余 浪,羅 艷
(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031; 2.成都理工大學,成都 610059)
某高速鐵路位于四川地區(qū),為節(jié)省工程投資,其正線與聯(lián)絡線跨越某河道時合修成一座三線橋。
橋位處河道江面寬闊,侵蝕堆積的漫灘、階地地形平坦,沿江沖洪積河流堆積層較發(fā)育。兩側以構造剝蝕地形為主,構成方山臺階狀丘陵地貌。丘槽相間,地形波狀起伏。丘坡上基巖裸露,覆蓋層薄。
根據(jù)區(qū)域地質勘察資料,橋址所在地層巖性較復雜,主要由第四系全新統(tǒng)人工棄土、人工填土、粉質黏土、粗圓礫土、卵石土及泥巖夾砂巖等組成。地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水,據(jù)鉆孔揭露,地下水埋深0~15 m。橋址所在地區(qū)多年平均氣溫17.3 ℃,極端最高氣溫40.2 ℃,極端最低氣溫-5.4 ℃。年最大風速18.3 m/s,年平均風速1.2 m/s。
鐵路等級為國家Ⅰ級。正線為雙線無砟軌道,設計時速250 km;聯(lián)絡線為單線無砟軌道,設計時速80 km,設計活載采用ZK活載。橋位河道航道等級規(guī)劃為Ⅳ級,設計基本風壓值500 Pa,地震動峰值加速度0.05g。
橋軸線法線方向與水流流向的交角大于30°,相對橫向流速大于0.8 m/s,規(guī)范[1]要求一跨過江或在通航水域中不得設置墩柱。橋位與下游成渝客專和上游彎道距離較近,其間距不滿足規(guī)范相關規(guī)定。因此,通航部門要求橋梁采用一孔跨過通航水域方案。下游成渝客專采用(90+180+90) m連續(xù)梁拱橋跨越河道,本橋左主塔位于河灘區(qū),與連續(xù)梁拱橋的邊墩對孔設置;大里程在橋臺附近跨越既有老成渝鐵路,考慮通航及既有鐵路影響,右主塔墩位于河道邊緣岸坡附近,與成渝客專既有主墩對孔設置,基本滿足一跨過江要求。因此,本橋主跨跨度采用300 m。
本橋為三線橋,主梁可考慮雙層或平層[2-8]。因聯(lián)絡線需跨越正線,主梁若采用平層,聯(lián)絡線需首先平層通過主橋然后再抬高線位最后跨越正線,聯(lián)絡線需展線4 km,線路增加投資約2億元。為節(jié)省工程投資,主橋采用雙層鋼桁梁,上層布置為聯(lián)絡線單線,下層布置為正線雙線。
對于主跨300 m左右的鐵路橋梁而言,橋式一般可選用鋼桁拱或斜拉橋方案。本橋若采用鋼桁拱方案,存在綜合用鋼量大,經(jīng)濟性較差,施工難度相對較大等不利因素[9-11],所以本橋重點研究斜拉橋方案。對同等跨度的雙塔斜拉橋和獨塔斜拉橋[12-16]進行比較,總體布置見圖1,結果對比見表1。
圖1 雙塔和獨塔斜拉橋總體布置(單位:m)
表1 雙塔與獨塔斜拉橋方案對比
由圖1及表1可知,2種方案均可行,其中,獨塔斜拉橋整體剛度較大,能夠滿足橋梁結構及行車安全要求,與橋位地形適應性較好,對通航、邊坡及既有鐵路的影響較小,其水中基礎規(guī)模也較小,工程投資較省。因此,主橋采用獨塔斜拉橋方案。
合理選擇斜拉橋的結構約束體系可減小結構內力和位移響應。鐵路斜拉橋需要較大的橫豎向剛度,橫豎向一般采用固定支承約束體系[17]。本橋位于6度地震區(qū),地震力較低,縱向約束體系可不考慮地震力的影響。對于獨塔斜拉橋而言,研究2種縱向約束體系:①半漂浮體系,全橋塔墩臺縱向均設置活動支座,主塔再設置縱向阻尼器;②縱向固定體系,主塔設置縱向固定支座,其余墩臺設置縱向活動支座。結果對比見表2。
表2 不同縱向約束體系的結果對比
由表2可知,與半漂浮體系相比,采用縱向固定體系后,塔底彎矩大幅增加,但橋塔以小偏心受壓為主,且受力最不利位置在下塔柱與下橫梁相交處,塔柱最大壓應力增加9%,橋塔受力增加不大;基礎方量增加7%,基礎造價增加較少;但主梁梁端位移大幅減小,降低了伸縮裝置的設計難度,確保了軌道結構的穩(wěn)定性,提高了結構的行車安全。因此,本橋選擇縱向固定體系。
本橋邊跨位于河灘及河岸區(qū),輔助墩的設置基本不受通航控制。考慮到結構受力和剛度大小等因素,研究了2種輔助墩設置方案: ①設置2個輔助墩,孔跨布置(87.5+75+75+300+75) m;②設置1個輔助墩,孔跨布置(87.5+150+300+75) m。結果對比見表3。
表3 不同輔助墩設置的結果對比
由表3可知,減少輔助墩后,主梁豎向剛度減小,梁端轉角增大,塔頂變形變大,橫向剛度和受力基本不變,但變化幅度均不大,輔助墩數(shù)量的減少對結構整體剛度及受力影響較小。綜合剛度條件及經(jīng)濟性等因素,邊跨設置1個輔助墩。
3.3.1 主桁設計
主梁為雙層鋼桁梁,考慮上層為單線,下層為雙線,研究2種主桁形式: ①常規(guī)的矩形斷面,桁寬15 m;②上窄下寬的倒梯形斷面,桁寬上層12 m、下層15 m。結果對比見表4。
表4 不同主桁斷面的結果對比
由表4可知,與矩形斷面相比,采用倒梯形斷面,主梁豎向剛度加大,橫向剛度變小,但變化幅度都不大;主梁用鋼量及主梁上橫梁受力均減??;索塔橫梁跨度變小,索塔更加纖細,景觀效果較好。因此,從主梁用鋼量、桿件受力及景觀效果方面考慮,主桁采用倒梯形斷面。
3.3.2 橋面系設計
(1)橋面系形式
設計研究了2種橋面系: ①常規(guī)的正交異性板鋼橋面板密橫梁體系,橋面板厚16 mm,下設U肋及條形肋,鋼密橫梁為倒T形截面,與弦桿等高;②通長連續(xù)不斷縫的混凝土橋面板密橫梁體系,橋面板上層厚28 cm、寬10 m,下層厚30 cm、寬12.8 m,與鋼密橫梁通過剪力釘形成鋼-混結合橋面,鋼密橫梁節(jié)點處為箱形截面,非節(jié)點處為工字形截面,與弦桿等高。2種方案均不設縱梁。結果對比見表5。
表5 不同橋面系的結果對比
由表5可知,與鋼橋面相比,采用混凝土橋面,主梁橫豎向剛度增加明顯,其中豎向剛度增加13.7%,橫向剛度增加20.5%;梁端轉角減小11.8%,且鋼橋面梁端轉角超過規(guī)范[18]規(guī)定的1‰;主梁用鋼量減少20%,造價大大減小。另外,混凝土橋面板基本不存在疲勞問題,減輕了后期養(yǎng)護維修的工作量,對過往列車產(chǎn)生的噪聲也較小。因此,橋面系采用混凝土橋面板密橫梁體系。
(2)混凝土橋面板施工方案
混凝土橋面板按預制考慮,研究了2種橋面板施工方案。①方案1:懸臂拼裝鋼桁梁,同時安裝混凝土橋面板;②方案2:鋼桁梁合龍后再開始安裝混凝土橋面板。為減小主墩處橋面板拉應力,橋面板施工采取先跨中后支點等澆筑順序,并在主墩處采取頂落梁等措施。結果對比見表6,其中,正為拉應力。
表6 不同施工方案的結果對比 MPa
由表6可知,方案1中,由于混凝土橋面板與鋼桁梁共同承受主梁恒載、斜拉索力及列車荷載,主塔處混凝土橋面板壓應力達到31.1 MPa,遠遠超過規(guī)范[19]規(guī)定的20 MPa。方案2中,由于混凝土橋面板不承受主梁自重及鋼桁梁懸拼拼裝時的斜拉索力,只承受主梁二恒、鋼桁梁合龍后的部分斜拉索力及列車荷載,混凝土橋面板應力水平處于合理范圍,配置2根φ28 mm、間距10 cmHRB400鋼筋,按照拉彎構件配筋計算,鋼筋最大應力185.4 MPa,最大裂縫寬度0.15 mm,結果滿足規(guī)范[19]要求。因此,橋面板施工方案采用方案2,即鋼桁梁合龍后再開始安裝混凝土橋面板。
3.3.3 橫聯(lián)設計
為增大橫向剛度,鋼桁梁一般需設置橫聯(lián)??紤]到橋面系為混凝土橋面板密橫梁體系,整體剛度較大,橫向連接較強,研究了2種橫聯(lián)方案:(1)在每個節(jié)點處設置橫聯(lián),橫聯(lián)為常規(guī)的“X”形,支點處為箱形截面,非支點處為工字形截面;(2)不設橫聯(lián)。結果對比見表7。
表7 不同橫聯(lián)設置的結果對比
由表7可知,主梁取消橫聯(lián)后,其橫豎向剛度、梁端轉角及橫聯(lián)受力基本不變。因此,從節(jié)約用鋼量及主梁美觀性考慮,主梁不設橫聯(lián)。
3.3.4 小結
鋼桁梁采用倒梯形斷面,雙層鋼-混結合橋面系,不設橫聯(lián),設計簡潔經(jīng)濟。主桁橫斷面見圖2。
圖2 主桁橫斷面(單位:m)
主要計算結果如下。
(1)成橋狀態(tài)。主跨跨中上拱34 mm,主跨靠近主墩附近下?lián)?1 mm,主塔向岸側水平偏位9 mm。長期收縮徐變下?lián)?6 mm。
(2)結構剛度及變形。主跨跨中靜活載豎向撓度221 mm,豎向撓跨比1/1 357,滿足規(guī)范[18]要求。列車搖擺力、橫向風力及溫度作用下的梁體水平位移62 mm,水平撓跨比1/4 839,滿足規(guī)范[20]規(guī)定的≯L/4 000要求(L為橋梁跨度)。梁端轉角0.9‰rad,滿足規(guī)范[18]規(guī)定的≯1‰rad要求。徐變+溫度+列車荷載工況下主跨跨中豎向撓度262 mm,對應的曲率半徑為42 939 m,大于規(guī)范[18]規(guī)定的時速250 km最小豎曲線半徑25 000 m要求,滿足列車時速250 km旅客舒適性對豎曲線離心加速度的要求。
(3)主梁。在主力作用下,鋼梁最大拉應力189.8 MPa,最大壓應力210.7 MPa,均未超過Q370qE鋼材的容許彎曲應力,滿足規(guī)范[19]要求。在主力作用下,混凝土橋面板最大拉應力13.5 MPa,最大壓應力12.7 MPa?;炷翗蛎姘迮渲?根φ28 mm、間距10 cmHRB400鋼筋,按照拉彎構件配筋計算,鋼筋最大應力185.4 MPa,最大裂縫寬度0.15 mm,結果滿足規(guī)范[19]要求。
(4)橋塔。在施工和運營階段,塔柱均處于受壓狀態(tài)。主力和主力+附加力作用下塔柱最大應力分別為12.8 MPa和13.5 MPa,滿足規(guī)范[19]要求。
(5)斜拉索。在主力+附加力作用下,斜拉索最大應力為722.5 MPa,斜拉索最小安全系數(shù)為2.57,最大疲勞應力幅為107 MPa,均滿足規(guī)范[21]要求。
(6)穩(wěn)定性分析。在恒載+橫橋向風荷載+列車荷載工況下進行結構彈性穩(wěn)定性分析,穩(wěn)定系數(shù)為10.5,滿足規(guī)范[22]規(guī)定的斜拉橋彈性穩(wěn)定系數(shù)≮4的要求。
結合工程實例,對雙層鋼-混結合鋼桁梁獨塔斜拉橋從結構構造到受力性能進行了初步分析,得出如下結論。
(1)雙層鋼-混結合鋼桁梁獨塔斜拉橋具有結構整體剛度大,對通航、特定地形、邊坡及既有鐵路影響較小,水中基礎規(guī)模較小,經(jīng)濟性較優(yōu)等特點,可應用于高速鐵路主跨300 m橋梁。
(2)獨塔斜拉橋采用縱向固定約束體系,可大幅減小主梁梁端位移,確保軌道結構的穩(wěn)定性,提高結構的行車安全,其需根據(jù)主梁縱向位移、橋塔受力及基礎規(guī)模等綜合確定。
(3)邊跨設置輔助墩可以提高主梁豎向剛度,降低塔頂變形,減小梁端轉角,應結合場地條件、橋梁剛度及主梁受力等進行合理布置。
(4)與鋼橋面板相比,混凝土橋面板減少用鋼量,節(jié)省工程投資,大大減小后期養(yǎng)護維修工作量。
(5)鋼桁梁采用倒梯形斷面,雙層鋼-混結合橋面系,不設橫聯(lián),能夠提高結構的整體剛度,滿足高速鐵路行車要求,是一種較為合理的三線鐵路斜拉橋主梁斷面形式。
該橋結構技術先進,造型優(yōu)美,景觀效果佳,具有很強的創(chuàng)新性。