徐鹽高鐵鹽城特大橋主跨312 m鋼桁斜拉橋總體設(shè)計

王 冰,李方柯,蘇國明

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司,北京 102600)

1 工程概況

新建徐鹽高鐵位于蘇北地區(qū)，線路西起徐州鐵路樞紐徐州東站，經(jīng)宿遷、淮安地區(qū)接入新建鹽城高鐵站，線路全長314.07 km[1-2]。

鹽城特大橋主橋跨越鹽城市新洋港與通榆運河交界的喇叭口，橋位緊臨既有新長鐵路，最近距離僅22 m，是徐鹽高鐵全線的關(guān)鍵控制性工程。橋址平面布置如圖1所示。

圖1 橋址平面布置示意

橋址屬溫帶-亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季受太平洋副熱帶高壓控制，常有臺風(fēng)襲擊。歷年年平均氣溫14.7 ℃，橋面處設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速35.14 m/s。橋址范圍內(nèi)地勢平坦，地層主要為素填土、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂。表層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土厚5～12 m。不良地質(zhì)主要為粉砂地震液化。

圖2 主橋立面布置(單位：m)

橋址處場地土為軟弱土-中硬土，Ⅲ類場地。50年超越概率10%設(shè)計地震下地表水平地震動峰值加速度0.156g，特征周期0.8 s。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[3]

(1)線路等級：客運專線、有砟軌道。

(2)正線數(shù)目：雙線，線間距4.6 m。

(3)速度目標(biāo)值：250 km/h。

(4)平縱斷面：主橋立面位于±0.44‰的縱坡上，變坡點位于主跨中心線，平面位于直線上。

(5)設(shè)計荷載：ZK活載。

3 總體設(shè)計

3.1 橋式方案

新洋港為規(guī)劃Ⅲ級航道，橋梁跨越點現(xiàn)狀河道水面寬240 m左右。橋位上游約50 m為新長鐵路半穿式鋼桁梁，上游約100 m為主跨216 m的公路矮塔斜拉橋。主橋跨越處位于相交河道喇叭口，根據(jù)通航論證要求，水中不宜設(shè)墩，需一跨跨過292 m寬的規(guī)劃通航區(qū)域，經(jīng)綜合考慮，確定主跨為312 m。

為適應(yīng)高速行車的動力性能和保證軌道的平順性[4]，選擇連續(xù)鋼桁斜拉橋、連續(xù)鋼桁拱橋、連續(xù)鋼桁柔拱橋3個方案進行了研究[5]，通過技術(shù)經(jīng)濟條件、景觀協(xié)調(diào)性等綜合比選[6]，主橋推薦采用主跨312 m雙塔雙索面連續(xù)鋼桁梁斜拉橋方案。

結(jié)合目前國內(nèi)大跨度鐵路斜拉橋工程設(shè)計實踐[7-18]，本橋采用0.54倍的邊中跨比，既兼顧了工程經(jīng)濟性，又確保了支點壓重方案的可實施性；同時為改善成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的靜、動力性能，有效地提高結(jié)構(gòu)的剛度，約束梁端轉(zhuǎn)角，兩側(cè)邊跨位置各設(shè)置1處輔助墩，孔跨布置最終確定為(72+96+312+96+72) m，主橋總體布置見圖2。

3.2 結(jié)構(gòu)體系及壓重形式

斜拉橋結(jié)構(gòu)對地震響應(yīng)敏感，本橋抗震設(shè)防烈度Ⅶ度，為了有效減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，同時限制梁端縱向位移，滿足高速鐵路各項動力性能，結(jié)構(gòu)選用了半漂浮體系，塔墩固結(jié)、塔梁分離[19]。

本橋每個橋塔位置設(shè)置2套縱向阻尼器及2套速度鎖定器，速度鎖定器最大阻尼力1 500 kN，阻尼器最大阻尼力4 000 kN，阻尼指數(shù)0.4。在溫度力作用下，主梁縱向變形不受約束；在制動力、脈動風(fēng)等較小的沖擊荷載作用下，主梁縱向變形受速度鎖定器約束；在多遇地震力作用下，速度鎖定器剪斷，地震響應(yīng)由阻尼器限制。

由于鐵路活載比重較大，在合理邊中跨比的條件下，鋼桁梁斜拉橋的支點負反力問題仍比較突出。為確保在正常運營狀態(tài)下，輔助墩和交接墩不出現(xiàn)上拔力且具有一定的抵抗上拔力能力，需要在支點范圍施加壓重。由于鋼桁梁結(jié)構(gòu)可用以配置壓重的范圍有限，設(shè)計通過調(diào)整輔助墩位置及優(yōu)化索力，以確定最優(yōu)的壓重方案。本橋利用鐵砂混凝土壓重以克服支點負反力，每個交接墩設(shè)置6 000 kN的壓重荷載，分配在相鄰兩個節(jié)間；每個輔助墩設(shè)置10 000 kN的壓重荷載，分配在相鄰兩側(cè)4個節(jié)間。通過壓重，避免支座出現(xiàn)脫空。輔助墩及主塔位置支座噸位17 500 kN，交接墩位置支座噸位6 000 kN。

考慮本橋桁寬較寬，交接墩在兩個多向活動支座中間設(shè)置了橫向限位卡榫，通過改變橫向約束方式，有效減小了相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌橫向相對位移；橫向限位卡榫在多遇地震力作用下剪斷，水平剪斷力1 000 kN，利用防震落梁裝置進行橫向限位。

4 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計[20]

4.1 主梁

主梁采用鋼桁結(jié)構(gòu)，兩片主桁，三角形桁式，節(jié)間長度12 m，全橋共54個節(jié)間，主桁高度14 m，兩主桁中心距15 m。主桁采用焊接整體節(jié)點形式，桿件與節(jié)點之間采用高強度螺栓連接。主桁上、下弦內(nèi)側(cè)節(jié)點板為Q370qE+Z25鋼板，平聯(lián)、橫聯(lián)及橋門架為Q345qD鋼板；其余部位均為Q370qE鋼板。除節(jié)點板外，主桁桿件的板厚控制在50 mm以下。

主桁的上弦桿、下弦桿均采用箱形截面，下弦桿內(nèi)高1 400 mm，內(nèi)寬800 mm，上弦桿內(nèi)高800 mm，內(nèi)寬800 mm。斜腹桿采用箱形截面和工字形截面，箱形腹桿高800 mm，寬800 mm，工字形腹桿高800 mm，寬700 mm。上弦平面內(nèi)設(shè)上平縱聯(lián)，采用交叉式結(jié)構(gòu)。為提高結(jié)構(gòu)抗扭能力，在每個斜腹桿平面內(nèi)均設(shè)置桁式橫聯(lián)或橋門架，基本截面為H形。

橋面采用有砟軌道正交異性鋼橋面。橋面板在寬9.5 m道砟槽范圍內(nèi)采用熱軋不銹鋼復(fù)合鋼板，基材為16 mm厚的Q370qE鋼板，面板為厚3 mm的不銹鋼板。橋面板下設(shè)置18道U形肋，板厚8 mm，高260 mm，橫橋向間距600 mm，在每條軌道下設(shè)1道縱梁，縱梁采用倒T形截面，高500 mm。沿橋縱向每隔3 m設(shè)置1道橫梁，與下弦桿等高，支點處橫梁采用箱形截面，其余橫梁采用倒T形截面，壓重范圍橫梁下翼緣板中間范圍焊接相連并設(shè)縱向加勁板，形成下緣封閉的壓重隔艙，壓重區(qū)段橋面板開灌注孔，壓重混凝土灌注完進行封閉。主橋橫斷面見圖3。

圖3 主橋橫斷面(單位：mm)

4.2 斜拉索及錨固形式

斜拉索采用抗拉標(biāo)準(zhǔn)強度1 670 MPa的環(huán)氧鋼絲拉索，布置為平行的扇形雙索面。全橋共48對索，斜拉索在鋼桁梁上間距12 m，塔上理論錨點豎向索距2.5 m，斜拉索采用PES(C)7-199、223、313、349四種型號。斜拉索最長約163 m，最短約45 m，為抑制風(fēng)雨激振和渦激振，斜拉索采用阻尼器、氣動措施并用的綜合減振設(shè)計，HDPE護套表面設(shè)螺旋線，拉索兩端設(shè)內(nèi)置式減震裝置，索長大于100 m的拉索，在梁端另設(shè)外置式磁流變阻尼器以抑制風(fēng)雨振。

斜拉索采用梁端錨固，塔端張拉的方式。索塔錨固方式目前常用的有預(yù)應(yīng)力齒塊錨、鋼錨梁和鋼錨箱三大類，考慮到工程造價、后期維護等因素，本橋拉索采用塔內(nèi)齒塊錨固的形式，錨固構(gòu)造見圖4。結(jié)合三角形桁式，拉索在上弦桿采用錨拉板的錨固形式，錨拉板構(gòu)造見圖5。最外側(cè)斜拉索豎向傾角為26.1°，最內(nèi)側(cè)斜拉索傾角為68.6°，通過改變錨拉板與上弦桿角度來適應(yīng)拉索索形，與拉索保持水平。

圖4 橋塔齒塊錨固構(gòu)造

圖5 錨拉板構(gòu)造

4.3 橋塔構(gòu)造

結(jié)合橋塔造型、受力等因素，主塔采用H形花瓶式混凝土塔[20]。下塔柱橫橋向向內(nèi)傾斜，在保證足夠的剛度前提下盡量減少基礎(chǔ)尺寸。中塔柱傾角受鋼梁建筑限界控制，上塔柱塔肢采用與主桁相同的橫向中心距，斜拉索可實現(xiàn)平行索面，大大降低了設(shè)計及施工難度，拉索錨固區(qū)傳力更直接。橋塔構(gòu)造見圖6。

圖6 橋塔構(gòu)造(單位：cm)

塔座高度5.5 m，四周切角，以滿足通航限界的要求。塔座以上全高123 m，橋面以上塔高98 m，高跨比為1/3.184。塔柱均采用空心矩形截面，四角設(shè)倒角。上塔柱順橋向6 m等寬，塔柱根部順橋向9.6 m，上橫梁至塔底按45∶1坡比漸變。塔頂設(shè)避雷針，塔外側(cè)設(shè)航空警示燈。

下塔柱高度25 m，橫橋向?qū)?～6.5 m，壁厚1.2 m，順橋向?qū)?.5～9.6 m，壁厚為1.5 m。中塔柱高度54 m，橫橋向?qū)? m，壁厚1 m，順橋向?qū)?～8.5 m，壁厚1.5 m。上塔柱高度44 m，橫橋向?qū)? m，壁厚1 m，順橋向?qū)? m，壁厚1.5 m。上塔柱為拉索錨固區(qū)，內(nèi)設(shè)有拉索錨塊。錨固區(qū)按預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計，塔壁內(nèi)布置7-φ15.2 mm高強度低松弛鋼絞線，呈“井”字形布置，鋼束采用單端張拉，配套使用低回縮量錨具，有效減少張拉槽口數(shù)量及預(yù)應(yīng)力錨下?lián)p失。橋塔索錨區(qū)預(yù)應(yīng)力布置見圖7。

圖7 橋塔索錨區(qū)預(yù)應(yīng)力布置(單位：cm)

橋塔橫梁為單箱單室截面。下橫梁高4.5 m，橫橋向?qū)?0 m，順橋向?qū)?.5 m，頂、底板及腹板厚為1 m，支點位置設(shè)1 m厚橫隔墻。上橫梁高4 m，橫橋向?qū)?9 m，順橋向?qū)? m，頂、底板厚0.75 m，腹板厚1 m。橫梁均按預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計，分別布置12、48束19-φ15.2 mm鋼絞線。

4.4 下部結(jié)構(gòu)

由于橋址地質(zhì)條件較差，主塔基礎(chǔ)均采用40根φ2 m鉆孔灌注摩擦樁，行列式布置，樁長分別為107 m和105 m。承臺分2層，上層尺寸30.95 m×17.2 m(橫橋向×順橋向)，厚3.5 m；下層尺寸39.95 m×24.2 m(橫橋向×順橋向)，厚4.0 m。

交接墩和輔助墩采用拱形雙柱式門式墩，順橋向?qū)? m，基礎(chǔ)均布置18根φ1.5 m鉆孔灌注樁，承臺尺寸22.6 m×10.6 m(橫橋向×順橋向)，厚3.0 m。

4.5 伸縮裝置

為使橋面排水系統(tǒng)在橋面接縫處連續(xù)，并保證大型養(yǎng)護機械的施工作業(yè)，鋼梁梁端接縫處設(shè)置伸縮縫裝置。伸縮縫裝置采用D720 mm型大位移伸縮縫。由于交接墩處溫度跨度已超過300 m，鋼梁梁端伸縮位移量較大，在1029、1034號墩位置各設(shè)置一處軌道溫度伸縮調(diào)節(jié)器，以減小軌道附加力和釋放位移。

4.6 檢修設(shè)備

本橋在上弦設(shè)檢查走道、下弦設(shè)置鋼梁檢查小車。端斜桿設(shè)置爬梯，供維修養(yǎng)護員工由橋面至上弦檢查走道。各墩塔位置設(shè)置墩頂檢查豎梯，位于主桁桿件外側(cè)，供員工從橋面下達至墩頂或橫梁頂。

橋塔內(nèi)部分層設(shè)置檢修平臺。擋砟墻外側(cè)設(shè)置人行道，人行道結(jié)構(gòu)由型鋼焊接而成，分兩層結(jié)構(gòu)，上層走道頂面鋪鍍鋅鋼格柵板，下層為架空的電纜槽道，走道外側(cè)設(shè)欄桿扶手。

4.7 主要工程經(jīng)濟指標(biāo)

本橋主橋全長650 m，工程造價約3.5億元，折合每延米經(jīng)濟指標(biāo)54萬元。主梁用鋼量約1.1萬t，用鋼量指標(biāo)每延米16.78 t。橋塔采用C50混凝土，兩塔混凝土用量合計約15 000 m3。全橋斜拉索用量共821 t。

5 施工方案

本橋基礎(chǔ)施工控制因素較多，橋址地基承載力差，地下水位高，淤泥層較厚，且臨近既有新長鐵路，控制基坑變形要求高。為了保證鐵路路基邊坡穩(wěn)定并具備良好的止水效果，主塔14 m深基坑采用拉森Ⅵ型鋼板樁圍堰及高壓旋噴樁止水帷幕防護施工，其余橋墩基礎(chǔ)采用鋼板樁防護施工。H形橋塔各塔肢設(shè)內(nèi)部勁性骨架，采用爬模法分節(jié)段施工。橫梁采用鋼管支架現(xiàn)澆施工，塔柱與橫梁異步施工。

鋼桁梁整體架設(shè)采用散拼法。本橋邊跨及副跨均在新洋港兩岸的陸地上，鋼桁梁架設(shè)方案采用雙向?qū)ΨQ懸拼法(圖8)和支架單向懸拼法(圖9)從技術(shù)角度上均可行，工期及成本相差不大。考慮施工期間臺風(fēng)影響周期較長，且強度較大，鋼桁梁雙向懸拼施工階段抗風(fēng)穩(wěn)定性差，最終采用支架單向懸拼的施工方案，即邊跨和次邊跨鋼梁在承重支架上，利用提升設(shè)備進行安裝(北岸采用履帶吊、南岸采用龍門吊)，中跨鋼桁梁利用2臺70 t全回轉(zhuǎn)架梁吊機單向懸拼架設(shè)，并掛設(shè)斜拉索，斜拉索采用不對稱張拉，主梁在中跨跨中實現(xiàn)強制合龍。

圖8 雙向?qū)ΨQ懸拼法架設(shè)示意

圖9 支架單向懸拼法架設(shè)示意

為提高結(jié)構(gòu)整體抗風(fēng)穩(wěn)定性，根據(jù)鋼梁最大懸臂狀態(tài)受力狀況設(shè)置抗風(fēng)措施。利用阻尼器安裝鉸座設(shè)置帶長圓孔的剛性限位桿約束梁體縱向位移；在上弦桿與中塔柱之間設(shè)橫向墊塊，與下弦桿防落梁擋塊共同約束梁體橫向位移。縱、橫向抗風(fēng)措施協(xié)同工作，安全可靠。

6 主要技術(shù)特點

(1)利用本橋邊跨位于岸上的特點，斜拉橋鋼梁采用不對稱懸拼施工，配合鋼桁梁抗風(fēng)措施，有效提高了施工過程中的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性，施工過程中成功經(jīng)受了九級臺風(fēng)的考驗，邊跨支架拼裝能夠利用支點高程有效地控制成橋的拱度和線形；結(jié)合該工法，對斜拉索不對稱張拉進行專項設(shè)計，大大降低了上塔柱斜拉索的施工干擾。

(2)主塔位于河道喇叭口位置，主塔基礎(chǔ)埋深及塔座平面尺寸均受規(guī)劃通航限界控制，通過三維空間分析對塔座進行切角優(yōu)化，使得跨度布置更加經(jīng)濟合理，避免一味加大跨徑帶來的投資浪費。

(3)H形橋塔上塔柱塔肢采用與主桁相同的橫向中心距，斜拉索可實現(xiàn)索面平行，避免了空間索面錨拉板需要橫向彎折情況，錨拉板整體性好，受力更為直接，索錨點定位精度容易控制，大大降低了施工難度。

(4)拉索在上塔柱采用預(yù)應(yīng)力齒塊錨固，工程經(jīng)濟，后期維護量小。索塔錨固區(qū)預(yù)應(yīng)力采用單端張拉，配套使用低回縮量錨具，有效減少了預(yù)應(yīng)力損失。

(5)在國內(nèi)鐵路斜拉橋中首次采用了熱軋不銹鋼復(fù)合鋼橋面板，解決了道砟下鋼橋面板腐蝕難題，降低了后期運營維護的難度。

(6)由于引橋方案變化，需要在大橋合龍后滿足900 t運梁車通行條件，以滿足全線建設(shè)工期要求。通過分析研究，采用在正交異性鋼橋面板上鋪設(shè)鋼筋混凝土板的臨時局部加強方案，既經(jīng)濟又可靠，成為國內(nèi)鐵路鋼桁梁斜拉橋通行900 t運梁車的先例，保證了建設(shè)工期。

7 結(jié)語

作為徐鹽高鐵全線控制性工程，鹽城特大橋橫跨新洋港，位于高烈度、臺風(fēng)頻發(fā)區(qū)，且臨近鐵路營業(yè)線、超大深基坑作業(yè)，其設(shè)計和施工控制因素眾多。主橋于2016年3月開工建設(shè)，2018年8月順利完成鋼桁梁精確合龍，主橋合龍照片見圖10，2019年年底建成通車，建成后將成為目前國內(nèi)跨度最大的時速250 km雙線高鐵鋼桁斜拉橋。

圖10 主橋合龍