杭衢鐵路(117+240+117) m三線部分斜拉橋主橋設(shè)計(jì)

吳 鵬

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 橋梁概況

新建杭衢鐵路(建德至衢州段)北起建德市，經(jīng)龍游后至衢州西，正線全長(zhǎng)130.913 km。常山江特大橋是該項(xiàng)目的控制性節(jié)點(diǎn)工程，線路于衢州市衢江區(qū)境內(nèi)跨越常山江，橋址處常山江水面寬242 m，設(shè)計(jì)流量9 179 m3/s， 設(shè)計(jì)水位71.79 m，最高通航水位65.20 m。線路與常山江河道夾角59°。橋址處河道順直開(kāi)闊，地層主要為粉質(zhì)黏土、細(xì)圓礫土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、弱風(fēng)化粉砂巖。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)線路標(biāo)準(zhǔn)：正線雙線線間距5.0 m；聯(lián)絡(luò)線位于正線右側(cè)，距正線右線線間距6.5 m。設(shè)計(jì)速度正線350 km/h；聯(lián)絡(luò)線160 km/h。主橋位于5.7‰和-4.3‰縱坡上。平面位于直線上。

(2)設(shè)計(jì)活載：ZK標(biāo)準(zhǔn)活載。

(3)軌道類(lèi)型：正線雙線為無(wú)砟軌道，聯(lián)絡(luò)線單線為有砟軌道。

(4)場(chǎng)地類(lèi)型和地震烈度：場(chǎng)地土類(lèi)型為軟弱土-巖石，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，地震動(dòng)峰值加速度0.05g，場(chǎng)地基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期0.35 s。

(5)通航標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)劃Ⅲ級(jí)航道。

(6)設(shè)計(jì)使用年限：橋梁結(jié)構(gòu)100年。

3 橋型比選

在滿(mǎn)足防洪要求的條件下，本橋孔跨布置的關(guān)鍵點(diǎn)在于通航孔需考慮上游500 m處規(guī)劃船閘和下游250 m處公路大橋的影響。根據(jù)通航影響評(píng)價(jià)報(bào)告要求采用單孔雙向通航孔方案，最終確定主跨為240 m的大跨方案，以滿(mǎn)足通航要求。

本橋不適合大跨剛構(gòu)橋方案(最大主墩高約21 m)，設(shè)計(jì)中進(jìn)行了部分斜拉橋、連續(xù)梁-拱橋、鋼-混連續(xù)梁3種大跨橋型方案的比選。由于鋼-混連續(xù)梁的鋼混結(jié)合段受力特殊、構(gòu)造復(fù)雜，施工精度要求高、施工難度大，因此予以舍棄。重點(diǎn)對(duì)部分斜拉橋和連續(xù)梁-拱橋方案進(jìn)行了比較，詳見(jiàn)表1。

表1 橋型比較

上述方案均能滿(mǎn)足功能需求，但綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)性能、施工影響以及地方意見(jiàn)，最終確定采用(117+240+117) m部分斜拉橋[1]方案。考慮到大小里程側(cè)主墩高分別僅為11 m和21 m(指梁底到地面線之間的距離)，高跨比僅為1/11.43和1/21.82，難以采用塔墩梁固結(jié)體系[2-4]，技術(shù)比選后確定采用塔梁固結(jié)、塔墩分離體系。橋址平面和立面布置分別見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 橋址平面

圖2 主橋立面布置(單位：m)

4 橋梁主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 主梁

參考類(lèi)似工程，針對(duì)主橋梁高，設(shè)計(jì)階段研究了以下2種方案。

方案1：中支點(diǎn)梁高15.5 m，端支點(diǎn)梁高6.5 m。

方案2：中支點(diǎn)梁高14.5 m，端支點(diǎn)梁高7 m。

經(jīng)計(jì)算，上述2種梁高方案下的各指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。由于部分斜拉橋在一定范圍內(nèi)增加梁高對(duì)主梁的應(yīng)力改善影響較小[5]，梁部應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范的條件下，活載梁端轉(zhuǎn)角是控制梁高的主要因素[6]。計(jì)算結(jié)果顯示，靜活載作用下方案2的梁端轉(zhuǎn)角0.86‰rad優(yōu)于方案1的梁端轉(zhuǎn)角0.98‰rad，因此主梁采用中支點(diǎn)梁高14.5 m，端支點(diǎn)梁高7 m的單箱雙室箱形梁。

箱梁頂寬21.3 m。箱梁頂板厚0.45 m，至中支點(diǎn)附近加厚至0.7 m。箱梁底寬16.7 m，底板厚0.45～1.406 m。箱梁采用直腹板，腹板厚分0.50、0.70、0.90 m三種。主橋在梁的兩端和塔梁固結(jié)處共設(shè)4道橫隔板，在斜拉索各錨固點(diǎn)主梁箱內(nèi)共設(shè)32道橫梁。主梁典型橫斷面見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 中支點(diǎn)處箱梁截面(單位：cm)

圖4 跨中處箱梁截面(單位：cm)

邊支座及中支座均采用三支座布置，邊墩支座噸位為8 500 kN級(jí)，中墩支座噸位為170 000 kN級(jí)。橫橋向中心距分別為(7.15+7.15) m及(6.75+6.75) m。支座布置如圖5所示。

圖5 支座布置示意

4.2 橋塔

橋塔是部分斜拉橋的主要受力構(gòu)件之一，其高度與斜拉索水平傾角正相關(guān)。根據(jù)本橋特點(diǎn)(三線鐵路橋，橋面寬、承載重)并參考類(lèi)似工程，端索水平傾角取26.8°，較大的端索水平傾角提升了斜拉索的豎向效應(yīng)，改善了主梁應(yīng)力及梁端轉(zhuǎn)角。另由于本橋?yàn)榫€間距5 m+6.5 m的三線橋，線間難以設(shè)塔，技術(shù)比較最終確定本橋采用直立雙柱式橋塔，橋塔構(gòu)造見(jiàn)圖6。

橋面以上塔高52.0 m，橋面以上塔的高跨比為1/4.62。上塔柱索梁錨固區(qū)采用矩形實(shí)體截面，其余處采用矩形空心截面，順橋向?qū)挾葹?.0～7.2 m，橫橋向?qū)挾葹?.6 m，四周設(shè)50 cm倒角。

4.3 斜拉索及錨固方式

斜拉索的布置形式主要有輻射式、平行式、扇式。由于扇式斜拉索兼具輻射式和平行式的優(yōu)點(diǎn)[7]，因此本橋采用該布置形式，為空間雙索面體系。斜拉索采用抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa的單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線拉索，外套HDPE。斜拉索梁上縱向間距9 m，橫向間距19.8 m，與主梁采用成品梁端錨具形式，主梁內(nèi)設(shè)置錨固梁，張拉端設(shè)置在梁上。斜拉索在塔端采用分絲管索鞍貫通，間距為1.5 m。斜拉索端索水平夾角為26.8°，最長(zhǎng)115.6 m，最短57.8 m。

本橋?yàn)槿€鐵路斜拉橋，橋面較寬、荷載工況復(fù)雜，活載引起的斜拉索邊中跨雙側(cè)抗滑力以及同一根拉索在索塔兩側(cè)的索力差值較大，容易造成索塔錨固處橋塔混凝土劈裂[8]，設(shè)計(jì)階段開(kāi)展了下列專(zhuān)題研究：(1)大傾角拉索索鞍應(yīng)力分析；(2)索塔兩側(cè)拉索規(guī)格、索力、傾角非對(duì)稱(chēng)情況下鞍座式拉索錨固體系受力性能研究；(3)鞍座式拉索錨固體系的抗滑及疲勞性能研究。

通過(guò)上述研究分析，對(duì)索鞍局部構(gòu)造進(jìn)行了改進(jìn)，采用了一種新型雙側(cè)抗滑移鞍座式拉索錨固體系。主要改進(jìn)體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是在索鞍墊板處設(shè)置加勁板，加勁板上設(shè)置布筋孔；二是在索鞍兩端墊板之間設(shè)置4根φ20 mm的連接鋼筋，以利于索鞍墊板在斜拉索活載或不平衡力作用下的受力傳遞分散，從而改善索鞍墊板下混凝土的受力。斜拉索索鞍構(gòu)造詳見(jiàn)圖7。

常山江特大橋主橋采用的新型雙側(cè)抗滑鞍座式拉索錨固體系，構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便，解決了鞍座式拉索錨固體系應(yīng)用于大跨度斜拉橋時(shí)列車(chē)活載不對(duì)稱(chēng)加載時(shí)引起的同一根斜拉索在中跨和邊跨索力值差距較大問(wèn)題；并可在一側(cè)拉索梁端錨固失效時(shí)，可以對(duì)拉索進(jìn)行臨時(shí)錨固，避免產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，具備防錨固失效功能。

4.4 橋墩與基礎(chǔ)

主墩采用圓墩形實(shí)體直坡墩以減少阻水面積，水中58號(hào)主墩高20 m，陸上59號(hào)主墩高9 m，順橋向?qū)?.5 m，橫橋向?qū)?1.6 m。58號(hào)主墩基礎(chǔ)采用19φ3.0 m鉆孔樁，59號(hào)主墩采用18φ3.0 m鉆孔樁，樁基均按柱樁設(shè)計(jì)。對(duì)應(yīng)承臺(tái)為八邊形承臺(tái)，58號(hào)承臺(tái)尺寸18.6 m×38.8 m×6 m，59號(hào)承臺(tái)尺寸21.2 m×28.8 m×6 m。

5 主橋計(jì)算

5.1 縱向計(jì)算

本橋?yàn)槿€鐵路部分斜拉橋，橋面寬21.3 m(橋塔梁固結(jié)處橋面寬24.8 m)，屬于較寬的橋面結(jié)構(gòu)，相對(duì)于常規(guī)單、雙線鐵路，荷載工況多，受力更為復(fù)雜。采用橋梁博士V3.5程序及Midas/civil程序?qū)χ鳂蜻M(jìn)行分析，得出支反力及內(nèi)力、應(yīng)力、強(qiáng)度等指標(biāo)。

5.1.1 主梁檢算

對(duì)主梁在施工階段和運(yùn)營(yíng)階段強(qiáng)度、抗裂性、應(yīng)力、變形等進(jìn)行檢算，主要結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 主梁截面檢算結(jié)果 MPa

施工階段，主梁上緣最大應(yīng)力16.4 MPa，最小應(yīng)力-0.50 MPa；下緣最大應(yīng)力16.7 MPa，最小應(yīng)力-0.50 MPa。

計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范[9-11]要求。

5.1.2 橋塔檢算

橋塔按實(shí)心矩形截面計(jì)算，主力作用下橋塔最大應(yīng)力8.3 MPa、最小應(yīng)力4.9 MPa，均為壓應(yīng)力；主力+附加力作用下橋塔最大壓應(yīng)力8.8 MPa、最小壓應(yīng)力3.6 MPa，均為壓應(yīng)力。

5.1.3 斜拉索檢算

斜拉索采用鍍鋅鋼絞線，單根鋼絞線規(guī)格為直徑15.20 mm，鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860 MPa。規(guī)格采用61、55根7φ5 mm鋼絞線。分別對(duì)斜拉索使用階段應(yīng)力以及活載應(yīng)力幅進(jìn)行檢算。

斜拉索在主力工況下最大拉應(yīng)力為884 MPa，最小安全系數(shù)2.11；在主力+附加力作用下最大拉應(yīng)力897 MPa，最小安全系數(shù)2.07；活載最大應(yīng)力幅為70 MPa。

5.2 橫向計(jì)算

分別對(duì)無(wú)索區(qū)、有素區(qū)、邊支點(diǎn)梁部、中支點(diǎn)梁部進(jìn)行橫向檢算，其中無(wú)索區(qū)取腹板厚度50 cm截面，按1.0 m輸入計(jì)算模型，按剛性支撐計(jì)算。有索區(qū)分別取腹板厚度50 cm截面、腹板厚度70 cm截面、腹板厚度90 cm截面，每個(gè)截面分別按集中荷載、均布加載2種加載模式考慮計(jì)算。按6.0 m輸入計(jì)算模型，按剛性支撐計(jì)算。

邊支點(diǎn)梁部梁高700 cm，按7.0 m輸入計(jì)算模型，按剛性支撐計(jì)算。中支點(diǎn)梁部梁高14.5 m，按14.5 m輸入計(jì)算模型，按剛性支撐計(jì)算。

檢算結(jié)果表明，應(yīng)力和裂縫寬度均滿(mǎn)足要求。

5.3 剛度

本橋?yàn)楦咚勹F路大跨斜拉橋，要求橋梁要具有足夠的剛度、平順性和較小的殘余徐變。同時(shí)正線為無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，對(duì)橋梁豎向變形控制更為嚴(yán)格[12-13]。主橋在三線ZK靜活載作用下，結(jié)構(gòu)豎向撓度計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 主梁豎向撓度計(jì)算結(jié)果 mm

由表2可知，豎向撓度最不利情況為靜活載+0.5倍溫度荷載撓度之和，中跨跨中最大撓度取值為113.9 mm(為跨度的1/2 107)，邊跨跨中最大撓度取值23.3 mm(為跨度的1/5 021)，小于1.1L/1 500。

梁端轉(zhuǎn)角為-0.61‰rad和0.86‰rad。邊跨最大徐變變形值為11 mm，中跨最大徐變變形值為18 mm。

5.4 實(shí)體模型分析

依靠Midas FEA強(qiáng)大的數(shù)值模擬及局部分析優(yōu)勢(shì)，建立足尺寸模型，分析其局部應(yīng)力狀態(tài)。其中錨固區(qū)(橫梁和錨固塊)空間構(gòu)造復(fù)雜[14]，是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部位。

錨固區(qū)主要計(jì)算結(jié)果：(1)橫梁在荷載下的橫橋向正應(yīng)力最大值為6.1 MPa，最小值為-1.9 MPa?？芍?，橫向索改善了橫梁在橫向的受力狀況，在自重、橫向索、使用荷載共同作用下橫梁橫向受壓，且有較大的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。(2)除橫向索錨固區(qū)外，最大主拉應(yīng)力發(fā)生在錨固塊錨固面與主梁斜腹板的交接角線上，最大可達(dá)8.6 MPa。剔除該小區(qū)域后，余值均小于C50混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值2.64 MPa。(3)最大主壓應(yīng)力發(fā)生在錨固塊底部，為14.1 MPa。考慮錨墊板分散傳力作用，上述位置的應(yīng)力值在錨墊板與錨固塊連接面邊緣處增加，最大可達(dá)22 MPa。索梁錨固塊與斜腹板交界面區(qū)域最大主壓應(yīng)力為5.8 MPa，斜拉索混凝土孔道最大主壓應(yīng)力不超4 MPa。

根據(jù)上述錨固區(qū)的應(yīng)力分布特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域采取了鋼筋加密，設(shè)置防裂、防崩鋼筋等有效措施進(jìn)行加強(qiáng)處理。

此外，由于本橋橋面較寬、荷載大且工況多，各種荷載作用下截面應(yīng)力的橫向分布是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。根據(jù)三支座橫向支反力分配結(jié)果可知，邊支座兩側(cè)多向支座分配反力6 629 kN，邊支座中間縱向支座分配反力7 745 kN，分配比例為1∶1.34∶1，分配較不均。中支座兩側(cè)橫向支座分配反力145 533 kN，中支座中間固定支座分配反力145 633 kN，分配比例為1∶1∶1，分配均勻。

5.5 主橋抗震分析

本橋?qū)儆贐類(lèi)橋梁結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防要求高。采用Midas有限元程序建立全橋三維模型進(jìn)行抗震計(jì)算分析，結(jié)果如下：(1)地震作用下，橋塔處于受壓狀態(tài)。橋塔最大壓應(yīng)力在設(shè)計(jì)和罕遇地震作用下分別為11.1 MPa和13.3 MPa。(2)罕遇地震作用下，梁端最大順橋向位移為19.7 mm。(3)設(shè)計(jì)和罕遇地震作用下，邊墩支座橫橋向最大水平力分別為4 946 kN和10 881 kN，中墩支座橫橋向最大水平力分別為13 684 kN和30 105 kN，順橋向分別為6 117 kN和13 458 kN；依據(jù)規(guī)范[15]對(duì)支座及防落梁設(shè)施進(jìn)行抗震檢算，滿(mǎn)足要求。

上述計(jì)算結(jié)果表明：在多遇地震和罕遇地震作用下主橋均有較強(qiáng)的抗震能力，各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安全可靠。

5.6 橋塔穩(wěn)定性分析

采用Midas Civil有限元程序建立空間有限元模型，對(duì)橋塔穩(wěn)定性、裸塔穩(wěn)定性進(jìn)行檢算分析。

(1)橋塔穩(wěn)定性檢算

運(yùn)營(yíng)階段在靜活載全橋滿(mǎn)布和靜活載中跨滿(mǎn)布的情況下，一階彈性失穩(wěn)模態(tài)：橋塔橫橋向彎曲失穩(wěn)，帶動(dòng)主梁平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)(橫彎)，見(jiàn)圖8。穩(wěn)定系數(shù)分別為21.36和21.12。

圖8 全橋滿(mǎn)布活載情況下的一階彈性失穩(wěn)模態(tài)

運(yùn)營(yíng)階段在靜活載邊跨滿(mǎn)布的情況下，一階彈性失穩(wěn)模態(tài)：橋塔順橋向彎曲失穩(wěn)，帶動(dòng)主梁平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)(豎彎)，見(jiàn)圖9。穩(wěn)定系數(shù)為22.19。

圖9 邊跨滿(mǎn)布活載情況下的一階彈性失穩(wěn)模態(tài)

(2)裸塔穩(wěn)定性檢算

不計(jì)斜拉索及主梁剛度，將斜拉索所有豎向力加載于橋塔上進(jìn)行裸塔穩(wěn)定性分析。得出一階彈性失穩(wěn)模態(tài)：橋塔橫橋向彎曲失穩(wěn)，帶動(dòng)主梁平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)(橫彎)，見(jiàn)圖10。穩(wěn)定系數(shù)為6.85。

圖10 裸塔情況下的一階彈性失穩(wěn)模態(tài)

5.7 動(dòng)力分析

高速鐵路有較高的行車(chē)舒適性要求，對(duì)變形要求較高[16]。對(duì)本橋進(jìn)行車(chē)-橋耦合振動(dòng)仿真計(jì)算與分析[17]，模型計(jì)算了CRH3高速列車(chē)通過(guò)橋梁時(shí)的車(chē)-橋系統(tǒng)空間耦合振動(dòng)動(dòng)力響應(yīng)，該橋正線設(shè)計(jì)車(chē)速為350 km/h，聯(lián)絡(luò)線設(shè)計(jì)車(chē)速為160 km/h。列車(chē)編組、計(jì)算工況及軌道不平順情況見(jiàn)表4。

表4 列車(chē)編組及計(jì)算工況

CRH3高速列車(chē)以單線、雙線、三線通過(guò)主橋時(shí)：①當(dāng)CRH3高速列車(chē)以250～420 km/h通過(guò)時(shí)，各工況的橋梁動(dòng)力響應(yīng)均在容許值以?xún)?nèi)，列車(chē)豎、橫向振動(dòng)加速度滿(mǎn)足限值要求；②當(dāng)CRH3高速列車(chē)以250～420 km/h通過(guò)時(shí)，列車(chē)的乘坐舒適性達(dá)到規(guī)定的“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上。

因此，主橋采用的(117+240+117) m三線部分斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案具有良好的動(dòng)力特性及列車(chē)走行性，當(dāng)列車(chē)通過(guò)橋梁時(shí)的安全性和乘坐舒適性均滿(mǎn)足要求。

6 結(jié)語(yǔ)

部分斜拉橋作為一種連續(xù)梁拉索加勁結(jié)構(gòu)，是跨度140～280 m[5]內(nèi)具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的組合體系橋型，已在多條鐵路上得到了成功應(yīng)用[18-23]。常山江特大橋主橋?yàn)?117+240+117) m多線、大跨、寬橋面預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋，是杭衢鐵路控制性工程。該橋于2020年5月開(kāi)工建設(shè)，預(yù)計(jì)于2023年12月建成通車(chē)。

通過(guò)對(duì)本橋的相關(guān)計(jì)算分析，得出以下結(jié)論。

(1)采用對(duì)索鞍局部構(gòu)造進(jìn)行改進(jìn)的新型雙側(cè)抗滑移鞍座式拉索錨固體系，可有效改善索鞍墊板下混凝土的受力；同時(shí)有效減小橋塔的結(jié)構(gòu)尺寸，便于橋塔及斜拉索的施工，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)三線鐵路橋梁橋面寬、荷載大且工況多，各種荷載作用下截面應(yīng)力的橫向分布是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本橋三支座橫向支反力分配檢算分析表明，中支點(diǎn)處反力分布均勻。但邊支點(diǎn)處一是因?yàn)橄淞杭袅χ饕芍懈拱宄袚?dān)，二是因?yàn)榱焊呦鄬?duì)較小分配作用不明顯，從而導(dǎo)致支座反力分布較不均勻。因此設(shè)計(jì)中應(yīng)重視局部應(yīng)力檢算分析，通過(guò)進(jìn)行橫向支反力分配來(lái)確定采用的支座噸位。

(3)索梁錨固區(qū)空間構(gòu)造復(fù)雜，受力集中，局部應(yīng)力大。其中索梁錨固塊與斜腹板交界面區(qū)域是設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，該位置承受較大的拉應(yīng)力，設(shè)計(jì)中應(yīng)重視局部應(yīng)力檢算分析，并對(duì)錨后區(qū)應(yīng)力集中區(qū)采取鋼筋加密，設(shè)置防裂、防崩鋼筋等措施，確保結(jié)構(gòu)受力性能。