1 工程概況及建橋條件
新建柳州至肇慶鐵路為設計速度160km/h、國鐵Ⅰ級的雙線鐵路，線路在象州市西南側雞沙村附近跨越柳江，設象州柳江特大橋。大橋位于象州公路大橋下游約3.5km，象州水位站下游約2.5km處，線路與河流交角約73°。柳江在橋位處流向為由北向南，河道較為順直，河流較為平緩，河流在橋位處以南約900m處為彎道，流向轉向西北再轉向西南。測量時水深水面標高為47.8m，最大水深約8m，江面寬約320m。
柳江位于西江的上游，是西江的第二大支流，屬山區河流，流域內雨量充沛，多年平均雨量1500～1800mm之間，雨季集中在5～9月，枯水期在10月至3～4月。柳江水位受降雨影響極大，降雨水漲，洪枯水位變幅大。水位最大變幅柳州站達到22.53m，象州站達到25.81m。
橋址處柳江現階段為Ⅲ級航道，船舶噸級1000噸，但是通過與柳州市航道局和廣西壯族自治區航道局溝通，橋址處柳江規劃為Ⅱ級航道，船舶噸級為2000噸。
2 主要技術標準
（1）鐵路等級
本線為國鐵Ⅰ級、雙線、線間距為4.2m，設計行車速度160km/h。
（2）設計水位
設計洪水頻率百年一遇，水位為79.72m（國家（85））；設計最高通航水位的洪水重現期為20年，水位為75.99m（國家（85））。
（3）設計荷載
a) 體系溫差：鋼結構考慮全年最高和最低氣溫取△T=±25℃，
砼與預應力砼結構考慮全年最高和最低月氣溫取△T=±20℃。
b) 砼梁上、下緣溫差：道碴橋面采用±5℃
c) 斜拉索與其他結構的溫差△T=±15℃
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風荷載：主橋成橋風速按100年一遇計，設計基本風速25.30m/s，施工風速按10年一遇計，為成橋階段風速的0.84倍。
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船舶撞擊力：船舶撞擊力按照《公路橋涵設計通用規范》JTG D60-2004相關條文規定取值：橫橋向撞擊力1100t，縱橋向撞擊力900t。
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流水壓力：按《鐵路橋涵設計基本規范》TB10002.1-2005進行計算。
（4）地震：地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35s，相當于地震基本烈度Ⅵ度，本橋抗震設防基本烈度按Ⅶ度考慮。
（5）橋面布置
橋面布置形式按“通橋(2005)2101”布置，線間距4.2m
（6）通航凈空
本橋按2排1列通航的航道等級進行設計，雙向通航孔凈寬150m，上底寬131m，凈高10m，側高6m。
3 橋孔決定的依據
（1）通航等級為Ⅱ級，雙向通航凈寬150m，通航凈高10m。
（2）行洪要求：行洪要求減少阻水面積，避免對河堤等產生不利影響，避免上游壅水太高，以及流向改變明顯而造成沖刷。
（3）橋址處線路與河流交角約73°，河流在橋址處下游約900m處為彎道。
（4）橋位方案的確定：柳江特大橋肇慶端與象州站位緊鄰，受大瑤山越嶺標高的影響，象州站位標高為118m左右，在此標高下為滿足車站設計要求，造成柳江特大橋斜交角度較大，橋面標高較高。
4 橋式方案研究
引橋采用多孔32m簡支梁跨越，現將主橋的方案比選如下：
1、橋式方案研究要點
（1）滿足160km/h速度目標值行車要求和貨物列車按120km/h速度行駛要求。
（2）結構耐久性和維護的方便性
（3）建設條件的合理性：通航條件、行洪條件、地質條件、地形條件、交通條件、河床演變等。
（4）安全性：結構安全性、防洪安全性、地基穩定性、通航安全性。
（5）施工操作的可行性：施工技術、設備、費用、安全、環保等綜合比選。
（6）與環境的協調性
2、橋式方案研究
根據橋位處地形地貌、地質、通航、行洪等情況，本階段分別對混凝土斜拉橋、剛構拱橋、雙結合鋼桁梁橋三個橋式方案進行分析比較。
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混凝土斜拉橋方案
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主橋孔跨布置：40+106+236+106+40m
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主橋結構形式：雙塔雙索面混凝土斜拉橋
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主橋結構構造：本方案為主跨236m的混凝土斜拉橋，橋塔為空心混凝土結構，主梁采用混凝土箱梁，橋塔采用“上窄下寬”的“H”形塔。承臺采用啞鈴型結構，每個橋塔采用38根φ2.5m的鉆孔灌注樁。
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連接構造：本方案中混凝土箱梁與主塔間通過支座連接，塔梁間設縱向阻尼裝置。
（2）剛構拱橋方案
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主橋孔跨布置：126+236+126m
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主橋結構形式：剛構拱橋
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主橋結構構造：本方案為主跨236m的剛構拱橋，采用先梁后拱的方式進行施工，拱肋參與結構的二期恒載和活載的受力，主梁采用變截面混凝土箱梁，主墩采用雙薄壁墩，承臺為矩形，每個承臺采用20根φ2.8m鉆孔灌筑樁。
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拱肋：拱肋計算跨度236m，矢跨比1/5，矢高47.2m，拱軸線為懸鏈線，拱肋各桿件之間通過節點板進行連接。
（3）雙結合鋼桁梁橋方案
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主橋孔跨布置：129+236+129m
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主橋結構形式：雙結合鋼桁梁橋
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主橋結構構造：本方案為主跨236m的雙結合鋼桁梁橋，本橋不僅橋面板與主梁鋼結構共同參與受力，在中支點處下弦桿之間澆筑混凝土，使其與鋼結構也共同受力，形成了雙結合的鋼桁梁橋體系。
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連接構造：本方案中主梁與橋墩之間通過支座連接。
（4）現對鋼箱拱橋、鋼管混凝土拱橋方案進行比較，對比結果如下表：
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混凝土斜拉橋 |
剛構拱橋 |
雙結合鋼桁梁橋 |
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工程造價 |
2.41億 |
2.46億 |
3.46億 |
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施工工期 |
33個月 |
39個月 |
38個月 |
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整體結構動力性能 |
基階頻率0.53(橫向彎曲),面內穩定系數64.9，面外穩定系數67.1。滿足時速160km/h客運列車和120km/h貨運列車運行要求 |
基階頻率0.24(縱向彎曲),面內穩定系數13.6，面外穩定系數15.4。滿足時速160km/h客運列車和120km/h貨運列車運行要求 |
基階頻率0.36(橫向彎曲),面外穩定系數3.4，面內穩定系數19.1。滿足時速160km/h客運列車和122km/h貨運列車運行要求 |
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穩定 |
豎向 |
穩定 |
穩定 |
穩定 |
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橫向 |
穩定 |
穩定 |
穩定 |
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體系受力 |
簡單明確 |
梁拱墩結合處結構受力復雜 |
簡單明確 |
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主要使用材料情況 |
混凝土 |
混凝土，拱肋為鋼管混凝土結構 |
鋼結構 |
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維護費用 |
低 |
較高 |
高 |
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主要施工方法 |
懸臂澆注 |
梁懸臂澆注、拱肋豎轉 |
懸臂吊裝 |
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上部結構大臨設施 |
牽索掛籃 |
掛籃、扣塔、拱肋支架 |
懸臂吊機、扣塔 |
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基礎施工條件 |
深水基礎、承臺較大 |
深水基礎、承臺較小 |
深水基礎、承臺較小 |
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對通航條件的影響 |
對通航影響有限 |
對通航影響有限 |
對通航影響有限 |
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對行洪條件的影響 |
對行洪阻礙較小 |
對行洪阻礙較小 |
對行洪阻礙較小 |
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對環境及水土保持的影響 |
影響較小 |
影響較小 |
影響較小 |
經過技術、經濟、施工、運營安全、后期維護、與環境的協調等各方面比較，混凝土斜拉橋為主橋的方案具有較大的優勢，因此本橋推薦采用混凝土斜拉橋方案。
5 主橋結構設計
（一）、混凝土斜拉橋方案
混凝土斜拉橋方案 主橋布置圖
1、主梁
本橋主梁采用混凝土箱梁結構，箱梁寬度為15.6m，高度為3.5m，線間距4.2m，斜拉索橫向間距14m。塔梁之間為縱向活動支座，可以放松主梁溫度荷載對橋塔的影響，縱向設置阻尼裝置，使兩塔同時分擔橋面結構傳來的縱向力。
主梁截面為單箱三室，兩邊采用斜腹板，中間為直腹板。頂底板厚度為40cm，斜腹板厚度為40cm，直腹板厚度為30cm。兩直腹板間距為4.2m，與兩條線路中線相對應。在斜拉索錨固處、梁端、支座處設置橫隔板，橫隔板間距為6～8m，斜拉索錨固處隔板厚度為30cm，梁端隔板厚度為1.2m，橋塔和輔助墩處支座處隔板厚度為1m，所有隔板均設過人孔。主橋橋面結構構造圖如下圖所示。
主橋橋面結構構造圖
2、斜拉索
斜拉索為雙索面，采用高強度低松弛平行鋼絲束，錨頭為冷鑄墩頭錨。主橋斜拉索間距8m，斜拉索采用283φ7～313φ7的平行鋼絲束。
3、橋塔
由于本橋橋面結構較高，為了提高主橋的橫向剛度，本橋橋塔采用“上窄下寬”的“H”形塔，塔頂寬14m，塔底寬39m，塔頂斜拉索錨固區為直線段，向下至塔底為圓弧過渡。塔柱為箱型截面，縱橋向塔柱截面寬度由塔頂的6m增至塔底的12m，橫橋向塔柱截面寬度由塔頂的4m增至塔底的6m。每個塔設三道橫梁，均為箱型截面，上下兩個橫梁截面為4x4m，中間橫梁截面為6x4m。橋塔布置如下圖所示。
橋塔布置圖
4、承臺及基礎
為了使橋塔基礎受力更加合理，承臺采用啞鈴型結構，承臺順橋向寬度為23.75m，橫橋向寬度為66m，中間部分寬度為15.75m，承臺最厚處厚度為9m，中間厚度為5.3m，承臺頂面為坡面，與塔柱軸線垂直。每個橋塔采用38根φ2.5m的鉆孔灌注樁。具體構造如下圖所示。
橋塔承臺及基礎布置圖
（二）、剛構拱橋方案
剛構拱橋方案 主橋布置圖
1、主梁
本橋主梁采用變高度混凝土箱梁，箱梁中支點處梁高14m，端支點及中跨跨中處梁高4.6m，其中中支點處平段長10m，中跨跨中平段長20m，中間103m長度變高段梁底曲線為圓曲線。主梁采用單箱雙室截面，吊桿采用橫橋向雙吊桿布置，錨固處主梁箱內設置橫梁。
主梁頂板寬15.1m，頂板厚度40～50cm，底板厚度由跨中及端支點附近的35cm漸變至中支點附近的130cm，腹板厚度分別為30cm、45cm、60cm三種。在梁拱墩結合處，主梁上部由15.1m加寬至17.4m，下部與薄壁墩連為一體，斷面圖如下圖所示。
梁拱墩結合處斷面圖
2、拱肋
拱肋計算跨度236m，矢跨比1/5，矢高47.2m，拱軸線為懸鏈線，拱肋各桿件之間通過節點板進行連接。
每片拱肋由4根φ750mm鋼管混凝土組成，由小橫聯、豎向腹桿與弦桿連接成為鋼管混凝土桁架，腹桿和小橫聯均采用H型鋼，與拱肋弦桿通過節點板進行連接。拱肋上下弦之間中心高度由拱腳處的4m（鋼管中心間距）漸變至拱頂處的3m。每片拱肋鋼管橫向中心距1.7m，兩片拱肋中心距11.9m。全橋共設置9道橫撐，靠近拱腳的兩道橫撐為K字撐，其他的均為米字撐。
3、吊桿
吊桿采用高強度低松弛平行鋼絲束，錨頭為冷鑄墩頭錨。主橋吊桿采用橫橋向雙吊桿布置，每個上弦鋼管錨固一束吊桿，吊桿縱橋向間距10m，吊桿采用109φ7～127φ7的平行鋼絲束。
4、主墩
主墩采用雙薄壁墩，墩底設墩座，墩座高6m，順橋向寬14m，橫橋向寬20m。薄壁墩壁厚3m，自墩座頂以上41m的高度范圍內寬度為12m，其上以圓弧過渡至橋面頂部17.4m；薄壁墩為實心矩形截面，兩墩壁中心距5m。
5、主墩承臺及基礎
主墩承臺為矩形，順橋向寬26.6m，橫橋向寬33.6m，承臺厚度8m。每個承臺采用20根φ2.8m鉆孔灌注樁，順橋向4排，橫橋向5排，樁中心距7m。
（三）、雙結合鋼桁梁橋方案
雙結合鋼桁梁橋方案 主橋布置圖
1、上部結構
本方案為雙結合鋼桁梁橋，除了橋面板與主梁共同參與受力外，本橋在支座負彎矩區的桁梁下弦澆筑混凝土，使其與下弦桿共同受力，形成雙結合鋼桁梁體系，增加截面的抗彎剛度。主桁間距6.5m，橋面板寬度13m，橋面板厚度30cm；支座處負彎矩區桁梁下弦混凝土厚度2m，主墩支座處澆筑2個節間；支座處桁高18m，跨中處桁高10.5m。主桁材質采用Q370qE，為便于安裝，弦桿與腹桿采用等寬截面，弦桿與腹桿寬度均為2m，弦桿截面高度從2.8到1m不等。主梁構造如下圖所示。
主梁構造圖
2、主墩
主墩采用變截面圓端形空心墩，墩底設墩座，墩座高5m，順橋向寬14m，橫橋向寬20m。空心墩橫橋向壁厚2m，縱橋向壁厚1.5m；墩頂橫橋向×縱橋向為：12m×6m，墩頂橫橋向×縱橋向為：14m×8m；墩頂實心段高度5m，墩底實心段高度3m。
3、主墩承臺及基礎
主墩承臺為矩形，順橋向寬23.75m，橫橋向寬30m，承臺厚度8m。每個承臺采用20根φ2.5m鉆孔灌筑樁，順橋向4排，橫橋向5排，樁中心距6.25m。
6 結語
鐵路橋梁設計是以高墩、大跨、高速、耐久性為主要形式發展的。本研究結合柳江具體工程實例的方案，在符合安全適用、技術先進、經濟合理的前題下，對三種橋式方案結構設計進行了分析研究。橋梁建筑結構設計的目標是將形式美與結構的合理性統一起來，使二者結合得近乎完美。重點考慮經濟性和景觀效果，在理論可行的前題下，重點要考慮施工難易程度，決定主跨２36m斜拉橋為推薦方案，并已被建設單位采納。
作者簡介：初曉庚（1975-），男，工程師，2001年畢業于大連理工大學結構工程專業，工學碩士。
參考文獻：
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張華. 象州柳江特大橋可行性研究。
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劉俊峰，王為玉.鄭州黃河公鐵兩用橋總體設計.鐵道標準設計，2009（3）。
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李坤豐，葉長允.徐州和平路跨鐵站場大橋方案設計. 鐵道標準設計，2009（5）。
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TB10002.1-2005,鐵路橋涵設計基本規范。
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JTG D60-2004，《公路橋涵設計通用規范》。
