山區(qū)大跨度鐵路懸索橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

胡文軍 萬田保

中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430056

山區(qū)大跨度鐵路懸索橋建設(shè)條件復(fù)雜艱險(xiǎn)，橋梁設(shè)計(jì)面臨地形陡峭、深切峽谷風(fēng)特性復(fù)雜、近斷層地震烈度高等多方面的挑戰(zhàn)［1-4］。橋梁設(shè)計(jì)需要解決的重難點(diǎn)問題包括：①橋梁剛度標(biāo)準(zhǔn)的確定；②峽谷風(fēng)環(huán)境下橋梁抗風(fēng)和行車安全；③近斷層強(qiáng)震區(qū)橋梁抗震設(shè)計(jì)等。本文以一座山區(qū)大跨度鐵路懸索橋?yàn)楣こ瘫尘?，首先介紹了建橋條件、橋梁總體布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后針對(duì)上述三個(gè)重難點(diǎn)問題提出解決方案，為以后山區(qū)鐵路懸索橋設(shè)計(jì)提供參考。

1 主要建橋條件

1）地形地貌與工程地質(zhì)

該懸索橋跨越深切峽谷區(qū)。橋址處坡陡谷深，地面坡度37°～55°，橋高約385m，為典型V形高山峽谷地形地貌。橋址區(qū)兩岸覆蓋層主要為崩坡積中密～密實(shí)碎石土及塊石土，厚度10～50m。下伏基巖主要為閃長(zhǎng)巖。橋址區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，受構(gòu)造影響，巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖性多為碎裂巖。橋址處岸坡總體穩(wěn)定，對(duì)左岸堆積體及兩岸危巖帶采取適當(dāng)工程措施后風(fēng)險(xiǎn)可控，適宜建設(shè)橋梁。

2）氣象

橋址區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，最大晝夜溫差約20℃，多年平均氣溫16℃，極端高溫37.6℃，極端低溫-6.2℃。峽谷風(fēng)的風(fēng)速沿橋梁縱向分布不均勻，橋梁跨中處風(fēng)速遠(yuǎn)大于橋梁兩端和兩側(cè)山坡處。橋梁跨中處氣流有明顯的垂直運(yùn)動(dòng)，中午存在強(qiáng)烈下沉運(yùn)動(dòng)，傍晚有強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)風(fēng)攻角大，約為-6.6°～+3.5°，最大風(fēng)偏角為65°。橋面處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為41.7m/s。

3）地震

根據(jù)文獻(xiàn)［5-6］，局部場(chǎng)地地形特征對(duì)地震動(dòng)有顯著影響。輸入地震動(dòng)參數(shù)時(shí)需考慮局部地形，對(duì)不同墩臺(tái)處輸入相應(yīng)的地震動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行非一致激勵(lì)地震響應(yīng)分析。在左岸錨碇處、左岸橋臺(tái)處、左岸主塔基礎(chǔ)處、右岸主塔基礎(chǔ)處、右岸橋臺(tái)處、右岸錨碇處分別布置峰值加速度測(cè)點(diǎn)A—測(cè)點(diǎn)F，選取50年超越概率為10%的設(shè)計(jì)地震、50年超越概率為2%的罕遇地震兩種地震。每種地震作用下每一個(gè)測(cè)點(diǎn)采集3個(gè)樣本，取其平均值作為水平向地震動(dòng)峰值加速度。各測(cè)點(diǎn)水平向地震動(dòng)峰值加速度見表1。鑒于橋址區(qū)位于近斷層地震區(qū)域，豎向地震動(dòng)參數(shù)取值與水平向地震動(dòng)參數(shù)相同。

表1 各測(cè)點(diǎn)水平向地震動(dòng)峰值加速度 g

2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 總體布置

該橋?yàn)橹骺?060m鋼桁梁鐵路懸索橋，全長(zhǎng)1293m。雙線Ⅰ級(jí)鐵路布置于鋼桁梁上層，列車荷載為客貨共線鐵路荷載，設(shè)計(jì)速度200km/h，軌道采用有砟軌道。

根據(jù)橋面高程、橋隧相連處橋臺(tái)設(shè)置條件、橋臺(tái)處支座反力、梁端轉(zhuǎn)角等情況，確定左岸、右岸加勁梁邊跨跨度分別為130、90m。綜合考慮兩岸地形地質(zhì)條件、散索鞍基礎(chǔ)位置等因素，確定左岸、右岸主纜邊跨分別為245、270m。大橋立面布置如圖1所示，加勁梁橫斷面布置如圖2所示。

圖1 大橋立面布置（單位：m）

圖2 大橋加勁梁橫斷面布置（單位：m）

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大橋加勁梁采用鋼桁梁結(jié)構(gòu)。兩片主桁中心間距30m，桁高12m。鋼桁梁節(jié)間長(zhǎng)10m，材質(zhì)采用Q500qD和Q370qD。由于鐵路懸索橋鋼梁疲勞問題突出，根據(jù)不同構(gòu)件對(duì)應(yīng)的疲勞容許應(yīng)力幅選擇構(gòu)件形式。上弦采用箱形截面桿件，整體節(jié)點(diǎn)；下弦采用H形截面桿件，除主塔支點(diǎn)處采用整體節(jié)點(diǎn)外其余均采用散拼節(jié)點(diǎn)。上層鐵路橋面系中間行車區(qū)域采用正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)，行車區(qū)域兩側(cè)設(shè)置X形聯(lián)結(jié)系與上弦桿連接。道砟槽板采用不銹鋼復(fù)合鋼板，鋼桁梁桿件在工廠制造，運(yùn)輸至橋位后拼裝成兩節(jié)段整體吊裝［7］。

大橋每根主纜由217根索股組成。每根索股由91束直徑5.68mm的鋅鋁合金鍍層高強(qiáng)鋼絲組成，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為2.1GPa。主纜矢跨比為1/9，主纜強(qiáng)度安全系數(shù)不小于2.5。

吊索上端采用45號(hào)鍛鋼材質(zhì)的叉形耳板通過銷軸與索夾連接，下端采用球面墊圈、螺母與鋼梁連接。每一吊點(diǎn)設(shè)置2根吊索，每根吊索由163束直徑5mm的鋅鋁合金鍍層高強(qiáng)鋼絲組成。受主纜與加勁梁相對(duì)位移、螺紋接頭加工制造工藝等因素影響，短吊索上端螺紋接頭處易產(chǎn)生疲勞斷裂，設(shè)計(jì)時(shí)采取以下措施改善短吊索的疲勞性能：①在吊索上端叉形耳板與索夾連接處設(shè)置球形關(guān)節(jié)軸承，以適應(yīng)吊索端部各方向轉(zhuǎn)動(dòng)；②設(shè)置中央扣索減小短吊索處主纜與加勁梁相對(duì)位移；③控制最短吊索長(zhǎng)度約3.8m；④螺紋接頭按照TB10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中實(shí)體圓鋼吊桿螺紋接頭加工工藝生產(chǎn)。

主塔為門式C55鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。左岸主塔上下游塔柱不等高，上游、下游塔柱高分別為255.8、262.8m。上下游塔柱均為單箱單室截面，左岸主塔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 左岸主塔結(jié)構(gòu)（單位：cm）

左岸、右岸主墩均采用分離式承臺(tái)、群樁基礎(chǔ)。左岸主墩單個(gè)基礎(chǔ)采用36根直徑2.5～3.0（3.5）m變直徑鉆孔樁，樁長(zhǎng)60～85m。為減小承臺(tái)基坑開挖對(duì)陡峭山體的擾動(dòng)，基礎(chǔ)按照高樁承臺(tái)摩擦樁設(shè)計(jì)，并根據(jù)受力需要在樁頂一定范圍布置永久鋼護(hù)筒。右岸主墩單個(gè)基礎(chǔ)采用20根直徑2.8m鉆孔樁，樁長(zhǎng)55～67m。

根據(jù)地形地質(zhì)條件，兩岸錨碇均采用隧道式錨碇。左岸、右岸錨塞體長(zhǎng)度分別為85、40m。

3 重難點(diǎn)問題

3.1 橋梁剛度標(biāo)準(zhǔn)的確定

我國(guó)現(xiàn)行TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)活載作用下橋梁豎向剛度和橫向剛度均以撓跨比為控制指標(biāo)。規(guī)范中也指出以撓跨比作為剛度標(biāo)準(zhǔn)僅適用于跨度不大于168m鋼梁、跨度不大于128m混凝土梁及墩高不大于50m的橋梁，可見其并不適用于大跨度鐵路懸索橋。大跨度鐵路懸索橋剛度控制主要是對(duì)橋上軌道平順性的控制［8-10］?；诖?，根據(jù)車體加速度與軌道30m弦測(cè)值的相關(guān)性，通過車-橋耦合動(dòng)力分析和弦測(cè)值分析，提出了對(duì)車體加速度和軌道30m弦測(cè)值分級(jí)管理的大跨度鐵路懸索橋剛度標(biāo)準(zhǔn)。

豎向剛度標(biāo)準(zhǔn)為：一級(jí)管理為線路隨機(jī)不平順和溫度荷載共同作用下一線行車時(shí)輪重減載率不大于0.60，車體豎向加速度小于1.30m/s2；二級(jí)管理為另一線行車時(shí)橋面豎向變形曲線的30m弦測(cè)值小于4.00mm，車體豎向加速度小于1.60m/s2；三級(jí)管理為沉降、徐變等組合作用下橋面變形曲線的30m弦測(cè)值小于2.50mm，車體豎向加速度小于1.80m/s2。

橫向剛度標(biāo)準(zhǔn)為：一級(jí)管理為車體橫向加速度小于1.00m/s2；二級(jí)管理為橋面橫向變形曲線的30m弦測(cè)值小于4.00mm，車體橫向加速度小于1.70m/s2；三級(jí)管理為輪重減載率不大于0.65，脫軌系數(shù)不大于0.80。

若豎向剛度、橫向剛度三個(gè)分級(jí)管理指標(biāo)均滿足要求，則可認(rèn)為橋梁在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下整體剛度滿足要求。

對(duì)照上述剛度標(biāo)準(zhǔn)，通過車-橋耦合動(dòng)力分析和弦測(cè)值分析對(duì)大橋剛度指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算得出：

1）對(duì)于豎向剛度，一級(jí)管理指標(biāo)：設(shè)計(jì)速度200km/h時(shí)一線通行列車且疊加溫度影響后最大輪重減載率為0.54，小于限值0.60，車體垂向加速度最大值為0.99m/s2，小于限值1.30m/s2；二級(jí)管理指標(biāo)：另一線通行列車時(shí)30m弦測(cè)值為3.16mm，小于限值4.00mm，車體垂向加速度最大值為1.29m/s2，小于限值1.60m/s2；三級(jí)管理指標(biāo)：沉降、徐變等組合作用下橋面豎向變形曲線的30m弦測(cè)值為1.60mm，小于限值2.50mm，車體垂向加速度最大值為1.52m/s2，小于限值1.80m/s2。

2）對(duì)于橫向剛度，一級(jí)管理指標(biāo)：車體橫向加速度最大值為0.94m/s2，小于限值1.00m/s2；二級(jí)管理指標(biāo)：橋面橫向變形曲線的30m弦測(cè)值為3.22mm，小于限值4.00mm，車體橫向加速度最大值為1.24m/s2，小于限值1.70m/s2；三級(jí)管理指標(biāo)：最大輪重減載率為0.58，小于限值0.65，最大脫軌系數(shù)為0.73，小于限值0.80。

綜上可見，大橋整體剛度滿足要求。

3.2 峽谷風(fēng)環(huán)境下橋梁抗風(fēng)與行車安全

基于橋址區(qū)深切峽谷風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開展了大橋抗風(fēng)性能風(fēng)洞試驗(yàn)，見圖4。結(jié)果表明：①成橋狀態(tài)下加勁梁顫振臨界風(fēng)速大于85.00m/s，遠(yuǎn)大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速64.07m/s，顫振性能滿足要求。②在風(fēng)攻角為0°、±3°、±5°、±7°時(shí)，實(shí)測(cè)加勁梁最大渦振豎向振幅0.037m，最大扭轉(zhuǎn)振幅0.078°?？紤]渦振對(duì)行車性能的影響，通過風(fēng)-車-橋耦合分析確定四階豎彎渦振限值為0.140m，二階扭轉(zhuǎn)振幅限值為0.150°。實(shí)測(cè)值均小于限值，表明渦振性能滿足要求。③試驗(yàn)中未觀測(cè)到主塔和加勁梁有明顯渦振現(xiàn)象和顫振現(xiàn)象，表明大橋具有良好的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

圖4 大橋抗風(fēng)性能風(fēng)洞試驗(yàn)

經(jīng)風(fēng)-車-橋耦合振動(dòng)分析，在增設(shè)風(fēng)屏障的情況下橋面平均風(fēng)速25m/s，雙線列車時(shí)速200km時(shí)脫軌系數(shù)0.59，輪重減載率0.32，傾覆系數(shù)0.13，車體橫向加速度0.72m/s2，豎向加速度0.52m/s2，Sperling指數(shù)達(dá)到優(yōu)良，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足行車安全性和旅客乘坐舒適性要求，可實(shí)現(xiàn)橋上不限速通行。

3.3 近斷層強(qiáng)震區(qū)橋梁抗震設(shè)計(jì)

該鐵路懸索橋位于近斷層強(qiáng)震區(qū)，合理的結(jié)構(gòu)體系和減震措施可有效改善橋梁抗震性能［11-14］。該橋加勁梁在主塔、橋臺(tái)處設(shè)置豎向支座與橫向支座。豎向支座為水平雙向活動(dòng)支座；橫向支座縱向、豎向活動(dòng)，約束風(fēng)荷載、設(shè)計(jì)地震荷載作用下橫橋向位移。豎向支座要求具備長(zhǎng)效潤(rùn)滑功能。主塔處橫向支座采用具有限力熔斷功能的球形鋼支座，即實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)階段橫向風(fēng)、設(shè)計(jì)地震作用下支座不破壞，當(dāng)橫向地震力達(dá)到支座設(shè)計(jì)承載力（1.1倍設(shè)計(jì)地震作用下支座反力）時(shí)支座剪力銷剪切破壞，橫向阻尼器發(fā)揮減震耗能作用。

在列車荷載作用下鐵路懸索橋的梁端會(huì)頻繁縱向移動(dòng)，影響支座、梁端伸縮裝置、短吊索等活動(dòng)構(gòu)件的耐久性［15-17］。為實(shí)現(xiàn)溫度荷載作用下加勁梁縱向位移不受約束，制動(dòng)力、列車荷載作用下加勁梁縱向位移受約束，并起到耗能減震作用，在主塔處縱橋向設(shè)置16臺(tái)黏滯阻尼器。阻尼器的阻尼指數(shù)為0.1，單臺(tái)阻尼器最大阻尼力為2575kN。在主塔及橋臺(tái)處橫橋向設(shè)置24臺(tái)黏滯阻尼器，阻尼器的阻尼指數(shù)為0.2，單臺(tái)阻尼器最大阻尼力為10MN。

此外，為減小加勁梁與主纜的相對(duì)位移，在主纜跨中處與加勁梁之間設(shè)置8對(duì)人字形耗能型中央扣索。在主塔和橋臺(tái)處設(shè)置豎向、縱向地震限位裝置，以保證罕遇地震作用下不落梁。綜上所述，為改善橋梁抗震性能，大橋采取了縱橋向設(shè)置耗能型中央扣索+黏滯阻尼器，橫橋向在主塔及橋臺(tái)處設(shè)置黏滯阻尼器，并設(shè)置豎向、縱向地震限位裝置的減震方案。

基于該減震方案，并考慮局部地形特征，不同墩臺(tái)處輸入相應(yīng)的地震動(dòng)參數(shù)，采用有限元方法進(jìn)行非一致激勵(lì)地震響應(yīng)分析，對(duì)大橋抗震性能進(jìn)行驗(yàn)算。結(jié)果表明：地震作用下主塔關(guān)鍵截面、主纜強(qiáng)度安全系數(shù)最小值分別為1.27、2.60，滿足主塔抗震強(qiáng)度安全系數(shù)大于1.00，主纜抗震強(qiáng)度安全系數(shù)大于2.50的要求。加勁梁最大應(yīng)力296MPa，未超過鋼材屈服強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)橋梁“設(shè)計(jì)地震彈性、罕遇地震可修”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

4 結(jié)論

1）針對(duì)山區(qū)地形陡峭、深切峽谷風(fēng)特性復(fù)雜、近斷層地震烈度高等建設(shè)條件，確定采用適應(yīng)性強(qiáng)的鋼桁梁懸索橋方案。

2）根據(jù)車體加速度與軌道30m弦測(cè)值的相關(guān)性，通過車-橋耦合動(dòng)力分析和弦測(cè)值分析，提出了對(duì)車體加速度和軌道30m弦測(cè)值采取分級(jí)管理的剛度標(biāo)準(zhǔn)。通過車-橋耦合動(dòng)力分析和弦測(cè)值分析對(duì)大橋剛度指標(biāo)進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果表明大橋整體剛度滿足要求。

3）基于峽谷風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開展了抗風(fēng)性能風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)-車-橋耦合振動(dòng)分析，結(jié)果表明大橋顫振、渦振等抗風(fēng)性能均滿足要求。在增設(shè)風(fēng)屏障的情況下橋面平均風(fēng)速25m/s，雙線列車以時(shí)速200km通行時(shí)橋上行車安全性及旅客乘坐舒適性指標(biāo)均滿足要求。

4）通過采取設(shè)置豎向約束、縱向不約束豎向支座，在橫向支座剪力銷限力熔斷后橫向阻尼器發(fā)揮作用的結(jié)構(gòu)體系，輔以縱橋向布置耗能型中央扣索+黏滯阻尼器，橫橋向在主塔及橋臺(tái)處設(shè)置黏滯阻尼器，并設(shè)置豎向、縱向地震限位裝置的減震方案，可實(shí)現(xiàn)橋梁“設(shè)計(jì)地震彈性、罕遇地震可修”的抗震設(shè)防目標(biāo)。