鐵路高低塔斜拉橋受力特性研究

李 浩

(1.北京交通大學(xué) 土建學(xué)院,北京 100044;2.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 建設(shè)部,廣東 廣州 510088)

高低塔斜拉橋結(jié)構(gòu)新穎，國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用在公路斜拉橋中，一般在以下情況下采用：(1)在某些適宜的水文、地質(zhì)、地形(包括水底地形)等條件下采用高低塔的型式往往可以獲得合理而又經(jīng)濟(jì)的橋跨布局[1-2]；(2)從橋梁景觀方面考慮，高低塔給人以錯(cuò)落多變的印象，克服千篇一律、呆滯的格局，使人有新穎感，富有景觀的效果[3]。

結(jié)合鐵路特點(diǎn)，鐵路高低塔斜拉橋的選擇有如下情況：(1)特殊地形限制：鐵路橋在主跨跨越峽谷，且受地形限制一側(cè)引橋即將入隧道導(dǎo)致邊跨長(zhǎng)度較短。(2)通航要求：為滿足特殊通航要求，可能會(huì)出現(xiàn)一側(cè)橋塔位于水中，一側(cè)橋塔位于岸上的情況，水上施工費(fèi)用較岸上施工費(fèi)用高，從經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，增加岸上工程量，減少水中工程量。(3)景觀要求：當(dāng)與既有橋梁并行時(shí)，特別是在城市區(qū)域內(nèi)，有時(shí)為滿足景觀要求或?yàn)榕c周邊區(qū)域環(huán)境協(xié)調(diào)[4-5]。

目前，高低塔斜拉橋體系在鐵路橋梁上采用較少，相應(yīng)的研究較少。本文為研究鐵路高低塔斜拉橋的受力特性，以新建廣州南沙港鐵路西江特大橋的高低塔斜拉橋方案為工程背景，進(jìn)行鐵路高低塔斜拉橋受力特性及靜、動(dòng)力特性的研究。

1 工程概況

新建廣州南沙港鐵路西江特大橋位于西江與古鎮(zhèn)水道的分流口處跨越西江，緊鄰在建的廣中江高速西江特大橋，下游為水源保護(hù)區(qū)，鐵路橋位于河道彎道內(nèi)側(cè)。根據(jù)通航安全要求，大里程側(cè)需要一跨上岸，主橋主跨達(dá)600 m，與公路400 m主跨并行布置，若鐵路橋采用等高塔斜拉橋，立面景觀上與公路橋協(xié)調(diào)性較差，如圖1(a)所示，因此，采用高低塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)形式，使公路橋橋塔及索面投影在鐵路橋索面之內(nèi)，如圖1(b)所示，以達(dá)到區(qū)域景觀環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，同時(shí)也最大程度地減小了對(duì)水源保護(hù)區(qū)的影響。

圖1 等高塔與高低塔的立面景觀效果對(duì)比

主橋采用(57.5+172.5+600+107.5+3×60)m鋼箱混合雙主梁高低塔斜拉橋方案。岸上采用混凝土主梁，水中部分采用鋼箱主梁。低塔采用H型橋塔，橋塔順橋向在中橫梁處變?yōu)殡p肢單箱單室截面，橋面以上塔高119 m，橋面以下塔高41 m。高塔同樣采用H型橋塔，橋塔順橋向在上橫梁處變?yōu)殡p肢單箱單室截面，橋面以上塔高234 m，橋面以下塔高33 m。拉索為雙索面布置，斜拉索規(guī)格為PES7-127～PES7-301型拉索。主梁約束方式：① 邊墩及輔助墩設(shè)置豎向及橫向約束支座；② 低塔設(shè)置固定支座，高塔設(shè)置豎向支座，兩橋塔均設(shè)置橫向抗風(fēng)支座；③ 高塔設(shè)置黏滯阻尼器，滿足溫度作用下自由伸縮，減小地震響應(yīng)及減小制動(dòng)力作用下縱向位移的要求。橋式布置如圖2所示。

圖2 全橋結(jié)構(gòu)布置圖(單位：m)

主橋鋼主梁采用Q345qD鋼材；斜拉索采用強(qiáng)度等級(jí)為1 770 MPa的φ7 mm鍍鋅平行鋼絲成品索；邊跨混凝土主梁采用C60混凝土；主塔采用C50混凝土；承臺(tái)采用C50混凝土。本橋材料主要物理特性見(jiàn)表1。

表1 本橋材料主要物理特性

該橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

鐵路等級(jí)：Ⅰ級(jí)。

正線數(shù)目：雙線。

軌道型式：貨運(yùn)線，有砟軌道。

正線線間距：4.0 m。

速度目標(biāo)值：120 km·h-1。

地震基本烈度：場(chǎng)地地震基本烈度為Ⅶ度，基本地震動(dòng)峰值加速度0.1g。

2 有限元分析模型

研究分析采用Midas/Civil有限元程序進(jìn)行空間分析，主塔、主梁、縱橫梁采用梁?jiǎn)卧?，斜拉索采用索單元，承臺(tái)采用梁?jiǎn)卧?，基礎(chǔ)采用6自由度彈性約束模擬。主橋三維模型如圖3所示，整體結(jié)構(gòu)共計(jì)1 886個(gè)節(jié)點(diǎn)，梁?jiǎn)卧? 809個(gè)，索單元192個(gè)。

計(jì)算荷載組合如下：

(1)主力組合：恒載+活載；

(2)主力+附加力組合：主力+縱向附加力(制動(dòng)力、風(fēng)力、溫度力)、主力+橫向附加力(風(fēng)力、溫度力)。

圖3 空間三維有限元分析模型

3 高低塔斜拉橋受力特性

3.1 等效跨度

定義高、低塔的等效跨度LEQ-H和LEQ-L分別為活載作用下高、低塔至主梁最大下?lián)献冃吸c(diǎn)A距離的2倍；高低塔斜拉橋的等效跨度L等效=max(LEQ-H，LEQ-L)。高低塔斜拉橋的等效跨度L等效是衡量其構(gòu)造及受力是否合理的關(guān)鍵參數(shù)，L等效越接近中跨長(zhǎng)度L，梁體受彎曲效應(yīng)越小、索力也越均勻。

圖4為本橋的等效跨度分析結(jié)果。結(jié)果表明，本橋最大下?lián)献冃吸c(diǎn)位于中跨L/2和高低塔拉索分界點(diǎn)B之間，本橋最大下?lián)宵c(diǎn)位于高塔側(cè)RM27號(hào)斜拉索處，LEQ-H=2×334=668(m)，LEQ-L=2×266=532(m),因此L等效=668 m。本橋等效跨度L等效接近于中跨長(zhǎng)度L，因此，本高低塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系合理。

圖4 高低塔斜拉橋等效跨度結(jié)果(單位：m)

3.2 邊跨設(shè)置合驗(yàn)

高低塔斜拉橋在結(jié)構(gòu)布置和受力上均是不對(duì)稱(chēng)的，高低塔斜拉橋邊中跨比例應(yīng)以等效跨度為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置，若按常規(guī)斜拉橋設(shè)置，將導(dǎo)致低塔側(cè)邊中跨比值偏小，高塔側(cè)邊中跨比值偏大。

由于本橋小里程受到通航及道路影響，邊跨需與緊鄰公路橋?qū)撞贾?，小里程?cè)邊跨采用57.5+172.5=230 (m)布孔，邊跨跨度與低塔等效跨度比值為230/532=0.432。大里程邊跨在滿足高塔斜拉索布置的前提下，盡量縮短邊跨長(zhǎng)度，以使邊跨與高塔等效跨度比例適中，大里程側(cè)邊跨采用107.5+60+60+60=287.5(m)布孔，邊跨與高塔等效跨度比值為287.5/668=0.430。對(duì)于混合梁斜拉橋來(lái)說(shuō)邊中跨適宜比例為0.35～0.45[6-8]，因此，本橋邊中跨比例是合適的。

圖5 高低塔斜拉橋邊跨布置圖(單位：m)

3.3 橋塔剛度對(duì)最大下?lián)宵c(diǎn)的影響

為分析橋塔剛度對(duì)最大下?lián)宵c(diǎn)的影響，以主梁活載最大下?lián)宵c(diǎn)位置及最大下?lián)现禐檠芯繉?duì)象，開(kāi)展以下4個(gè)橋塔剛度工況的對(duì)比分析。

(1)原設(shè)計(jì)；

(2)方案1：高塔剛度增加2.5倍，低塔剛度不變；

(3)方案2：高塔剛度增大10倍，低塔剛度不變；

(4)方案3：低塔剛度增大10倍，高塔剛度不變。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同橋塔剛度下主梁最大下?lián)隙燃跋聯(lián)宵c(diǎn)位置

研究結(jié)果表明：高低塔的最大下?lián)宵c(diǎn)位置基本由結(jié)構(gòu)體系決定，即由高塔與低塔的斜拉索布置范圍所決定，而橋塔剛度變化基本不會(huì)改變最大下?lián)宵c(diǎn)位置；一側(cè)橋塔剛度增加，最大下?lián)宵c(diǎn)將產(chǎn)生向另一側(cè)橋塔移動(dòng)的趨勢(shì)；高塔剛度增加將使其剛度與低塔剛度接近，增加高塔剛度使結(jié)構(gòu)下?lián)蠝p小相比增加低塔剛度更加明顯，合理的高低塔剛度匹配是高低塔斜拉橋的關(guān)鍵參數(shù)之一。

3.4 斜拉索剛度對(duì)最大下?lián)宵c(diǎn)的影響

為分析斜拉索剛度對(duì)最大下?lián)宵c(diǎn)的影響，以主梁活載最大下?lián)宵c(diǎn)位置及最大下?lián)现禐檠芯繉?duì)象，開(kāi)展以下4個(gè)斜拉索剛度工況的對(duì)比分析。

(1)原設(shè)計(jì)；

(2)方案1：低塔最外側(cè)4根索的編束由475根降到409根；

(3)方案2：高塔最外側(cè)4根索的編束由313根增到337根；

(4)方案3：高塔最外側(cè)4根索的編束由337根增到367根。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同斜拉索剛度下主梁最大下?lián)隙燃跋聯(lián)宵c(diǎn)位置

研究結(jié)果表明，斜拉索剛度變化基本不會(huì)改變主梁最大下?lián)宵c(diǎn)位置，斜拉索剛度對(duì)主梁最大下?lián)宵c(diǎn)影響不明顯。由于低塔側(cè)斜拉索較高塔側(cè)斜拉索長(zhǎng)度要短，接近高塔側(cè)斜拉索長(zhǎng)度的1/2，同等規(guī)格下低塔側(cè)斜拉索剛度為高塔側(cè)斜拉索剛度的2倍，并且由于結(jié)構(gòu)體系影響，低塔側(cè)斜拉索承擔(dān)的活載比例較大，斜拉索活載索力及應(yīng)力幅較大。因此，合理的斜拉索規(guī)格也是高低塔斜拉橋的關(guān)鍵參數(shù)之一。

3.5 主要靜力計(jì)算結(jié)果

利用有限元程序進(jìn)行全橋空間分析，得到的主橋主要靜力結(jié)果見(jiàn)表4和表5，其中，表5中拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值。

表4 主要?jiǎng)偠扔?jì)算結(jié)果

表5 主要應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

計(jì)算結(jié)果表明，活載撓跨比=1.062/600=1/565<1/500，梁端豎向轉(zhuǎn)角均小于2‰，結(jié)構(gòu)應(yīng)力均在容許范圍之內(nèi)。因此，主橋的剛度指標(biāo)及強(qiáng)度指標(biāo)均滿足TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

穩(wěn)定分析表明，最大懸臂階段穩(wěn)定系數(shù)為5.25，大于4，模態(tài)為高塔橫橋向彎曲失穩(wěn)；運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的全橋穩(wěn)定系數(shù)為5.32，大于4，模態(tài)為高塔橫橋向彎曲帶動(dòng)主梁縱飄失穩(wěn)。因此，滿足JTG/T D65-01—2007《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》關(guān)于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性安全系數(shù)大于4的要求。

4 車(chē)橋動(dòng)力響應(yīng)

利用所建橋梁的動(dòng)力分析模型，進(jìn)行橋梁自振特性分析。表6列出了西江特大橋主橋前10階的自振特性分析結(jié)果。

表6 西江特大橋主橋自振特性

參照其他線路橋梁動(dòng)力特性仿真分析中相關(guān)內(nèi)容[9-10]，車(chē)橋動(dòng)力分析中列車(chē)類(lèi)型、編組及速度等級(jí)選取如下。

(1)由C70型貨車(chē)組成的貨物列車(chē)。列車(chē)編組為10節(jié)重車(chē)+10節(jié)空車(chē)+10節(jié)重車(chē)+10節(jié)空車(chē)，共40節(jié)；速度等級(jí)取80，100和120 km·h-1；軌道不平順采用美國(guó)五級(jí)譜生成的軌道不平順數(shù)據(jù)。

(2)SS8型機(jī)車(chē)牽引的旅客列車(chē)。列車(chē)編組為1節(jié)SS8型機(jī)車(chē)+17節(jié)25K客車(chē)，共18節(jié)；速度等級(jí)取80，100，120和140 km·h-1；軌道不平順采用美國(guó)五級(jí)譜生成的軌道不平順數(shù)據(jù)。

西江特大橋主梁跨中位移及加速度響應(yīng)見(jiàn)表7。

表7 西江特大橋振動(dòng)性能

橋梁動(dòng)力響應(yīng)限值：橋梁豎向振動(dòng)加速度限值為0.35g(半幅、有砟軌道)；橋梁橫向振動(dòng)加速度限值為0.14g(半幅)。

結(jié)果表明：西江特大橋跨中典型斷面的最大動(dòng)力響應(yīng)小于規(guī)范規(guī)定的限值，橋梁動(dòng)力性能良好。

西江特大橋主橋在旅客列車(chē)以速度80～140 km·h-1、貨物列車(chē)以速度80～120 km·h-1通過(guò)時(shí)，機(jī)車(chē)與車(chē)輛的脫軌系數(shù)≤0.8、輪重減載率≤0.6，安全性指標(biāo)均在限值以?xún)?nèi)；說(shuō)明列車(chē)運(yùn)行的安全性得到保障。

西江特大橋主橋在旅客列車(chē)以速度80～140 km·h-1通過(guò)時(shí)，車(chē)輛橫向舒適性?xún)H在車(chē)速140 km·h-1時(shí)達(dá)到“良”，豎向客車(chē)舒適性指標(biāo)在車(chē)速80～140 km·h-1范圍內(nèi)為“優(yōu)”。在C70貨車(chē)以速度80～120 km·h-1通過(guò)時(shí)，車(chē)輛的豎向和橫向運(yùn)行平穩(wěn)性均達(dá)到“優(yōu)”。

5 結(jié) 論

(1)高低塔斜拉橋在結(jié)構(gòu)布置和受力上均是不對(duì)稱(chēng)的，高低塔斜拉橋邊中跨比例應(yīng)以等效跨度為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置。

(2)橋塔剛度變化基本不會(huì)改變最大下?lián)宵c(diǎn)的位置；一側(cè)橋塔剛度增加，最大下?lián)宵c(diǎn)將產(chǎn)生向另一側(cè)橋塔移動(dòng)的趨勢(shì)；增加高塔剛度使結(jié)構(gòu)下?lián)蠝p小相比增加低塔剛度更加明顯；合理的高低塔剛度匹配是高低塔斜拉橋的關(guān)鍵參數(shù)之一。

(3)斜拉索剛度變化基本不會(huì)改變最大下?lián)宵c(diǎn)的位置，并且對(duì)結(jié)構(gòu)剛度影響不明顯；低塔側(cè)斜拉索承擔(dān)的活載比例較大，斜拉索活載索力及應(yīng)力幅較大；合理的斜拉索規(guī)格是高低塔斜拉橋的關(guān)鍵參數(shù)之一。

(4)鐵路高低塔斜拉橋靜、動(dòng)力受力合理可靠，技術(shù)可行，在特殊建設(shè)條件下具有較高的應(yīng)用價(jià)值。