高速鐵路主跨325m鋼-混組合梁斜拉橋方案設(shè)計

摘要 以主跨325 m鋼-混組合梁斜拉橋為例，建立空間有限元模型，對主梁梁型、主梁高度、主塔形狀、斜拉索傾角及索距等參數(shù)進行了比選研究，結(jié)果表明：主梁梁高取值在一定范圍內(nèi)對斜拉橋剛度影響較小;適當(dāng)增加斜拉橋的索塔高度，能有效地增加斜拉橋整體豎向剛度;在用索量相當(dāng)?shù)那疤嵯?，拉索梁上索間距取值對斜拉橋豎向剛度影響較小。根據(jù)比選結(jié)果確定了大橋的推薦方案，同時對該橋進行了整體靜力分析，結(jié)果表明斜拉橋各項靜力指標(biāo)均滿足相關(guān)要求。

關(guān)鍵詞 高速鐵路;斜拉橋;鋼-混組合梁;方案比選

中圖分類號 U448.27 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）12-0169-03

收稿日期：2022-03-23

作者簡介：陳斌（1986—），男，博士，高級工程師，研究方向：大跨度橋梁設(shè)計。

0 引言

斜拉橋是一種拉索、主塔、主梁的組合體系，憑借其良好的力學(xué)性能和經(jīng)濟指標(biāo)成為大跨徑橋梁的主要橋型，在公路橋梁中被廣泛應(yīng)用[1]。隨著我國鐵路事業(yè)的迅速發(fā)展，鐵路斜拉橋的技術(shù)水平發(fā)展也日趨成熟[2]。近年來，鋼-混組合梁斜拉橋在高速鐵路中也得到了較為廣泛的應(yīng)用[3]。文章以某高速鐵路鋼-混組合梁斜拉橋為工程依托，研究主梁、主塔及拉索等結(jié)構(gòu)參數(shù)對斜拉橋力學(xué)特性的影響規(guī)律，從而為鋼-混組合梁斜拉橋設(shè)計提供參考。

1 工程概況

依托工程為國內(nèi)某高速鐵路，其主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：雙線、線間距5 m、設(shè)計時速350 km、雙線ZK活載。橋位處河道枯水期水面寬約250 m，洪水期水面寬增至400 m左右，為規(guī)劃Ⅲ級航道，通航水域?qū)挾葹?42 m，最低通航水位166.16 m，最高通航水位195.37 m。由于橋軸線法向與水流流向交角較大、最大橫向流速2.19 m/s等原因，主跨跨度采用325 m?？缭胶拥捞幘€路立面位于3‰人字坡，平面位于直線上，橋上采用CRTS-Ⅲ型板式無砟軌道。

2 結(jié)構(gòu)尺寸及方案比選

2.1 橋式方案比選

綜合地形、地質(zhì)條件以及施工難易程度、工程經(jīng)濟性等因素，經(jīng)前期方案比選后，確定主橋采用梁斜拉橋方案。同時，根據(jù)國內(nèi)高速鐵路斜拉橋設(shè)計經(jīng)驗、大橋自身的特點及條件，斜拉橋結(jié)構(gòu)體系采用半漂浮體系。

擬推薦方案橋型布置如圖1所示，主橋孔跨布置為（45+60+63+325+63+60+45）m鋼-混組合斜拉橋。

2.2 主梁梁型比選

綜合考慮高速鐵路無砟軌道對主梁線型的要求，僅比選鋼桁梁、鋼-混組合梁兩種主梁梁型。

由表1可得，鋼桁梁斜拉橋具有跨越能力強、豎向剛度大等優(yōu)點。但相對鋼-混組合梁來說，鋼桁梁用鋼量大、經(jīng)濟性差;桿件眾多，運營期間維護工作量大。因此，主橋最終采用了鋼-混組合梁斜拉橋方案。

2.3 輔助墩數(shù)量比選

在斜拉橋邊跨設(shè)置輔助墩能一定程度上改善主梁、主塔的受力和主梁的豎向變形。目前國內(nèi)鐵路斜拉橋設(shè)置輔助墩個數(shù)通常為1～3個。結(jié)合橋址處地形及既有構(gòu)筑物條件，比選主橋設(shè)1個輔助墩與2個輔助墩的方案，兩種方案跨徑組成及比選結(jié)果如表2所示。

從表2可看出，相較于雙輔助墩，采用單輔助墩的斜拉橋結(jié)構(gòu)豎向剛度有所下降：相同列車活載作用下，跨中主梁撓度增加;活載作用下梁端轉(zhuǎn)角亦增加;由于輔助墩個數(shù)的減少，拉索對主塔的約束減弱，主塔水平縱向綜合剛度降低，導(dǎo)致縱向荷載作用下主梁縱向位移增大，需采用更大規(guī)格的伸縮縫，增加鐵路運營風(fēng)險、維護難度。綜上所述，從斜拉橋結(jié)構(gòu)受力及鐵路運營安全角度考慮，雙輔助墩優(yōu)于單輔助墩方案。

2.4 梁高比選

國內(nèi)鐵路鋼-混組合梁斜拉橋的主梁梁高大致在4～

5 m范圍，擬比選梁高4.0 m、4.5 m、5 m三種方案。對于主跨325 m的斜拉橋，三種梁高均能滿足結(jié)構(gòu)受力要求，因而重點比較梁高對結(jié)構(gòu)剛度的影響及用鋼量。

由表3可知，隨著梁高的增大，主梁活載撓度、梁端縱向位移逐漸減小，梁端轉(zhuǎn)角減小尤為明顯。雖然增加梁高可增大主梁橫向剛度，但同時也增大了主梁的迎風(fēng)面積，在風(fēng)荷載等橫向附加力作用下橫向位移并不一定減小。此外，隨著梁高的變化，主梁用鋼量變化相對較小。參照國內(nèi)高速鐵路鋼-混組合梁斜拉橋的設(shè)計經(jīng)驗，梁高并非斜拉橋整體豎向剛度的主要控制因素，因此綜合豎向剛度與梁端轉(zhuǎn)角結(jié)果后，選取較平衡的方案，梁高取4.5 m。

2.5 塔形比選

目前常見的斜拉橋主塔塔型有A型、倒Y型、鉆石型、花瓶型、H型、獨柱型等。橋塔外形選擇主要由結(jié)構(gòu)自身受力情況以及與環(huán)境的協(xié)調(diào)性控制。對比計算了常規(guī)平行索面的H型塔、空間索面的鉆石型塔及空間索面的倒Y型塔對橋梁剛度的影響，不同塔形的對比計算結(jié)果如表4所示。

由表4可知，在橋塔塔肢縱、橫向尺寸及坡比相同的情況下，不同類型主塔模型的主梁在活載作用下的撓度及梁端轉(zhuǎn)角相近，但主梁在橫向附加力等荷載作用下的橫向位移相差較大，采用平行索面橋塔的橫向剛度小于空間索面。但平行索面的H型塔優(yōu)點在于設(shè)計、施工簡單：主塔內(nèi)傾角度小，施工風(fēng)險較小;塔內(nèi)鋼錨梁、梁上錨拉板的錨固的構(gòu)造簡單、易于制作加工、安裝定位，且受力簡單;索塔錨固點不在鐵路運營范圍上方，可在一定程度上降低運營后換索的安全風(fēng)險。綜合上述原因，主橋以H型橋塔作為橋塔推薦方案。

2.6 斜拉索角度比選

對比了28°、30°和32°共3種最外側(cè)斜拉索傾角的方案，計算結(jié)果如表5所示。

由表5可知，橋面以上索塔越高，斜拉索傾角越大，其豎向分力對主梁的支承作用也越大，對提高結(jié)構(gòu)整體豎向剛度越有利[4]。但索塔過高，不利于塔的剛度，同時會增加塔和索的工程用量，施工難度也相應(yīng)增加。綜合考慮斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度、橋塔及拉索的工程數(shù)量，在優(yōu)先保證主梁豎向剛度的前提下，主橋推薦采用最外側(cè)拉索角度30°、中上塔柱塔高106.5 m的方案。

2.7 斜拉索索距比選

為分析索距對主橋力學(xué)特性的影響，研究主梁上索間距分為10 m、12 m、14 m三種情況，分析結(jié)果如表6。

由表6可知，在拉索工程數(shù)量相當(dāng)?shù)那疤嵯拢荷纤骶嘣叫?，剛度越大，單根的拉索受力越小，主梁?jié)段越多。一般來說，隨著斜拉索索距減小，主梁逐步由受彎為主向受軸力為主轉(zhuǎn)變，主梁受力得以改善;密索布置對每根拉索承受的索力要求相應(yīng)減低，簡化了拉索錨固構(gòu)造，張拉千斤頂可小型化、輕型化;小索距會增加主梁節(jié)段數(shù)，延長施工時間;當(dāng)索距過小時，對斜拉橋的景觀也有一定影響。綜合主梁節(jié)段長度、吊裝能力、施工工期等因素，主橋推薦梁上索間距12 m。

3 推薦方案靜力分析

根據(jù)前文比選結(jié)果，主橋采用縱向漂浮體系;主梁采用鋼-混組合梁，梁高4.5 m;主塔采用H型橋塔，平行索面;拉索最外側(cè)水平傾角30°，梁上索間距12 m。采用Midas/Civil建立全橋有限元模型，得出主橋靜力計算結(jié)果如表7所示。

經(jīng)全橋空間有限元模型靜力分析，主橋主梁、主塔結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、拉索的疲勞應(yīng)力幅等各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。此外，還對橋梁進行了穩(wěn)定性分析：施工階段最大懸臂階段時，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)為13.3，失穩(wěn)模態(tài)為橋塔縱彎;在運營狀態(tài)下，斜拉橋的最小彈性穩(wěn)定系數(shù)為9.58，失穩(wěn)模態(tài)為橋塔縱彎失穩(wěn)，帶動主梁豎彎。施工及運營期間彈性穩(wěn)定系數(shù)均滿足《鐵路斜拉橋設(shè)計規(guī)范》中彈性穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)大于4.0的要求。

4 總結(jié)

通過對斜拉橋的主梁、橋塔及拉索等重要構(gòu)件的參數(shù)比選，得出如下結(jié)論：

（1）在一定高度范圍內(nèi)，主梁梁高取值對斜拉橋豎向剛度影響較小。

（2）增加斜拉橋的索塔高度、增大最長索水平傾角，能有效的增加斜拉橋整體豎向剛度。

（3）當(dāng)各方案斜拉索用量相近時，梁上索間距取值對斜拉橋剛度影響較小，其取值應(yīng)結(jié)合施工周期進行合理選取。

參考文獻

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