常益長鐵路沅江特大橋(32+90+90+32) m拱塔斜拉橋總體設(shè)計(jì)

張乃樂，李海泉

(1.懷邵衡鐵路有限責(zé)任公司，長沙 410001； 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 工程概況

沅江特大橋?yàn)槌Ｒ骈L鐵路一座特大橋，全橋長34.86 km，跨越點(diǎn)位于湖南省常德市武陵區(qū)及漢壽縣境內(nèi)，地處洞庭湖西部，地形以丘陵平地為主，南部丘陵屬雪峰山余脈。全境地勢由南向北呈階遞狀下降，以平原為主，水系發(fā)達(dá)。

1.1 線路資料

沅江特大橋主橋跨越既有石長鐵路(運(yùn)營動(dòng)車)，既有鐵路為雙線，線間距12～14 m，路基總寬度約44 m，設(shè)計(jì)凈空7.96 m，與線路斜交角度約為18°。

主橋范圍內(nèi)線路縱坡8.5‰、-1‰，主橋位于曲線上，曲線半徑R=2 800 m。

1.2 地質(zhì)資料

地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)(Q4)，由上到下依次為Q4ml雜填土、Q4al+pl粉質(zhì)黏土；Q4al+pl細(xì)圓礫土、泥質(zhì)粉砂巖等。

1.3 地震動(dòng)參數(shù)

根據(jù) GB18306—2015《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》附錄A《中國地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》及附錄B《中國地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》分析，本橋地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，反應(yīng)譜特征周期為0.35s?？拐鹪O(shè)防烈度為Ⅶ度。

2 方案構(gòu)思

本橋與既有鐵路斜交角度僅為18°，為滿足跨越功能，主跨跨徑不小于180 m。結(jié)合本橋建設(shè)條件，并充分考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性，主橋擬采用以下3個(gè)方案。

方案1：(32+90+90+32) m拱塔斜拉橋(以下簡稱拱塔斜拉橋)，拱塔下部在主梁底部設(shè)拱塔橫梁，鋼箱主梁支承于拱塔橫梁上[1-3]，橋塔采用轉(zhuǎn)體施工，梁部采用頂推施工。

方案2：(100+200+100) m矮塔斜拉加勁連續(xù)剛構(gòu)橋(以下簡稱矮塔斜拉橋)，斜拉橋采用轉(zhuǎn)體施工。

方案3：鋼蓋梁門式墩方案(以下簡稱鋼門式墩)，設(shè)置6個(gè)40 m以上跨度的鋼蓋梁門式墩跨越既有石長鐵路，門式墩采用吊裝施工。

3個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

表1 方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)缺點(diǎn)比較

考慮該橋跨越既有雙線鐵路及既有道路，綜合考慮景觀效果、施工難度、工程經(jīng)濟(jì)性等方面設(shè)計(jì)控制要素的影響[10-11]，該橋橋型采用拱塔斜拉橋方案。拱塔斜拉橋跨度為(32+90+90+32) m，設(shè)拱塔橫梁跨越既有石長鐵路，全橋平、立面布置如圖1、圖2所示。

圖1 主橋平面布置(單位：m)

圖2 主橋立面(單位：m)

3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

常益長鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為:(1)鐵路等級(jí)，客運(yùn)專線；(2)正線數(shù)目，雙線，CRTS-Ⅲ型板式無砟軌道；(3)設(shè)計(jì)速度350 km/h；(4)設(shè)計(jì)活載，ZK活載。

4 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本橋采用塔梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式，加勁梁輔助墩和邊墩處縱向活動(dòng)、豎向和橫向限位。鋼箱梁、橋塔橫梁采用Q345qDNH，橋塔采用Q345qD。橋面板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，采用低收縮、高抗裂、高韌性的混雜纖維混凝土。

4.1 主梁設(shè)計(jì)

加勁梁采用縱肋倒置式鋼混組合橋面板[12-13]，橋面全寬16.3 m，中心線處梁高3.05 m(鋼梁底面至混凝土板頂)，鋼混組合梁橋面板標(biāo)準(zhǔn)厚度25 cm。鋼橋面板厚10～16 mm，底板厚14～16 mm，腹板厚18～20 mm，采用板式加勁肋，橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距3.0 m，隔板厚度14～20 mm。結(jié)合梁橋橫斷面布置如圖3所示。

圖3 結(jié)合梁橋橫斷面布置(單位：mm)

兩側(cè)邊箱梁工廠加工，整體陸路運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，頂、底、腹板及頂板加勁肋現(xiàn)場焊接，底、腹板加勁肋及橫隔梁腹板通過高強(qiáng)螺栓連接，形成鋼梁節(jié)段，隨后采用拖拉法施工到位。

4.2 斜拉索及錨固體系

斜拉索采用抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa鍍鋅平行鋼絲拉索，空間雙索面體系，呈輻射形布置，全橋共設(shè)13對斜拉索，梁上索距12 m。

索塔及索梁錨固采用鋼錨箱的錨固方式，張拉端設(shè)置在主梁上。

4.3 橋塔及橋墩

采用拱形橋塔，承臺(tái)以上橋塔全高為66 m，橋面以上塔高45.0 m，橋面以下塔高21.0 m。橋塔側(cè)面示意如圖4所示。

圖4 橋塔側(cè)面(單位：m)

拱軸線線型采用橢圓曲線，塔柱截面采用等高等寬箱形截面，截面尺寸為順橋向3.0 m×橫橋向4.0 m，板厚為24～36 mm，加勁肋采用板肋，寬220 mm，厚22 mm，間距500～700 mm。

在主塔下部設(shè)置橋塔橫梁，橫梁高2.8 m，寬度3.0 m，頂板厚14 mm，底板和腹板均厚16 mm，加勁肋采用板肋，寬190 mm，厚16 mm，間距350～500 mm。主梁與橫梁剛性連接。橋塔塔柱及橫梁截面如圖5所示。

圖5 橋塔塔柱及橫梁截面(單位：mm)

橋塔各節(jié)段之間采用全焊連接方式，橋塔塔柱采用先豎轉(zhuǎn)后平轉(zhuǎn)的施工方式，待橋塔轉(zhuǎn)體就位后，吊裝合龍段，拱塔合龍。橫梁節(jié)段豎轉(zhuǎn)就位，完成塔梁固結(jié)。

邊墩及輔助墩采用矩形雙柱墩，墩頂設(shè)橫梁。

4.4 下部結(jié)構(gòu)

橋塔采用圓形承臺(tái)，承臺(tái)高3.6 m，基礎(chǔ)采用樁基。邊墩為12φ1.0 m樁基礎(chǔ)，輔助墩為12φ1.25 m樁基礎(chǔ)。

4.5 施工步驟

本橋加勁梁采用雙向拖拉施工，由兩側(cè)向跨中整體拖拉合龍。橋塔采用先豎轉(zhuǎn)后平轉(zhuǎn)的施工方式，橋塔塔柱合龍后，吊裝橋塔橫梁[14-16]。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算選用Midas/Civil 2019版有限元軟件，主塔、主梁為梁單元，斜拉索為索單元，采用三主梁模型，中間虛擬主梁與兩邊主梁剛性連接，按施工流程逐階段計(jì)算結(jié)構(gòu)各截面內(nèi)力、應(yīng)力和位移。

計(jì)算荷載包括恒載、列車活載、混凝土收縮徐變、溫度變化、風(fēng)載、列車制動(dòng)力、支座沉降等荷載。

5.1 靜力分析

(1)施工階段靜力分析

橋塔最大懸臂階段，該階段橋塔最大應(yīng)力為50 MPa；研究主梁頂推過程，主梁拖拉過塔時(shí)，懸臂60 m為主梁頂推最不利工況，支承孔跨為(32+30+60) m，設(shè)置扣塔，輔助墩附近20 m范圍采用150 kN/m壓重。主梁頂推過程，主梁最大應(yīng)力為60 MPa；橋面板現(xiàn)澆完成后，主梁最大應(yīng)力為102 MPa。

(2)運(yùn)營狀態(tài)下各應(yīng)力指標(biāo)

由表2可知，斜拉索主+附最大應(yīng)力711 MPa<744 MPa；鋼梁(第一應(yīng)力體系)主+附最大壓應(yīng)力147 MPa，主+附最大拉應(yīng)力113 MPa；橋塔塔柱主+附最大壓應(yīng)力176 MPa<199 MPa，主+附最大拉應(yīng)力38 MPa<199 MPa；橋塔橫梁主+附最大壓應(yīng)力121 MPa<260 MPa，主+附最大拉應(yīng)力202 MPa<260 MPa。在運(yùn)營階段的應(yīng)力指標(biāo)均滿足要求[17-18]。

表2 運(yùn)營狀態(tài)下各應(yīng)力指標(biāo) MPa

(3)梁體剛度指標(biāo)

采用影響線加載，在靜列車活載作用下跨中最大下?lián)现?98 mm，撓跨比 1 /918，其豎向剛度滿足行車要求。ZK靜活載作用下，梁端轉(zhuǎn)角為0.65‰rad，滿足規(guī)范[17-18]要求。在列車搖擺力、風(fēng)力及溫度力作用下，梁體最大橫向水平位移5 mm

圖6 獨(dú)柱塔最大懸臂施工階段結(jié)構(gòu)1階彈性失穩(wěn)模態(tài)

5.2 穩(wěn)定性分析

(1)施工階段穩(wěn)定性分析

獨(dú)柱塔最大懸臂階段，結(jié)構(gòu)在無風(fēng)和有風(fēng)時(shí)，結(jié)構(gòu)的彈性穩(wěn)定系數(shù)變化很小，其穩(wěn)定性主要是由結(jié)構(gòu)本身的重力和施工期間其他施工荷載決定[19]。

塔頂合龍前的最大懸臂狀態(tài)時(shí)1階穩(wěn)定系數(shù)為445，體現(xiàn)為塔柱順橋向彎曲失穩(wěn)，均滿足彈性穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)大于4的要求。

(2)運(yùn)營狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析

經(jīng)計(jì)算，在運(yùn)營狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要是由恒載和中跨滿布活載的分布形式?jīng)Q定。分析以恒載+風(fēng)荷載+中跨滿布活載狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

恒載+活載+風(fēng)荷載組合下彈性失穩(wěn)模態(tài)：主塔縱向彎曲失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為53。見圖7。

圖7 恒載+活載+風(fēng)載組合下1階彈性失穩(wěn)模態(tài)

5.3 車-橋動(dòng)力分析

對該橋梁的全橋模型當(dāng)CRH3型列車通過橋梁時(shí)的車橋系統(tǒng)空間耦合振動(dòng)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了仿真計(jì)算與分析研究[20-21]。計(jì)算中考慮橋面初始變形的影響，橋面初始變形選取整體升溫25°(工況1)、整體降溫25°(工況2)兩種計(jì)算工況。計(jì)算結(jié)果見表3、表4。

表3 橋梁動(dòng)力響應(yīng)最大值計(jì)算結(jié)果

表4 列車動(dòng)力響應(yīng)最大值計(jì)算結(jié)果

由表3、表4計(jì)算結(jié)果可知，拱塔斜拉橋設(shè)計(jì)方案對單線或雙線CRH3型高速客車以速度160～275 km/h而言可得出如下結(jié)論。

(1)橋梁動(dòng)力響應(yīng)均滿足相關(guān)規(guī)范要求；各車的車體豎、橫向振動(dòng)加速度滿足規(guī)范限值要求；列車行車安全性均滿足規(guī)范要求。

(2)在設(shè)計(jì)速度段所有計(jì)算工況(高速客車160～250 km/h)下，高速客車的乘坐舒適度均達(dá)到“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上。

(3)在檢算速度計(jì)算工況(高速客車275 km/h)下，高速客車的乘坐舒適度均達(dá)到“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上。

由此可見，拱塔斜拉橋具有良好的動(dòng)力特性及列車走行性，高速客車通過橋梁時(shí)的行車安全性和乘坐舒適性均滿足要求。

6 結(jié)論

以常益長鐵路沅江特大橋?yàn)楸尘?，提出拱塔斜拉橋方案，并將其?yīng)用于高速鐵路橋梁中。這種新型拱塔斜拉橋，優(yōu)化了線路平縱斷面，減小了橋梁跨度，縮短了工期，降低了工程造價(jià)，可為同類橋梁設(shè)計(jì)、施工提供借鑒和參考。