施工方便可靠，既要结构性能优越又要实施顺利，适应京沪高速铁路全线总工期的要求。

（3）桥墩基础设计时，需将通航孔主墩基础顶面高程置于-7.0m以下，以减少阻水面积，同时在最低水位亦能保证满载船舶底面不与基础接触。

（4）针对桥址处深泓仍存在一定摆幅及断面深槽呈下切趋势的河演特点，主墩应埋设足够深度，最大限度地满足深泓摆动及河床下切的需要，既不影响上下游河势发展，亦不致抬高河床侵蚀基准面。

1）墩位地质评价

主桥段覆盖层的第①、②、③大层主要为松散、中密状的粉、细、中、粗、砾砂及软塑、流塑状的粉质黏土、淤泥质粉质黏土，承载力低，工程性能差，不适合作为基础持力层。第④大层主要由密实状的中、粗、砾砂及圆砾土组成，厚度6.8～21.95m，工程性能较好，但厚度不稳定，由于桥梁跨度及荷载大，更因为主桥段处于长江河槽及低漫滩，基础受水流冲刷影响较大，所以第④大层亦不适合作为基础持力层。因此，在主桥段只能以基岩作为桩基持力层。

主桥段基岩强度低，属于软～极软岩，钻孔桩设计宜按以摩擦为主的端承桩考虑，桩尖应置于微风化基岩中一定深度。其次，基岩具有遇水软化崩解及失水干裂的特性，钻孔桩成孔过程中要尽量缩短钻进时间，成孔后立即浇筑混凝土，避免岩石在空气中暴露或在水中浸泡过久而导致强度降低。

主桥段除8号墩外均有较厚的砂层，桩基成孔过程中砂层易发生流砂、塌孔等现象。6号墩下游侧基岩中存在的挤压破碎带对桩基有一定影响。9号墩紧邻河床深槽，在墩位北侧形成一个水下土质边坡，坡体土质主要由砂类土组成，抗冲刷能力较弱，边坡稳定性较差。

2）主墩基础方案比选

根据通航水域水文、地质资料，受通航条件限制，8号主墩位于主河槽深泓区，水深近50m。受水流冲刷影响，6号、7号主墩处水深均超过40m。由于荷载规模大，结构受力环境复杂，主墩基础不仅要承受上部结构的巨大荷载，墩身基础还将承受大型船舶撞击力、水流冲击力，而且基础结构还需抵抗偶发地震荷载作用，满足钢桁拱大悬臂施工安装的安全要求。

主墩深水基础形式选择应综合考虑水文、地质、结构刚度、安全受力、施工方便、经济合理等条件影响。采用沉井方案，基底需置于微风化岩面以下一定深度以确保洪水冲刷后基础稳定的安全深度要求，但施工中沉井基础在泥岩中下沉有一定难度，工期难以控制；采用大直径钻孔桩基础方案，由于荷载大，基础规模庞大，结构受力复杂。因此，选择合适的基础形式与基础规模，对桥梁的施工与防洪至关重要。

主桥范围河床覆盖层主要为粉细砂，主墩基础结构形式对水流冲刷影响较大。为了确保建桥后河势演变、局部冲刷不会危及长江大堤防洪安全，减少施工和运营期间对桥下通航的影响，满足施工进度要求，主墩基础分别比选了圆端形沉井与高桩承台大直径钻孔桩两种基础形式。

圆端形沉井基础（图4.2.5）底平面尺寸为35.0m×60.0m，高约60.0m，基底进入微风化泥岩，沉井顶面高程为-7.0m，在通航船舶吃水深度要求范围之外。沉井平面上分十个隔仓，外井壁厚约3.5m，隔板厚2.0m，全部采用钢壳填充水下混凝土施工，封底混凝土厚度8.0m，井孔承台厚度6.0m，需采用双壁围堰施工。

高桩承台钻孔桩基础（图4.2.6）方案共需46根ф2.8m钻孔桩，桩长约107.0m。承台平面尺寸为34.0m×76.0m，高6.0m，布置4.0m厚主塔基座以加强承台刚度，承台顶面高程为-7.0m。承台需采用双壁吊箱围堰施工，封底混凝土厚4.5～6.0m。

钢桁拱桥南主墩（8号墩）、中主墩（7号墩）位于主河槽中，水深流急，设计条件下垂线平均流速高达3.25m/s。虽然北主墩（6号墩）位覆盖层较厚，但表层细砂颗粒较细，极易冲失，洪季墩位处垂线平均流速可达2.8m/s。表4.2.1为两种基础形式主墩的冲刷计算结果。

综合比较可知：

（1）南主墩基础处水深较深、流速较大，而且距离南岸岸坡较近，要满足高速铁路行车安全与舒适性要求，基础应具备较好的纵横向水平刚度。圆端形沉井基础具有较好的纵横向水平刚度，但沉井基础尺寸较大，阻水面积也较大。水工试验表明，工程建成以后，在水流夹角5°条件下，圆端形沉井对南岸边坡靠岸侧流速增加相对较大。因此，南主墩基础不宜采用沉井基础。

（2）中主墩处水流与地质条件相对较好，覆盖层较厚。若采用沉井基础，局部冲刷较大，基底需穿过6m厚的圆砾土层才能满足沉井基础的稳定深度要求，且工期较长，沉井基础将成为全桥的控制工程。钢桁梁拱桥具有较高的结构刚度，若采用大直径钻孔桩基础，可约束主桥的纵横向变形、传递桥面纵向制动力。因此，中主墩可采用大直径钻孔桩基础。

（3）北主墩处水深较浅，基础覆盖层较厚。采用高桩承台钻孔桩基础方案不仅满足结构受力需要，而且施工准备快、钻孔平台易于形成、可多点开工、对通航干扰小、施工进度快、能充分利用当年枯水期，满足全线进度和工期安排的总体目标。

综上所述，大胜关长江大桥钢桁拱桥6号、7号、8号主墩采用高桩承台钻孔桩基础。

3）主墩设计

图4.2.6为主桥6号～8号主墩采用的圆端形空心墩、高桩承台、46根ф2.8m变截面钻孔桩基础的结构示意图，基础持力层主要为泥岩。主墩基础的主要设计参数见表4.2.2。

（1）顶帽及垫石

墩顶空间布置考虑施工临时支点位置的需要，墩帽平面尺寸采用12.5m×40.5m，厚3.0m。根据主桥三桁承重的受力特点，墩顶布置有三个特制的大吨位球型支座，支反力在140～180MN之间，“支承垫石+支座高度”按2.0m预留。由于支反力巨大，垫石与墩帽间设支承垫石底座，同时每个垫石的尺寸与对应支座的钢座板相同，避免支座底板外缘垫石由于变形不协调而产生裂缝。7号主墩三个支座的中心与桥墩中心线重合，6号、8号主墩三个支座的中心沿桥墩中心线向两侧边跨偏离0.15m，部分抵消钢桁拱桥在恒载作用下的纵向支座位移。

（2）墩身及基座

墩身截面采用圆端形双箱空心墩，平面尺寸为12.0m×40.0m，侧壁板厚1.5m，沿桥轴线布置一道4.0m厚的纵隔墙，主要用来传递钢桁拱桥中主桁的支反力。墩身两端局部加厚，满足边主桁支座的传力要求，保证墩身结构在船撞力作用下的受力安全。墩身底部设4.0m厚圆端形基座，平面尺寸为20.0m×48.0m，边缘设1.0m×3.0m的倒角，将墩身传来的荷载均匀分散到承台顶，协同承台共同受力。

（3）高桩承台

承台厚6.0m，平面为34.0m×76.0m圆端形布置，有利导流及防撞。承台平面尺寸除需满足桩基布置外，还要保证钢桁拱双悬臂架设施工期间墩旁托架及塔吊的安装空间。为了保证通航净空要求，减小通航孔跨，各墩承台顶面高程采用-7.0m，布置在通航吃水深度以下。墩身及承台采用双壁钢围堰施工，封底厚度4.5～6.0m（根据承台施工时的水位确定）。

（4）钻孔桩基础

每个主墩承台下设46根ф2.8m变截面钻孔桩。由于主墩基础冲刷较大，高桩承台桩身自由长度范围采用ф3.2m钢护筒成孔，以提高基础刚度，并在桩身内力较大部位扩大桩身截面，通过分段加强配筋，满足船撞力与地震荷载作用下桩身强度要求。钢护筒作为变截面桩基的重要组成部分，即使受到腐蚀及水流泥沙冲击磨损，仍能保证具有一定的厚度，在成桥运营状态可协同桩身受力。钢护筒底进入河床施工冲刷线下一定安全深度，能为桩基钻孔平台及围堰渡洪提供可靠保证。

由于上部结构荷载反力大，泥质基岩极限强度较低，遇水容易软化，桩基以嵌岩摩擦受力为主，因此，ф2.8m钻孔桩嵌入微风化泥岩较深。

4）边墩及辅助墩设计

主桥边墩、辅助墩高出常水位约30m，为适应上部结构三桁承重钢桁梁支座传力要求，兼顾钢梁安装维修操作空间，墩顶横向宽约37.0m。结合桥梁建筑景观措施，避免宽体桥墩容易开裂的现象，主桥边墩及辅助墩采用双幅空心墩，墩顶采用圆弧拱形盖梁过渡，既能有效传递中桁支座荷载，节约墩身圬工量，又与两岸分幅布置的引桥墩身相协调，景观效果较好。

主桥5号、9号辅助墩位于辅助通航孔边缘，在满足主桥上部结构荷载安全受力的同时，还将承担钢桁梁悬臂安装荷载、辅助通航孔船撞力作用。由于9号辅助墩位于长江南岸边坡上，采用钻孔桩基础能减少钻孔施工对大堤的扰动，同时钻孔桩对大堤还可起到一定的加固作用。为了控制成桥状态水流冲刷对南岸边坡稳定的影响，尽可能减少主桥辅助墩基础的阻水面积，设计比选了多种桩径和不同的布桩形式，5号、9号墩最终采用了24根ф2.5m钻孔桩3×8行列布置方案。

主桥1号、3号边墩是北岸浅水区两联2×84m连续钢桁梁中部的固定墩，除常规荷载外，主要承受桥面六线轨道的长钢轨温度力，因此采用28根ф2.5m钻孔桩4×7行列布置方案，基础刚度能够保证高速列车运营时旅客的舒适性要求。

主桥0号、2号、4号、10号边墩是主桥的联间墩，采用ф2.5m钻孔桩基础，桩基平面布置根据各基础的受力要求确定。

3.抗风及抗震分析

1）抗风性能

大胜关长江大桥地处长江下游中纬地带，属北亚热带湿润季风气候，季风环流是支配境内气候的主要因素，影响大桥工程区域附近的热带气旋发生时间集中在7～9月。桥址处不同重现期的设计基本风速（表4.2.3）分别为24.3m/s（10年）、27.9m/s（30年）、29.5m/s（50年）和31.7m/s（100年）。按成桥状态重现期100年和施工阶段重现期10年推算，主梁、主拱的设计基准风速和主梁颤振检验风速见表4.2.4。

（1）整体稳定性

抗风稳定计算考虑成桥状态、施工最大单悬臂状态和施工最大双悬臂状态三种工况，计算图式如图4.2.7～图4.2.9所示。成桥状态计算荷载包括恒载、活载和风荷载，施工状态计算荷载有恒载、施工荷载、块段重量施工误差和风荷载。

表4.2.5列出了三种计算工况下结构的振型特性和自振周期，表4.2.6为各工况的稳定系数和失稳模态。计算表明，无论是成桥状态还是施工状态，桥梁的稳定安全系数均远大于4，满足有关规范要求。

续上表

（2）最大双伸臂状态下的风致作用分析

施工最大双伸臂状态下的风致作用重点考虑三方面的问题，即风的动力作用引起的发散振动（颤振或驰振）、风的动力作用引起的限幅振动（抖振）和风的静力作用引起的静力失稳（整体稳定性）。

最大双悬臂状态下风对钢桁梁的作用及破坏特点见表4.2.7。

对弯扭耦合颤振，其临界风速根据工程界普遍应用的Vander put公式进行估算：

式中　ηs——主梁断面形状影响系数；

ηα——攻角效应系数；

b——半桥宽；

r——惯性半径；

ε——扭弯频率比；

μ——梁体质量与空气的密度比；

ωh——基阶竖弯自振圆频率。

分离流扭转颤振的临界风速由Herzog公式估算：

式中　 ——Theodorson Number的倒数；

B——全桥宽；

fT——主梁扭转基频。

表4.2.8为主梁的颤振临界风速估算结果。显然，施工最大双伸臂状态下主梁的弯扭耦合颤振和分离流扭转颤振的临界风速远超过主梁的颤振检验风速，满足有关规定要求。

风的动力作用引起的限幅振动见表4.2.9。计算表明，在脉动风作用下，施工最大双伸臂结构的内力和位移相对较小。

2）抗震分析

主桥抗震计算分成桥状态、施工最大单悬臂状态和施工最大双悬臂状态三种状态考虑（图4.2.7～图4.2.9），地震响应采用反应谱理论，阻尼比为2％的长江江心处场地的动力放大系数如下：

中震时，水平地震系数Kh=0.110，竖向地震系数Kv=0.063，考虑两种组合，即“纵向0.110g+竖向0.063g”、“横向0.110g+竖向0.063g”；大震时，水平地震系数Kh=0.147，竖向地震系数Kv=0.089，考虑两种组合，即“纵向0.147g+竖向0.089g”、“横向0.147g+竖向0.089g”。

计算结果显示：

①“纵向+竖向”中震作用下，边、中桁杆件最大轴力分别为24609kN和26672kN；“横向+竖向”中震作用下，边、中桁杆件最大轴力分别为49327kN和5014kN，且均发生在7号墩拱脚处。

②仅有纵向地震作用时，边、中桁杆件最大轴力分别为22006kN和21825kN，发生在拱脚处；仅有横向地震作用时，边、中桁杆件最大轴力分别为46493kN和168kN，且均发生在拱脚处。

③“纵向+竖向”大震作用下，边、中桁杆件最大纵向位移分别为345mm和360mm，发生在拱脚附近；“横向+竖向”大震作用下，边、中桁杆件最大横向位移均为646mm，且均发生在拱顶处。

④经验算，各杆件的承载能力和变形能力满足设计要求。

三、科研专题成果

大胜关长江大桥具有“大跨（主跨336m）、高速（设计速度300km/h）、重载（六线铁路）”的特点，需要解决大跨度多线高速铁路桥梁设计、施工中面临的许多技术难题。在桥梁建设过程中，主要开展了以下九项科研工作：

（1）高强度Q420结构钢应用试验研究

（2）大吨位钢梁球型支座设计及试验研究

（3）长大跨桥梁轨道温度调节器与梁端伸缩装置设计及试验研究

（4）桥面系钢—混凝土结合构造分析与试验研究

（5）大跨度钢桁拱桥抗风性能分析与试验研究

（6）三桁结构受力特性分析与施工控制措施研究

（7）多线铁路疲劳验算荷载和损伤系数研究

（8）新型主桁结构特殊构造分析与试验研究

（9）大桥主墩基础防撞设计研究

通过以上科学研究与试验，开创性地解决了六线轨道交通荷载标准问题，创新设计了空间三主桁双连拱结构、正交异性板板桁组合桥面、八边形吊杆等新型结构，针对性地研发应用了高韧性、可焊性好的超低碳贝氏体Q420qE新钢种，研制了承载能力高达180MN的球型支座、伸缩量高达800mm和1000mm的梁端伸缩装置与轨道伸缩调节器，成功采用了索塔辅助双连钢桁拱精确合龙安装等新工艺。

以上新技术、新结构、新材料、新设备、新工艺的应用，提高了结构的整体性，节约了用钢量，方便了施工，降低了造价，保证了大桥六线轨道交通安全运营所需要的强度、刚度和稳定性要求。桥梁静动载试验与验收结果表明，结构受力合理、变形可控、工程优质。京沪高速铁路与沪汉蓉铁路通车几年来的运营实践证明，高速列车安全运营所需的各项性能良好。

1.高强度Q420q结构钢应用试验研究

大胜关长江大桥以其大跨、高速、重载和整体化节点等特点对桥梁的钢材和厚度提出了新的挑战。若继续选用Q370qE钢，则最大板厚须达80mm，给设计、制造及施工带来很大困难。国外大跨度铁路桥梁的代表性高强钢种HPS70W，其厚规格钢板采用调质工艺生产，合金消耗大、成本高、焊接工艺要求苛刻，采用TMCP工艺生产的高强钢（如HPS70W）的最大板厚仅达到50.8mm。因此，在突破Q370qE钢最大应用板厚仅为50mm瓶颈的同时，开发出更高强度且具有优异低温韧性、焊接性和耐候性的桥梁用厚钢板，对我国铁路建设和国民经济的发展具有十分重要的意义。

相关单位以南京大胜关长江大桥工程为依托，有针对性地开展了高强度Q420q结构钢应用试验研究，通过解决以下关键技术，实现了大跨度铁路桥梁钢成套技术的开发及应用：①采用超低碳多元微合金化的成分设计，以针状铁素体为主控组织，按TMCP工艺生产，获得高强度、高韧性、优良焊接性能与耐候性能的新型桥梁用钢。②系统研究了超低碳多元微合金化冶炼技术，厚钢板控制轧制与控制冷却技术、厚钢板板形控制技术。③采用连铸机二冷段电磁搅拌，降低中心偏析；加大奥氏体再结晶区压下率，充分细化奥氏体晶粒；扩展14MnNbq钢的厚度规格范围，突破了最大应用板厚仅为50mm的限制，实际供货最大板厚达68mm。④配套开发了超低碳针状铁素体桥梁钢的高强度高韧性焊接材料，研究了大跨度桥梁结构的系列焊接工艺，为桥梁现场制造提供了技术支撑。

南京大胜关长江大桥共采用12000t高强度Q420q结构钢。从钢材的生产、应用情况看，Q420q结构钢60mm厚板的屈服强度超过420MPa，-40℃时的冲击功大大超过120J，焊接性能良好，实际材料的性能达到国标Q460q标准，韧性与焊接性能高于Q460q。

高强度Q420q结构钢在南京大胜关长江大桥的成功应用，大大降低了大吨位杆件的规模，最大杆件截面由2.0m×1.8m减小到1.8m×1.4m，节点板最大板厚由80mm减小到68mm，节省钢料约4000t，降低了钢料制造和施工难度，为大胜关长江大桥的建成奠定了坚实的基础。

2.钢正交异性板道砟整体桥面结构

列车在明桥面上行驶时，噪声较大，且由于桥面刚度和质量较小，行车速度一般控制在140km/h以下。高速铁路桥梁的桥面结构必须具有可靠的受力性能，足够的竖向、侧向和扭转刚度，同时还须具备一定的质量和阻尼以减小车桥振动响应，以满足高速行车安全与乘坐舒适的要求。对于设计速度300km/h的南京大胜关长江大桥而言，明桥面的结构形式显然不能满足要求。为此，大胜关长江大桥设计采用了钢正交异性板道砟整体桥面结构，相关单位开展了六个节间1∶6缩尺的桁段及拱段模型试验，对道砟板的结构形式及其与整体桥面的结合方式、减振及降噪措施、桥面防水等问题进行了深入研究。试验结果显示，三主桁道砟整体桥面结构整体性好，受力性能优良，承载能力大。理论分析与试验结果吻合较好。

南京大胜关长江大桥的道砟整体钢桥面方案，解决了以往采用的纵横梁加混凝土板桥面结构必须设置伸缩纵梁的难题，保证了桥面结构的整体性和平顺性，满足了高速行车的要求。同时，多横梁的钢正交异性桥面板结构较之大横纵梁的钢正交异性桥面板结构，桥面结构用钢量减少7％左右。

3.板桁组合构造

主桥钢梁采用下承板桁组合结构，其下弦节点需要同时传递主桁巨大的竖向荷载和桥面列车活载产生的反复横向载荷，节点受力复杂、技术要求高。通过专题研究与模型试验，大胜关长江大桥解决了整体节点板与桥面板空间交错的连接问题，使板桁节点具有较好的抗疲劳性能。板桁组合结构整体钢桥面系统系国内铁路钢桥上首次采用。

由于结构特殊、构造复杂，主桥E26节点和S24节点截面尺寸大，主桁杆件板厚最大达52mm，节点板最大厚度达68mm，最大杆端轴力达9370t。因此，开展了E26节点和S24节点静力模型试验、整体钢桥面板与主桁节点板连接细节疲劳试验（图4.2.10），以及变截面带肋压杆稳定性分析与试验研究。研究表明，S24节点、E26节点的静力强度满足要求且有较大的安全储备，设计应力水平作用下钢桥面板和主桁节点板焊接连接处具有足够的抗疲劳能力，采用的变截面带肋压杆稳定性满足规范要求。

4.三主桁结构

南京大胜关长江大桥主桥在世界上首次采用三片主桁承重的桁梁（拱）结构，合理地解决了多线、大跨度铁路桥梁主桁杆件规模过大及横向构件受力难题。

三片主桁空间桁架结构设计的关键是合理地进行主桥结构中主桁、平联、横向联结系、桥面结构的布置与设计，尽量做到三片主桁受力均匀。桥梁主通航孔跨度336m，拱高84m，施工时最大单、双伸臂长达168m，运营时的恒、活载及杆件轴力都较大，需要采用适当的施工工艺与工程控制措施，确保加载过程与结构受力状态相一致。

通过空间有限元计算，对成桥及各施工阶段主要构件的受力特性及稳定性进行分析，找出了影响三主桁空间效应的主要因素，提出了相应的构件设计与构造措施。计算表明，拱圈杆件在三片桁架的受力分配较为均匀，跨中部分的不均匀性一般在1.05以下，支点部位的不均匀程度一般不超过1.13，钢梁结构合理。

相关单位还对大胜关长江大桥的重要施工措施进行了分析研究，包括钢梁架设施工组织方案，大型构件、整体正交异性钢桥面板结构以及平纵横联构件的吊装、安装工艺，多桁、多节点中跨、边跨合龙施工工艺措施等。研究表明，桥梁各项安装工艺均符合施工安全要求，监控数据与计算结果基本吻合。

5.多边形吊杆

我国已建成的九江长江大桥、万州长江大桥等铁路钢桁拱桥，多采用截面为H形的低应力钢制构件吊杆，为防止吊杆风致振动，采取了将吊杆开孔透风和安装阻尼器的措施。随着铁路钢桁拱桥规模和跨度的增加，吊杆长度随之增大，传统的吊杆设计和抗风振措施已不能解决诸如低风速多风向的涡振、驰振、列车运营引起的振动等问题。

多边形吊杆有较好的气动外形，截面刚度大，对低应力钢杆件吊杆的抗风有利。南京大胜关长江大桥钢桁拱桥吊杆创造性地采用八边形闭合截面（图4.2.11），解决了吊杆的风致振动难题，取得了良好效果。

6.多线铁路疲劳验算荷载和损伤系数研究

南京大胜关长江大桥设计荷载为两线中—活载和两线ZK活载，并考虑两线地铁活载，高速铁路和客货线路分线、桥梁混用，形成各线荷载特征分明（重载特征和高速特征）的运营状态。三片桁拱布局使桥梁横向荷载分配既不同于通常意义的四线铁路桥梁，又不同于双线铁路桥梁，传统计算方法不能解决本桥的特殊问题。同时，一座桥上有六线铁路，运营列车的编组规律也与以往不同，城市地铁在疲劳损伤中所占的比例未知。上述所有问题，在国内外都没有相关的经验可以借鉴。

对于疲劳检算，各国尚无双线以上的计算取值规定。对于像大胜关长江大桥这样的两线高速和两线Ⅰ级干线铁路加上两线地铁的组合，更是没有先例。国内在天兴洲长江大桥科研课题中首次进行了四线系数研究，具有一定的分析基础。但大胜关桥为桁架拱，其三片桁的分配规律与斜拉桥不同，需要专门研究。此外，六线荷载对桥梁的疲劳损伤必然增加，为保证大桥100年的设计使用年限，也需要通过六线系数予以调整。

研究工作通过对现行桥梁规范的疲劳验算方法、双线系数和疲劳损伤修正系数的已有研究成果进行分析，参考天兴洲长江大桥四线铁路、三片主桁斜拉桥疲劳四线系数研究思路，结合南京大胜关长江大桥疲劳作用的荷载谱、三片主桁钢桁拱桥、六线铁路、正交异性钢桥面板道砟整体铁路桥面等的不同点，专门就疲劳验算问题进行详尽的分析，研究得出疲劳验算荷载加载标准。为方便设计采用一线中—活载加载，疲劳六线系数为中片桁杆件2.4、边桁杆件2.2，损伤修正系数在年运量1亿t以下可沿用现行规范。研究提出了南京大胜关长江大桥主要受力构件的疲劳计算方法和验算规定。研究成果可用于三线、四线、五线、六线及以上的类似多线桥梁设计，并供相关设计规范修订时参考。

需要注意的是，由于屈强比较高，新研发的Q420qE桥梁钢在实际运用时应预留一定的安全储备。板桁组合结构的焊缝构造比较复杂，针对不同桥梁的技术特点，实际应用时须进行疲劳试验。