本刊特稿马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥
设计研究
方绪镯
（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430050）
摘要：巢马高铁马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥为4线铁路+6车道城市快速路多通道桥梁，根据通航及防洪要求，采用392m一孔跨越太平府水道。对不同桥型方案比选研究，采用（56+ 168+392+168+56）m=840m的钢桁梁斜拉桥。对斜拉桥约束体系、主梁、主塔、桩基直径等方案详细研究比选，采用半漂浮体系，主桁采用3片主桁断面，主塔结构形式为A形，基础采用2.8m的钻孔灌注桩。通过研究脱轨系数、轮重减载率及轮轨横向力等，确定采用的桥梁方案满
足列车运行安全性；通过Sperling指标计算，确定采用的桥梁方案满足乘坐舒适性要求。
关键词：巢马高铁；马鞍山长江公铁大桥；高速铁路桥；斜拉桥；约束体系；主梁；主塔
中图分类号：U24文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）09-0167-06 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.09.167
1工程概述
新建巢马高铁全线位于安徽省境内，线路起于商合杭高铁巢湖东站，向东经含山县、郑蒲港新区、当涂县、雨山区、花山区后引入马鞍山东站。线路远期由马鞍山南站引出经禄口机场与苏南沿江城际衔接。巢马高铁正线全长61.379km，联络线长11.827km。马鞍山过江通道是巢马高铁的控制性工程，在常合高速公路马鞍山长江公路大桥上游约2.3km处姑孰桥位跨越长江，跨江段采用巢马高铁+预留铁路+城市快速路多通道合建的桥梁方案［1］。1.1技术标准
（1）巢马高铁正线数目为双线，线间距为5.0m，设计速度为350km/h（主汊过江段250km/h（有砟），过渡段300km/h，副汊及引桥350km/h（无砟）），设计荷载为ZK活载；预留铁路为城际铁路，正线数目为双线，线间距为5.0m，设计速度为200km/h，设计荷载为ZC 活载。
（2）公路线路等级为城市快速路，双向6车道，行车速度80km/h，设计荷载为城市－A级。
（3）地震参数及抗震设防标准：
①100年10%的地震动参数作为第1级设防水准，即E1地震作用（地震动峰值加速度a=0.11g）；
②100年4%（50年2%）的地震动参数作为第2级设
作者简介：方绪镯（1984—），男，高级工程师。
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防水准，即E2地震作用（地震动峰值加速度A =0.15g ）；
③反应谱特征周期为0.55s 。
1.2
孔跨布置方案
副汊大堤间宽约600m ，副汊河势条件相对稳定，通航最高水位+10.20m ，通航最低水位+0.38m ，副汊通航孔净空高度为最高通航水位以上不小于18m ，通航孔宽度不小于285m 。根据多年深泓线、深槽及习惯性航路范围，主跨采用392m 跨越太平府水道，基本一孔跨过通航水域范围，满足通航要求。两侧采用168m 的跨度跨越两侧大堤。孔跨布置方案见图1。
2
设计方案比选
2.1
桥型
根据副汊桥位处的通航要求、岸坡情况、大堤布
置及结构布置合理性等，比选斜拉桥与拱桥2种方案，跨径布置一致，主跨392m ，桥长840m 。
方案1：钢桁梁斜拉桥，桥跨布置为（56+168+392+168+56）m=840m 。钢桁梁斜拉桥方案见图2。
方案2：刚性梁柔性拱桥，桥跨布置为（56+168+392+168+56）m=840m 。刚性梁柔性拱桥方案见图3。
2种方案主梁均采用3片主桁方案［2］，基础均采用
桩基础。经过静动力计算，2种方案均能满足相关规范及行车舒适性要求。桥型方案综合比较见表1。
经综合比较，钢桁梁斜拉桥方案在主桁杆件受力、
钢梁制造、现场施工难度及造价等方面具有优势，因此，采用钢桁梁斜拉桥方案。
2.2约束体系
斜拉桥常用约束体系有漂浮体系、半漂浮体系、
塔梁固结体系、刚构体系等。根据马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥结构特点，拟采用以下3种体系进行比选：半漂浮体系、漂浮体系及纵向固定体系。
（1）漂浮体系：主塔墩处不设置支座、辅助墩及边墩设置竖向支座，纵向不设置阻尼。
（2）半漂浮体系：主塔墩、辅助墩及边墩设置竖向支座，在主塔墩处设置纵向阻尼［5-6］。
（3）纵向固定体系：在靠近和县侧主塔墩处设置固定支座［7］，马鞍山侧主塔墩处设置竖向支座，边墩、辅助墩设置竖向支座，纵向不设置阻尼。
3种体系在主梁、拉索、主塔、基础等结构及荷载
均一致的前提下，进行静力、动力分析比较。梁端纵向位移比较见表2。
从表2梁端纵向位移比较可以看出漂浮体系与半漂浮体系梁端纵向位移基本一致，纵向固定体系梁端纵
向位移为另外2种体系的一半左右，因此从梁端纵向位
图2钢桁梁斜拉桥方案
表1
桥型方案综合比较表
图3刚性梁柔性拱方案图1孔跨布置方案
移角度来看，纵向固定体系更优。
竖向刚度比较见表3，可以看出，漂浮体系、半漂浮体系及纵向固定体系在铁路活载、公路活载作用下，竖向位移和挠度基本一致。
3种约束体系的主塔基础纵向弯矩比较见表4。可
以看出，在静荷载作用下，漂浮体系和半漂浮体系主塔基础纵向弯矩基本一致；纵向固定体系设置固定支座的主塔基础纵向弯矩与设置纵向活动支座处基本一
致，比另外2种体系降低5万t·m 左右。总之，在静荷载作用下，3种体系主塔基础纵向弯矩控制值基本相当。在地震E1荷载作用下，半漂浮体系主塔基础纵向弯矩最小，静力控制设计；漂浮体系主塔基础纵向弯矩次之，为24.0万t·m 左右，静力分析时主塔基础纵向弯矩相当；纵向固定体系主塔基础纵向弯矩最大，达32万t·m ，地震作用控制设计。从动力分析角度出发，半漂浮体系则只有漂浮体系、纵向固定体系的1/2、1/3，半漂浮体系更优。
罕遇地震作用下梁端纵向位移比较见表5，半漂浮体系和纵向固定体系差别不大，但漂浮体系纵向位移
则较固定体系增加3倍多。因此半漂浮体系和纵向固定体系较优。
经过上述综合比选，半漂浮体系在梁端纵向位移、
竖向刚度、塔底静力弯矩、E1地震作用弯矩及罕遇地震作用下梁端位移均能取得较理想效果，因此马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥采用半漂浮体系，即在主塔墩、辅助墩及边墩设置竖向支座，在主塔墩处设置纵向阻尼。
根据无砟轨道相关研究成果，需要限制主梁梁端
的横向位移在一定数值范围内，因此在边墩上设置横向挡块限制主梁梁端的横向位移。结合抗震、抗风相关计算研究，马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥横向约束体系为：在主塔墩处塔壁与钢梁间设置横向支座，在边墩挡块与钢梁间设置横向支座，在辅助墩中桁下设置横向固定单项活动支座。
2.3主梁
主桁截面形式选择：目前钢桁梁的横截面通常采用
2片主桁或3片主桁的结构形式。2片主桁方案见图4，3片主桁方案见图5。
经过计算分析研究，2片主桁和3片主桁方案在结
构静力刚度方面差异较小，主要区别在于横梁及主桁杆件受力不同。将2种方案进行综合比较（见表6）。
表4
主塔基础纵向弯矩比较（主力+附加力
）
表2
梁端纵向位移比较
mm
注：纵向固定体系梁端纵向位移为远离固定支座侧梁端数据
表3
竖向刚度比较
图42片主桁方案
表5
罕遇地震作用下梁端纵向位移比较
mm
从表6的比较可知，2片主桁方案腹杆面外弯矩很大，下层铁路桥面横向跨度大，桥面系整体刚度相对较差，经济性相对较差；同时2片主桁最大索力约1624t ，大规格斜拉索锚固构造相对复杂。3片主桁方案采用3索面的布置形式，桥面刚度更好，主梁用钢量
较省，每桁布置1根拉索，单根拉索索力相对较小，拉索的锚固构造设计相对容易。
综上所述，马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥采用3片主桁结构。
2.4主塔
主塔是表现斜拉桥景观效果的重要结构，为和主梁3片主桁对应，斜拉索按3索面设计，主塔从结构形式适应性出发，可选用A 形、钻石形、花瓶形，塔高170m ，主塔结构形式见图6。
主塔结构形式对比见表7，由于马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥下塔柱矮，从受力和基础规模角度比较，A 形塔方案相对较差，但同样由于下塔柱矮，导致钻石形和花瓶形方案比例不协调，景观效果差，反而A
形
（
a ）A
形（b ）钻石形（c ）花瓶形
图6
主塔结构形式
表6
2片主桁和3
片主桁方案比较
图53片主桁方案
表7
主塔结构形式对比
塔方案造型比例协调、挺拔利落，且能与主汊遥相呼应，因此马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥选A形塔。2.5基础
2.5.1基础形式
副汊桥桥址区覆盖层主要为第四系全新统，第四系地层主要为全新统河流冲积地层（Q4al+pl）。第1层为杂填土；第2层为淤泥质粉质黏土；第3层为粉质黏土；第4层为粉砂、细砂层；基岩为弱风化凝灰岩。
根据桥址处地质情况，2个主塔覆盖层厚度均约50m，基岩为弱风化凝灰岩，强度高，埋深适中。马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥主跨392m，主塔塔底反力相对较小，采用钻孔灌注桩，按柱桩设计，以弱风化凝灰岩为持力层，承载力有保证。
2.5.2桩径
主塔基础结合主塔构造，采用整体式基础。其整体性高，承台规模相对较小。在确定桩基础为主塔基础形式后，针对钻孔桩方案进行不同桩径的比选，以确定合理的推荐方案。马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥2个主塔基础均按柱桩设计；根据计算，2个主塔基础上部反力相同，承台及基础持力层基本相
同，因此，2个主塔采用相同的基础形式。
由于不同桩径对基础受力、工期、施工难易程度、工程造价均有影响，在综合考虑桩基承载力和桩身强度的情况下，分别研究φ2.5m、φ2.8m、φ3.0m3种桩径方案。
主塔桩基各方案平面布置见图7，桩基设计以桩身强度控制。主塔基础不同直径桩基方案综合比较见表8。
通过不同桩径比选，3种桩径基础规模相差不大，其中φ2.8m的桩基础和承台工程数量相对最省；同时，φ2.8m的桩基础数量适中，桩基布置合理，工期较短；综合比较，采用30根φ2.8m的钻孔灌注桩。
3行车安全性及舒适性
当列车通过桥梁时，车辆-桥梁系统发生振动。桥梁过大振动不仅使结构疲劳强度降低、线路形状发生改
武汉天兴洲长江大桥变，还会影响桥上车辆行车安全性和平稳性。车辆过大振动会影响行车安全性、货车平稳性及客车乘坐舒适性。因此，需通过相应指标评判车辆和桥梁的动力性能。
车辆动力学通常采用脱轨系数、轮重减载率及轮轨横向力判断列车运行安全性［12-13］，用Sperling指标判断
乘坐舒适性。马鞍山长江公铁大桥副汊航道桥计算了机
（a）38-
φ2.5m
（b）30-
φ2.8m
（c）26-φ3.0m
图7主塔桩基各方案平面布置
表8
主塔基础不同直径桩基方案综合比较