阜淮高鐵高低塔混合梁斜拉橋方案研究

張欣欣,陳懷智,王法武

(中鐵上海設(shè)計院集團有限公司,上海 200070)

1 工程概況

新建阜陽至蒙城至宿州(淮北)城際鐵路位于安徽省北部，自淮宿蚌城際鐵路雙堆集站至鄭阜高鐵阜陽西站，新建正線長度142 km。其中，穎河特大橋位于阜陽市境內(nèi)，綜合考慮線路順直程度、車站位置、城鎮(zhèn)規(guī)劃等條件，穎河特大橋在既有商合杭高鐵下游約1.56 km處，以與航道約62°斜交角跨越潁河。

橋址位于淮北沖積平原區(qū)，地勢整體平坦開闊，地處亞熱帶和暖溫帶的過渡區(qū)域，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候。多年平均氣溫15.7 ℃，最熱月平均27.7 ℃，最冷月平均1.7 ℃，極端最低氣溫-20.4 ℃，極端最高氣溫41.4 ℃。沿線覆蓋層以第四系黏性土、粉土和砂土為主，基巖埋深大于90 m。橋址段場地抗震設(shè)防烈度為7度，地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

2 主要設(shè)計技術(shù)標準

(1)鐵路等級：高速鐵路

(2)正線數(shù)目：雙線

(3)線間距5.0 m

(4)設(shè)計行車速度：350 km/h

(5)線路平面線型：直線

(6)豎向坡度：平坡

(7)軌道：CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道

(8)設(shè)計洪水頻率：1/100，檢算洪水頻率1/300

3 橋式方案構(gòu)思

3.1 橋址控制因素分析

潁河特大橋主橋主要控制因素如下。

(1)通航要求：潁河為內(nèi)河Ⅲ級航道，線路與航道斜交角約62°。最高通航水位為33.76 m，主通航孔凈寬要求158 m，凈高10 m；大里程側(cè)需預(yù)留副通航孔，副通航孔凈寬要求90 m。

(2)防洪要求：為減小橋梁對河道的影響，根據(jù)行洪及河勢數(shù)值模擬研究分析結(jié)論，要求主跨跨徑不小于230 m。

(3)線路及車站設(shè)置要求：穎河節(jié)點往大里程側(cè)1.7 km為新建阜陽潁泉站、大里程側(cè)2.2 km處下穿商合杭后上跨G105，受縱坡坡率及坡長限制，軌面高程距離最高通航水位高程不宜大于15.5 m。

3.2 跨度確定

考慮結(jié)構(gòu)寬度及斜交影響，如一跨跨越主、副通航孔，跨度需達到350 m以上，經(jīng)濟性差。如在主、副通航孔間設(shè)墩，主孔跨徑為220～230 m，副通航孔跨徑為115 m左右。結(jié)合防洪要求，主跨確定為230 m。同時，邊跨需跨越防洪堤，并避免在河堤坡腳處設(shè)墩。橋址平面布置如圖1所示。

圖1 潁河特大橋主橋橋址平面布置(單位：m)

3.3 橋高及主梁確定

根據(jù)線路縱坡推算，跨越主通航孔范圍橋梁總體高度需控制在5 m以內(nèi)，扣除軌道結(jié)構(gòu)高度，結(jié)構(gòu)高度不宜高于4 m。因此，該橋需采用低高度橋梁結(jié)構(gòu)，主梁可采用鋼梁、鋼混結(jié)合梁及混凝土梁。

3.4 可采用的橋式方案

結(jié)合近年來鐵路大跨度橋梁建設(shè)實踐，200～300 m大跨度橋梁可采用包括拱橋、斜拉橋及組合結(jié)構(gòu)橋梁等[1]。其中，混凝土部分斜拉橋、連續(xù)梁拱等組合加勁結(jié)構(gòu)主梁高度較高，不能滿足凈空要求。采用鋼桁、鋼箱或鋼混結(jié)構(gòu)的低高度梁，且具有較合適的邊中跨比橋型主要為斜拉橋、鋼桁拱組合橋等。

如采用斜拉橋，由于本橋邊中跨比較常規(guī)斜拉橋偏大，小里程側(cè)無通航要求，孔跨可適當減小，故可采用不對稱雙塔斜拉橋或獨塔斜拉橋方案。如采用拱橋，可采用連續(xù)鋼桁梁柔性拱橋方案。

結(jié)合上述3個方面分析構(gòu)思，擬定了3個方案進行比較[2-6]：即高低塔混合梁斜拉橋方案、獨塔混合梁斜拉橋方案、連續(xù)鋼桁梁柔性拱橋方案。

4 橋式方案設(shè)計及比選

4.1 方案一：高低塔斜拉橋方案

本方案主橋采用(31+73+230+114+40) m高低塔斜拉橋，半漂浮體系。主梁全長489.5 m，主跨、大里程邊跨分別跨越主、副通航孔，為滿足梁端轉(zhuǎn)角控制要求設(shè)置輔助墩。主橋立面布置如圖2所示。

圖2 方案一主橋立面布置(單位：m)

主梁由鋼-混結(jié)合梁、混凝土梁及鋼混結(jié)合段三部分組成。主梁全寬18.6 m，梁高3.8 m。結(jié)合梁鋼梁為單箱三室開口槽形截面?；炷料淞翰捎脝蜗淙业雀呓孛妗Ｖ髁簷M斷面如圖3所示。

橋塔采用H形花瓶塔，小里程側(cè)低塔塔高83.4 m，其中，橋面以上塔高58.8 m。大里程側(cè)高塔塔高115.1 m，其中，橋面以上塔高84.8 m。斜拉索采用扇形布置。低塔側(cè)布置18對拉索，高塔側(cè)布置24對拉索，橫向雙索面扇形布置。

圖3 方案一主梁橫斷面(單位：m)

采用高低塔斜拉橋結(jié)構(gòu)，可使橋跨布局更為合理經(jīng)濟，橋梁景觀上也給人以高低錯落的印象，外觀新穎。但高低塔結(jié)構(gòu)布置和受力上均不對稱，等效跨度大于實際跨度，合理的高低塔剛度匹配及斜拉索規(guī)格等關(guān)鍵參數(shù)選擇是該類型結(jié)構(gòu)研究的重難點。

4.2 方案二：獨塔斜拉橋方案

本方案主橋采用(30+230+114+41+50) m獨塔斜拉橋，半漂浮體系。主梁全長466.5 m，主跨、邊跨分別跨越主、副通航孔，為滿足梁端轉(zhuǎn)角控制要求設(shè)置輔助墩。主橋立面布置如圖4所示。

圖4 方案二主橋立面布置(單位：m)

主梁由鋼-混結(jié)合梁和混凝土箱梁及鋼混結(jié)合段三部分組成。主梁全寬18.6 m，梁高4.0 m。結(jié)合梁鋼梁為單箱三室開口槽形截面?；炷料淞翰捎脝蜗淙业雀呓孛妗蛩捎肏形花瓶塔，塔全高155.3 m，橋面以上塔高125 m。斜拉索采用橫向雙索面扇形布置，全橋共36對拉索。

獨塔斜拉橋通過單個索塔基礎(chǔ)承擔荷載，對場地地形、水文條件適應(yīng)性較好。配合鋼混結(jié)構(gòu)主梁，可有效提升跨越能力。但該方案采用漂浮體系，剛度較同等跨度雙塔斜拉橋低，面臨疲勞活載大、動力指標及剛度要求高的難題[7]。

4.3 方案三：連續(xù)鋼桁梁柔性拱橋方案

主橋采用(35+115+230+115+35) m連續(xù)鋼桁梁柔性拱橋，主梁全長530 m。主跨、大里程邊跨分別跨越主、副通航孔，主橋立面布置如圖5所示。

圖5 方案三主橋立面布置(單位：m)

主梁采用有豎桿N形三角桁式，節(jié)間長11.5 m，主桁桁高15 m，橫向采用兩片主桁，主桁中心距15.4 m?？v向平聯(lián)為交叉形布置，采用H形截面桿件，吊桿、弦桿及拱肋的基本截面為箱形截面。拱肋采用二次拋物線形，拱肋矢高46 m，矢跨比為1/5。

連續(xù)鋼桁梁對地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性較好，跨越能力強、自重輕、建筑高度低，具有較好的景觀效果。但施工過程合龍難度大、精度要求高，鋼結(jié)構(gòu)用量多，費用相對較高。

4.4 橋式方案綜合比選

從橋梁剛度、工期、施工方案、經(jīng)濟指標等方面對3個橋式方案進行綜合比選[8]，其中，經(jīng)濟性按橋長530 m比選，引橋為簡支梁。比選結(jié)果見表1。

表1 橋式方案綜合比選

由表1可知，方案二主梁豎向剛度較低，方案三邊跨豎向剛度較低，兩個方案工程造價較高。綜上，方案一能很好地滿足主副通航孔設(shè)置和低梁高要求，并具有較大的結(jié)構(gòu)剛度，經(jīng)濟性好。因此，推薦采用(31+73+230+114+40) m高低塔結(jié)合梁斜拉橋方案。

5 推薦方案主梁形式及結(jié)合段位置深化比選

5.1 主梁形式子方案比選

在主梁形式上，鋼混結(jié)合梁或混凝土梁是目前高速鐵路無砟軌道斜拉橋的主要梁型[9]。混凝土梁斜拉橋經(jīng)濟性較好，但跨度較大時，跨中徐變變形控制較困難[10-11]，且施工工期較長。經(jīng)研究，主跨采用鋼混結(jié)合梁，邊跨采用混凝土梁，能滿足結(jié)構(gòu)剛度要求，無砟軌道適應(yīng)性好并能有效控制工程投資[12-18]。

混合梁斜拉橋由于主跨結(jié)構(gòu)輕、邊跨結(jié)構(gòu)重，在滿足主跨跨越能力的條件下，盡可能減小邊跨可以獲得較好的經(jīng)濟性。結(jié)合段位置設(shè)置通常分為2種：邊跨錨固跨采用混凝土梁、壓重跨采用鋼梁，或邊跨全部采用混凝土梁，針對本橋結(jié)構(gòu)受力和經(jīng)濟性對結(jié)合段位置進行進一步研究。在推薦方案跨度確定為(31+73+230+114+40) m的基礎(chǔ)上，調(diào)整主梁結(jié)構(gòu)型式、結(jié)合段位置，提出4個子方案進行比選。

(1)子方案1：230 m和114 m跨采用結(jié)合梁

子方案1即同前文推薦方案，主橋結(jié)構(gòu)采用混合梁斜拉橋，中跨和大里程邊跨采用鋼混結(jié)合梁，其余采用混凝土梁，小里程側(cè)鋼-混分界點位于低塔往跨中方向16.75 m處，大里程側(cè)鋼-混分界點位于輔助墩往高塔方向13.25 m處，主橋立面布置如圖2所示。

(2)子方案2：230 m跨采用結(jié)合梁

主橋結(jié)構(gòu)采用混合梁斜拉橋，中跨采用鋼混結(jié)合梁，其余采用混凝土梁，小里程側(cè)鋼-混分界點位于低塔往跨中方向14.25 m處，大里程側(cè)鋼-混分界點位于高塔往跨中方向23.75 m處，主橋立面布置如圖6所示。

圖6 子方案2主橋立面布置(單位：m)

根據(jù)配跨，大里程側(cè)邊跨跨度較常規(guī)斜拉橋偏大，根據(jù)計算分析，在恒載作用下，確保主梁彎矩受力較小時，高塔處于較大的偏心受壓狀態(tài)，高塔向邊跨側(cè)偏轉(zhuǎn)。

(3)子方案3：73，230 m和114 m跨采用結(jié)合梁

主橋結(jié)構(gòu)采用混合梁斜拉橋，中跨和大、小里程邊跨采用鋼混結(jié)合梁，其余采用混凝土梁，鋼-混結(jié)合段位于輔助墩向跨中方向14.25 m(小里程側(cè))和輔助墩向跨中方向23.75 m(大里程側(cè))處，主橋立面布置如圖7所示。

圖7 子方案3主橋立面布置(單位：m)

(4)子方案4：全橋采用結(jié)合梁

主橋結(jié)構(gòu)采用全結(jié)合梁斜拉橋，主梁采用鋼-混結(jié)合梁。根據(jù)計算，輔助墩處負反力為-11 000 kN，需設(shè)置壓重混凝土。

對上述4個子方案在結(jié)構(gòu)受力、剛度指標、經(jīng)濟性等方面進行比選，見表2。

綜上，4個方案豎向剛度指標相當，從結(jié)構(gòu)受力合理性分析，子方案2大里程邊跨質(zhì)量太大，結(jié)構(gòu)受力較不合理；子方案4輔助墩壓重太大；子方案1和子方案3結(jié)構(gòu)受力更加合理。從經(jīng)濟性分析，子方案1作為推薦方案。

表2 不同子方案技術(shù)經(jīng)濟比選

5.2 鋼混結(jié)合段不同位置比選

對于混合梁斜拉橋而言，鋼混結(jié)合段的部位非常重要，主梁剛度和強度在此處產(chǎn)生突變，因而容易產(chǎn)生應(yīng)力集中[19-20]。鋼混結(jié)合段需合理順暢的傳遞綜合作用所產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，并使剛度平穩(wěn)過渡，從而減小或者消除應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且結(jié)合部位還必須具備良好的耐久性和抗疲勞性能。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力、施工設(shè)備能力、經(jīng)濟性等[21]，進一步研究確定合理的鋼混結(jié)合段位置。小里程鋼-混分界點位于主塔往跨中方向，大里程鋼-混分界點位于輔助墩往主塔方向，距離見表3。

表3 鋼混結(jié)合段位置選擇

3個方案計算比較結(jié)果見表4。由表4可知：3個方案主梁剛度變化不大。小里程側(cè)鋼混結(jié)合段位置離橋塔中心進入主跨的距離增大時：①主+附組合下結(jié)合段彎矩顯著減??；②小里程側(cè)主塔處主梁負彎矩顯著增大，輔助墩處負彎矩減小，正彎矩增大；③靜活載作用下結(jié)合段豎向位移和轉(zhuǎn)角顯著增大。

大里程側(cè)鋼混結(jié)合段位置離輔助墩中心往橋塔方向距離增大時：①主+附組合下結(jié)合段彎矩顯著減??；②大里程側(cè)輔助墩處主梁負彎矩顯著增大，正彎矩顯著減??；③靜活載作用下結(jié)合段彎矩變幅顯著減?。虎莒o活載作用下結(jié)合段豎向位移和轉(zhuǎn)角顯著增大。

綜合而言，方案1結(jié)合段內(nèi)力太大，方案3主梁在彎矩值偏大，方案2大小里程側(cè)結(jié)合段和主梁內(nèi)力適中。由于主跨位于水上，減小施工難度及對通航影響，結(jié)合段深入主跨不宜太長。因此，結(jié)合段位置推薦采用方案2。

6 結(jié)語

(1)針對高速鐵路大跨度橋梁剛度變形要求高的特點，提出主跨230 m左右低高度橋梁選型。通過對高低塔斜拉橋、獨塔斜拉橋、連續(xù)鋼桁梁柔性拱橋3種方案進行研究，從結(jié)構(gòu)受力性能、剛度變形、施工方案、工程造價等方面進行綜合比選，最終推薦采用高低塔混合梁斜拉橋方案，總體布置合理、滿足受力需求，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟性和景觀效果。

(2)混合梁斜拉橋可充分發(fā)揮主跨的跨越能力和邊跨的錨固作用，盡可能減小邊跨，獲得較好的經(jīng)濟性。針對本橋主跨與不等邊跨各自受力特征，設(shè)置了不對稱結(jié)合段位置，能夠降低主跨后期收縮徐變的同時，提高了整體經(jīng)濟性。

表4 鋼混結(jié)合段比選

(3)合理設(shè)置結(jié)合段位置是混合梁斜拉橋設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。鋼混結(jié)合段位置位于主跨，遠離橋塔中心時，結(jié)合段彎矩顯著減小，主梁負彎矩顯著增大，靜活載作用下結(jié)合段豎向位移和轉(zhuǎn)角顯著增大；結(jié)合段位置位于邊跨，遠離輔助墩中心時，結(jié)合段彎矩顯著減小，輔助墩處主梁負彎矩顯著增大，靜活載作用下結(jié)合段豎向位移和轉(zhuǎn)角顯著增大。通過分析結(jié)合段位置變化對結(jié)構(gòu)受力和主梁剛度的敏感性，確定合理的結(jié)合段位置，使結(jié)合段和主梁受力更加合理、靜活載響應(yīng)小、施工便利。