3×340 m公鐵合建多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系研究

文望青，李的平，2，嚴(yán)愛國，2，黃納新，2

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063； 2.中鐵建大橋設(shè)計(jì)研究院，武漢 430063)

1 項(xiàng)目概況

1. 1 建橋條件

珠海市區(qū)至珠海機(jī)場城際鐵路二期金海特大橋跨磨刀門水道入?？冢瑸榱斯?jié)省橋位資源、降低投資，珠機(jī)城際鐵路與金海高速公路合建跨海大橋。磨刀門是西江的主要出?？陂T，水道水面寬度2.3 km左右，水道地形較平緩，天然水深8～12 m，線路與水流方向夾角為84°。橋址地處臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，平均每年1.3次，最多年份4次。場區(qū)為海積平原地貌，海灘前緣，第四系海陸交互相堆積層厚度約40 m，場區(qū)下伏基巖為燕山期侵入巖—花崗巖，σ0=1 000 kPa。

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)荷載標(biāo)準(zhǔn)：橋上通行雙線城際鐵路與6車道高速公路，設(shè)計(jì)行車速度鐵路160 km/h，公路100 km/h。

(2)通航標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)劃為Ⅰ級(jí)航道，通航5 000 t級(jí)海輪。通航凈寬度310.2 m，凈高32 m，最高通航水位為2.94 m，最低通航水位為-0.54 m。

(3)抗風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速取48.5 m/s。

(4)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g。

1.3 橋型方案

根據(jù)通航影響評價(jià)結(jié)論，確定金海大橋跨磨刀門水道主通航孔跨徑為3×340 m，又因受鐵路設(shè)站、公路陸上接線控制，采用公鐵同層布置[1]。

參照已建成的同類跨度橋梁，可行的橋型方案有斜拉橋、連續(xù)鋼桁柔性拱[2-3]、鋼桁拱[4]。結(jié)合本橋的建設(shè)條件：跨海、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速大、臺(tái)風(fēng)頻發(fā)、多主跨等因素，考慮經(jīng)濟(jì)性、施工難度及施工過程抗風(fēng)穩(wěn)定性，確定采用四塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，跨度布置為(58.5+116+3×340+116+58.5) m，橋式布置如圖1所示。

圖1 主橋橋式立面布置(單位：m)

該橋是國內(nèi)首座公鐵同層合建多塔斜拉橋，橋塔采用四柱式鋼塔，置于橋面中間；主梁采用挑臂式鋼箱梁，由單箱三室鋼箱梁與兩側(cè)挑臂組成，鋼塔柱壁板與鋼箱梁邊箱腹板對應(yīng)，斜拉橋錨固于邊箱內(nèi)，橋塔處斷面布置如圖2所示。

圖2 主橋斷面布置(單位：cm)

2 多塔斜拉橋的受力特點(diǎn)

和常規(guī)斜拉橋相比，多塔斜拉橋具有塔多聯(lián)長的布置形式，其主要構(gòu)件索、塔、梁受活載效應(yīng)和溫度效應(yīng)的影響均會(huì)有所增大[5-8]。主要表現(xiàn)如下。

(1)隨著索塔數(shù)量增加，多塔斜拉橋的中間塔兩側(cè)既無輔助墩和過渡墩，也沒有端錨索，缺少了對主梁和索塔剛度的有效幫助，使已經(jīng)是柔性結(jié)構(gòu)的斜拉橋柔性更大，并使結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)的活載影響線范圍和幅度增大，導(dǎo)致多塔斜拉橋的主梁撓度、斜拉索疲勞應(yīng)力幅和塔底內(nèi)力比常規(guī)斜拉橋要大得多。

(2)由于主梁長度增大后，溫度效應(yīng)影響增大。對主梁和斜拉索來說，過大的溫度變形不僅影響結(jié)構(gòu)的合理性與安全性，也影響結(jié)構(gòu)的適用性；對索塔而言，溫度的變化會(huì)對邊塔形成“拖拽”作用，溫度效應(yīng)處理不當(dāng)將導(dǎo)致邊塔塔底內(nèi)力過大，增加索塔、基礎(chǔ)等主要受力構(gòu)件的設(shè)計(jì)難度。

3 多塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系

截至目前，國內(nèi)外已建成多座公路多塔斜拉橋(僅統(tǒng)計(jì)4塔及以上)，其主要特征見表1。

通過對表1幾座典型多塔斜拉橋的分析，改善多塔斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度及長聯(lián)溫度效應(yīng)問題，主要從結(jié)構(gòu)體系入手，有如下幾種體系形式[9-10]。

(1)漂浮體系：希臘Rion大橋[11]采用的是全漂浮體系，并采用抗彎剛度大，抗推剛度小的四柱塔；浙江嘉紹大橋[12-13]采用雙排支座半漂浮體系。

(2)雙排支座梁式支承體系：法國米約高架橋及[14]南昌朝陽大橋[15]采用的是塔梁固結(jié)、墩塔分離的梁式支承體系。

(3)剛構(gòu)-半漂浮體系：湖南赤石大橋[16]，中塔梁墩固結(jié)體系，兩邊塔采用塔墩固結(jié)、塔梁半漂浮體系。

其中，通過橋塔處主梁縱向設(shè)置雙支點(diǎn)，對主梁受活載作用的豎向位移和轉(zhuǎn)角位移加以約束，表現(xiàn)為塔梁“準(zhǔn)固結(jié)”的受力方式。另外，設(shè)置雙支點(diǎn)也在一定程度上相當(dāng)于縮小了橋梁跨度，提高了主梁剛度，同時(shí)釋放了長聯(lián)的溫度效應(yīng)。

表1 已建成的公路多塔斜拉橋主要特征

4 金海特大橋體系研究

金海特大橋3×340 m斜拉橋?yàn)楣F合建橋梁，活載較大，對結(jié)構(gòu)剛度要求高，采用何種結(jié)構(gòu)體系提高結(jié)構(gòu)剛度、減小溫度效應(yīng)及改善結(jié)構(gòu)受力成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為此，在總結(jié)既有多塔斜拉橋(4塔及以上)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對以下幾種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行比選。

體系一：半漂浮體系，塔墩固結(jié)，梁墩之間設(shè)支座，見圖3。

體系二：剛構(gòu)-半漂浮體系，兩個(gè)中塔采用塔梁墩固結(jié)形式，邊塔塔墩固結(jié)，梁墩之間設(shè)支座，見圖4。

體系三：梁式支承體系，塔梁固結(jié)，墩梁分離，梁底縱向設(shè)雙排支座，見圖5。

體系四：剛構(gòu)-連續(xù)體系，該體系為首次采用，兩個(gè)中塔采用塔梁墩固結(jié)形式，兩個(gè)邊塔采用塔梁固結(jié)，墩梁分離，梁底縱向設(shè)雙排支座，見圖6。

圖3 體系一：半漂浮體系

圖4 體系二：剛構(gòu)-半漂浮體系

圖5 體系三：梁式支承體系

圖6 體系四：剛構(gòu)-連續(xù)體系

不同體系分析比較中，4個(gè)橋塔全部為鋼塔，主梁為挑臂式鋼梁，斜拉索規(guī)格相同；為減小固結(jié)體系下溫度力效應(yīng)，主墩采用雙肢薄壁墩[17]，墩高約40 m，厚度3.6 m；雙排支座縱向間距10.4 m；主墩基礎(chǔ)均為20-φ3.0 m鉆孔嵌巖樁。

(1)結(jié)構(gòu)變形及剛度

從表2可以看出，剛構(gòu)-連續(xù)體系與剛構(gòu)-半漂浮體系結(jié)構(gòu)剛度相當(dāng)，剛度最大，梁式支承體系稍小，半漂浮體系最小。

表2 不同約束體系結(jié)構(gòu)靜活載變形及剛度對比

(2)梁、塔應(yīng)力

不同約束體系主梁及橋塔應(yīng)力見表3，邊塔受力從大到?。喊肫◇w系→剛構(gòu)-半漂浮體系→梁式支承體系、剛構(gòu)-連續(xù)體系(相當(dāng)、下同)；邊塔受力從大到?。喊肫◇w系→梁式支承體系→剛構(gòu)-半漂浮體系、剛構(gòu)-連續(xù)體系；主梁受力從大到小：半漂浮體系→剛構(gòu)-半漂浮體系、梁式支承體系、剛構(gòu)-連續(xù)體系。

由此可見，采用剛構(gòu)-連續(xù)體系時(shí)，主梁及橋塔綜合受力最優(yōu)。

表3 不同約束體系主梁及橋塔應(yīng)力對比

(3)斜拉索索力(幅)

斜拉索索力(幅)計(jì)算結(jié)果見表4，4種約束體系拉索規(guī)格一致，均為PES(7)-223～451。

表4 不同約束體系索力(幅)對比

可以看出，不同約束體系下，斜拉索索力(幅)的變化規(guī)律與上述結(jié)構(gòu)剛度變化規(guī)律一致。

(4)基礎(chǔ)受力

從表5可以看出，4種體系中，中塔基底彎矩最大值水平相當(dāng)；邊塔基底彎矩最大值剛構(gòu)-半漂浮體系最小，其余三者彎矩水平相當(dāng)，剛構(gòu)-連續(xù)體系及梁式支承體系中，承臺(tái)底彎矩計(jì)入了支座摩阻力效應(yīng)[18]。

表5 不同約束體系承臺(tái)底彎矩對比 MN·m

對于本橋而言，4種約束體系中，半漂浮體系中主跨剛度最小、斜拉索應(yīng)力幅大，劣勢較明顯，不予采用；剛構(gòu)-半漂浮體系，結(jié)構(gòu)剛度較大，且不需要大噸位支座，但由于本橋公鐵平層布置、橋塔中置，該體系需在鋼梁上開孔，使邊塔穿過主梁后與橋墩固結(jié)，構(gòu)造處理復(fù)雜，考慮橋塔與主梁之間需要預(yù)留一定間隙，橋面寬度需要進(jìn)一步增加，因此也不宜采用；剛構(gòu)連續(xù)體系，剛度條件稍優(yōu)于梁式支承體系受力，且能減少8個(gè)大噸位支座[19]，經(jīng)濟(jì)性更好，因此推薦選用剛構(gòu)連續(xù)體系。

綜合分析，主橋結(jié)構(gòu)體系推薦采用剛構(gòu)-連續(xù)體系，即兩中間塔塔梁墩固結(jié)(梁頂與四柱式鋼塔固結(jié)，梁底與混凝土雙壁墩固結(jié)，見圖7)；兩側(cè)邊塔塔梁固結(jié)、塔墩分離、設(shè)雙排支座的結(jié)構(gòu)體系，順橋向雙排支座間距10.4 m，每墩設(shè)豎向承載力10萬kN和12萬kN的支座各2個(gè)。

圖7 中塔塔梁墩固結(jié)

通過動(dòng)力仿真分析[20]，采用剛構(gòu)-連續(xù)體系時(shí)，該橋的車橋動(dòng)力性能如下。

(1)橋梁振動(dòng)性能：在CRH6車組以速度80～200 km/h運(yùn)行時(shí)，橋梁跨中橫向和豎向振動(dòng)位移最大值分別為0.169，59.263 mm，橋梁跨中橫向和豎向振動(dòng)加速度最大值分別為0.010，0.088 m/s2。橋梁豎向和橫向振動(dòng)加速度均小于規(guī)范規(guī)定的限值，橋梁的振動(dòng)性能良好。

(2)列車行車安全性：在CRH6車組以速度80～200 km/h通過橋梁時(shí)，動(dòng)車與拖車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi)，列車行車安全性滿足要求。

(3)列車乘坐舒適性：在CRH6車組以速度80～200 km/h通過橋梁時(shí)，豎向舒適性和橫向舒適性均達(dá)到“優(yōu)”。

5 結(jié)論

多塔斜拉橋因塔、墩、梁構(gòu)件較多，結(jié)構(gòu)體系類型豐富多樣，不同體系對結(jié)構(gòu)的整體剛度、溫度力均影響較大。結(jié)合金海橋的跨度規(guī)模、活載、剛度要求、橋面及塔梁之間布置等，在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，研究比選了4種結(jié)構(gòu)體系：半漂浮體系、剛構(gòu)-半漂浮體系、梁式支承體系以及剛構(gòu)-連續(xù)體系，結(jié)論如下。

(1)剛構(gòu)-連續(xù)體系與剛構(gòu)-半漂浮體系結(jié)構(gòu)剛度相當(dāng)，撓跨比在1/750左右；梁式支承體系稍小，撓跨比為1/726；半漂浮體系最小，撓跨比為1/579。

(2)采用剛構(gòu)-連續(xù)體系時(shí)，主梁及橋塔綜合受力最優(yōu)。半漂浮體系斜拉索疲勞應(yīng)力幅最大，為189 MPa，剛構(gòu)-連續(xù)等3種體系在150 MPa以內(nèi)。

(3)4種體系中，中塔基底彎矩最大值水平相當(dāng)；邊塔基底彎矩最大值剛構(gòu)-半漂浮體系最小，其余三者彎矩水平相當(dāng)(計(jì)入支座摩阻力效應(yīng))。

(4)在構(gòu)造上，剛構(gòu)-連續(xù)體系比剛構(gòu)-半漂浮體系容易處理；剛構(gòu)連續(xù)體系相比梁式支承體系，能減少8個(gè)大噸位支座，經(jīng)濟(jì)性更好。

最終首次在多塔斜拉橋上采用剛構(gòu)連續(xù)體系，該體系有效提高了結(jié)構(gòu)整體剛度，主梁、橋塔及斜拉索受力較優(yōu)，同時(shí)降低了溫度效應(yīng)的不利影響，車橋動(dòng)力仿真分析結(jié)果表明，橋梁的振動(dòng)性能良好，行車舒適性優(yōu)。

金海大橋已于2018年3月開工建設(shè)，總工期4年，目前樁基礎(chǔ)施工已基本完成。