第三节　镇江京杭大运河（90+180+90）m连续梁拱桥

京沪高速铁路在镇江市丹徒县黄墟镇后小辛电灌站上游跨越京杭大运河，高速铁路与河道主流交角45°，最高通航水位5.21m，规划通航净空为90m×7.5m，桥位处100年一遇设计洪水流量为1304m3/s，流速1.97m/s。设计采用主桥（90+180+90）m连续梁拱跨越京杭大运河，该结构是国内铺设CRTSⅡ型板式无砟轨道的同类桥梁结构中跨度最大、速度最高的桥梁。

一、结构设计

1.结构体系

连续梁拱组合结构将部分恒载及活载通过吊杆传至拱肋，由拱肋直接传到主梁根部，与同跨度连续梁桥相比，能有效降低主梁跨中及支点处截面的高度。拱肋产生的水平推力由主梁承担，主梁兼有系杆的作用，通过调整吊杆张拉力可以使主梁的受力状态处于最有利状态。当线路跨越道路或通航河流，桥下净高受到限制且需要布置较大的跨度时，连续梁拱是一种较为合适的桥式结构。同时，连续梁拱具有较大的竖向刚度和良好的动力性能，能够很好地适应高标准铁路的需要。

根据桥位建设条件，为满足通航要求，镇江京杭运河特大桥的主跨需要180m。经多方案比较，确定主桥采用（90+180+90）m预应力混凝土连续梁与钢管混凝土拱组合结构（图4.2.16）。

2.主桥构造

1）主　梁

主梁为预应力混凝土结构，混凝土强度等级为C55，采用单箱双室变高度箱形截面，跨中及边支点处梁高4.5m，中支点处梁高10.0m，梁底按圆曲线变化。

箱梁顶宽14.2m，中支点处局部顶宽16.5m；顶板厚0.42m，中支点处局部顶板厚1.02m，边支点处局部顶板厚0.72m。箱梁底宽10.8m，中支点处局部底宽13.8m；底板厚度0.40～1.049m，中支点处局部底板厚1.50m，边支点处局部底板厚0.85m，边支点处底板设0.70m×0.80m检查孔。箱梁采用直腹板，腹板厚分0.40m、0.55m和0.70m三种，中支点处局部腹板厚1.30m，边支点处局部腹板厚0.85m。中支点及跨中截面如图4.2.17所示。

箱梁共设6道横隔板，边支点横隔板厚1.6m，中支点横隔板厚4.0m，中孔两道中间横隔板厚0.4m，各横隔板均设进人孔。箱梁于各吊杆处共设18道吊点横梁，吊点横梁高分1.5m和1.4m两种，横梁厚0.4m。

主梁共分79个梁段，梁拱结合部0号梁段长17m，中孔合龙梁段长3.0m，边孔直线梁段长6.8m，其余梁段长分3.0m、3.5m、4.0m和4.5m四种。主梁除0号梁段、边孔直线梁段在支架上施工外，其余梁段均采用挂篮悬臂浇筑，悬浇最大节段重量3430kN。

主梁设纵向、横向和竖向三向预应力，纵向预应力采用19/18-фj15.24mm、15/14-фj15.24mm四种规格的钢束，横向预应力采用5-фj15.24mm钢束，竖向预应力采用ф32mm高强度精轧螺纹钢筋。

2）拱　肋

拱肋为钢管混凝土结构，计算跨径L=180m，矢高36m，矢跨比1/5，拱轴线采用二次抛物线，设计拱轴线方程Y=-X2/225+0.8X。

拱肋采用等高度哑铃形截面（图4.2.18），截面高度3.1m。拱肋弦管直径1.1m，由20mm、24mm厚的Q345qD钢板卷制而成，弦管之间用16mm厚钢缀板连接，拱肋弦管及缀板内填充微膨胀混凝土。两榀拱肋间的横向中心距为11.9m。

拱肋设有预拱度，拱顶最大拱度0.126m。拱肋采用施工拱轴线制作和拼装，施工拱轴线方程Y=-0.00446X2+0.8028X，矢高32.126m。

拱肋钢管在工厂加工制作，现场拼装。每榀拱肋划分为14个运输节段（不含预埋段、合龙段、嵌补段），运输节段最大长度小于15.0m。拱肋接口避开吊杆位置，制作拱肋钢管时，可据运输条件、加工材料规格调整管节长度和运输节段长度。每榀拱肋上下弦管分别设一处灌注混凝土隔仓板和36道加劲钢箍，腹板内设3处灌注混凝土隔仓板，并沿拱轴线均匀设置间距为0.5m的加劲拉筋。

3）横撑、吊杆及支座

两榀拱肋之间共设9道横撑，横撑均采用空间桁架撑，各横撑由4根ф500mm×14mm主钢管和32根ф250mm×10mm连接钢管组成，钢管内部不填混凝土（图4.2.19）。

全桥共设18组双吊杆，吊杆间距9m。吊杆上端穿过拱肋，锚于拱肋上缘张拉底座，下端锚于吊点横梁下缘固定底座。吊杆采用PES（FD）7-61型低应力防腐拉索（平行钢丝束），外套复合不锈钢管，配套使用冷铸镦头锚。

桥梁采用GTQZ系列球型支座，各支点沿横向设3个支座，边支点支座吨位8000kN，中支点支座吨位80000kN。支座经特殊设计，最大水平承载力达到竖向承载力的25％，可直接承受地震荷载作用。

3.结构特点

镇江京杭大运河主桥为刚性连续梁柔性拱，主梁是主要承重结构。梁体自重由主梁承担，二期恒载及活载由梁、拱共同承担，梁、拱承担荷载的比例与主梁和拱肋刚度、吊杆面积大小等因素有关，因而该桥的设计关键是将主梁与拱肋合理匹配，并确定吊杆力取值。

设计中通过选取不同的主梁梁高、拱肋弦管直径、拱肋肋高、拱轴线及吊杆力进行结构计算，分析比较主梁和拱肋的内力、应力、强度、稳定性及变形等情况，找出梁拱刚度与其承担荷载比例的变化关系，最终确定主梁跨中梁高4.5m、中支点处梁高10.0m、拱肋弦管直径1.1m、肋高3.1m。成桥时吊杆力总和为14688kN，占中跨二期恒载总重的80.0％；全桥满布列车活载下，拱肋承担的竖向列车活载占中跨范围内竖向列车活载的38.4％；双线列车活载作用下，主梁跨中最大竖向挠度为-38.6mm，挠跨比为1/4663。与相同跨度的连续梁桥相比，主梁高度降低了5m左右。

二、结构计算

1.静力检算

1）主梁检算

主梁纵向按容许出现拉应力不容许开裂的预应力混凝土结构设计，运营阶段主梁应力、强度及抗裂性等计算结果见表4.2.12。表4.2.13为ZK静活载及温度荷载作用下主梁的竖向挠度和挠跨比。

计算表明，在ZK活载静力作用下，梁体下挠的最大梁端转角为0.98‰，梁体反弯的最大梁端转角为0.47‰。成桥1500天后，主梁边跨中后期徐变下挠-13.2mm（为跨度的1/6803），主梁中跨中后期徐变上拱17.9mm（为跨度的1/10067）。

主梁横向按无吊杆区和有吊杆区分别计算。无吊杆区沿纵向截取单位长度的主梁梁体，简化成腹板下缘三点支撑的双孔框架，按刚性支撑和弹性支撑包络计算。有吊杆区沿纵向截取一定长度的主梁梁体，简化成腹板下缘三点支承的双孔框架，吊点处施加竖向集中力，按刚性支撑和弹性支撑包络计算。

2）拱肋检算

运营阶段拱肋钢管及混凝土应力计算结果见表4.2.14。

拱肋强度及稳定性计算结果显示，主力组合时，拱肋的最小安全系数为2.47；主+附组合时，拱肋的最小安全系数为2.19；拱肋纵向稳定安全系数为8.31，拱肋横向稳定安全系数为4.96。

3）吊杆及支座检算

运营阶段最不利荷载作用下，横向一组吊杆的最大轴力为2627kN，最大拉应力为280.0MPa，强度安全系数为5.96。吊杆最大活载应力幅为136.5MPa。

主力+附组合下，中支座（横向三个支座之和）最大反力为19098t，最小反力为16284t；边支座（横向三个支座之和）最大反力为1692t，最小反力为440t。

2.0号块局部应力分析

0号块梁段区域不仅是拱座与梁体交界处，也是横隔板与腹板相交处，并且梁顶处于纵、横、竖三向预应力交错的高应力区，梁底设有大吨位支座，因此该处构造复杂，是设计的关键部位。从受力角度看，0号块在纵向要承受拱肋与主梁传来的轴力与弯矩、支座的反力和主梁三个方向的预应力，在横向还要承受横梁的弯矩，处于复杂受力状态。0号块横隔板处梁段横向受力也较为复杂，设计时一般采用撑杆压杆理论进行简化计算，并据此进行局部配筋。

局部受力计算结果表明，连续梁拱0号块整体以受压为主，支座与梁体、拱肋与梁体交接处应力集中明显，设计时可考虑在拱肋与梁体的连接部位适当增加钢筋；0号块梁体顶缘压应力小于下缘压应力，拱座顶面未出现拉应力，说明预应力的施加是比较有效的。针对以上分析结果，0号块局部设计时，对拱座与梁体连接处及进人孔周边的普通钢筋和竖向预应力筋进行了加密处理。

3.动力检算

由于混凝土收缩徐变和预应力损失的影响，大跨度预应力混凝土桥梁的后期变形较大。无砟轨道精调以后，桥梁结构后期徐变处理的难度较大，在不调整竖向变形的时期内，高速列车实际是在有“强迫竖向变形”的条件下运行的。因此，桥梁设计时，一方面通过研究结构尺寸、预应力钢束布置、吊杆力取值、二期恒载铺设时间等对梁体后期变形的影响，尽量把桥梁的后期变形控制到最小状态，另一方面将成桥后不同时期的徐变变形与温度变形及预拱度相组合，作为初始变形叠加到轨道不平顺中进行车桥动力响应分析，是非常必要的。

以成桥后1500天为桥梁的徐变终极时间进行车桥动力响应分析，结果表明镇江京杭大运河主桥具有良好的动力特性及列车走行性，高速列车以运营速度160～350km/h及检算速度375～420km/h通过桥梁时的安全性和乘坐舒适性均满足要求。

预应力混凝土的后期徐变变形将引起桥梁永久性的上拱或下挠，该变形虽不可恢复，但可通过合理设计将其数值控制在一定的范围内。随着气温的变化，连续梁拱桥面出现反复的竖向变形，环境温度与轨道调平时的温度接近时，桥面变形随之消除或减小，反之则变形增加。因此，运营期间桥梁如果不出现超设计的收缩徐变变形，无砟轨道竖向不作调整也可确保行车安全。如果气温不出现严重的骤升速降，温度引起的桥面变形也不致影响列车的安全。