津保鐵路矮塔斜拉橋設計關鍵技術研究

張 海,吳大宏

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 項目背景

以津保鐵路子牙河特大橋主橋為研究背景，對鐵路矮塔斜拉橋的設計關鍵技術進行研究。該橋位于天津市，主要為跨越既有西青路及規劃西青路而設。津保雙線及津保動車線跨越西青道立交橋共有6條鐵路線，以兩座(84+56+32) m三線鐵路曲線矮塔斜拉橋跨越，兩座橋里程對應，結構形式相同。該橋設計速度160 km/h，主橋全長172.7 m，橋高30余m。本橋建成之后，將成為我國第一座三線鐵路曲線矮塔斜拉橋。如圖1所示。

圖1 津保矮塔斜拉橋布置(單位：m)

矮塔斜拉橋是國際上一種新型的橋梁結構，是介于剛性的連續梁橋與柔性的斜拉橋之間的一種剛柔相濟的橋型。矮塔斜拉橋利用主梁受彎、受壓和拉索受拉共同承受荷載[5]。索對主梁起體外預應力的加強作用，當梁體剛度較大，承載力大時，可適當減少斜拉索；當梁體柔弱、承載力較小時，可適當增加斜拉索。矮塔斜拉橋與連續梁相比具有結構新穎、跨越能力大、施工簡單、經濟等優點；與斜拉橋相比具有施工方便、節省材料、主梁剛度大等優點[1]。

2 結構尺寸

本橋曲線上梁曲梁曲做布置，主梁全長172.4 m，計算跨度(82.85+56+31.55) m，主塔塔、墩、梁固結，梁頂面以上全高20.0 m，采用實心截面。斜拉索橫向雙索面布置，立面扇形布置，每個索塔設8對斜拉索，塔上索距0.7 m，梁上索距6 m。

箱梁截面采用單箱4室、變截面斜腹板形式。中支點截面梁高6.0 m，跨中等高段梁高3.8 m，梁底下緣按圓曲線變化。箱梁頂寬23 m，底寬跨中等高段18.2 m、中支點16.0 m。全聯在端支點、中支點、輔助墩頂、斜拉索錨固點處共設置21個橫隔板，以提高主梁截面的橫向剛度。主梁采用三向預應力體系：主梁頂、底板及腹板內布置縱向預應力鋼束，橫梁內設置橫向預應力鋼束，斜拉索梁上錨固區、主梁邊腹板內設置豎向預應力筋。

3 結構關鍵技術研究

3.1 縱向鋼束布置

本橋梁部分析采用橋梁專用軟件BSAS建立全橋平面模型對各施工階段及運營階段進行計算分析，節點總數120，單元總數135，計算模型見圖2。計算荷載包括：恒載(結構自重、二期恒載、混凝土收縮徐變、預應力、基礎變位等)、活載(列車活載、搖擺力、牽引或制動力、鋼軌力等)、附加力(風力、溫度力)、特殊荷載(列車脫軌荷載、運架梁荷載、地震力等)。

圖2 全橋平面有限元模型

通過梁部的整體分析，確定合理的結構尺寸及縱向鋼束布置是該橋平面分析的要點。本橋縱向鋼束布置的關鍵點位于輔助墩處，輔助墩處的鋼束布置根據該橋的受力特點可能采用兩種布置形式：方案1，當輔助墩支座沉降0.005 m時，輔助墩處主梁在主力作用下主要承受負彎矩(圖3)，鋼束宜從梁上部通過；方案2，當輔助墩支座沉降0.01 m時，輔助墩處主梁在主力作用下正彎矩值大于負彎矩值(圖4)，鋼束宜從梁底部通過。通過計算結果的分析可以看出，輔助墩基礎沉降取值是否合理直接影響到鋼束的布置方案。為對結構進行合理的分析計算，本橋通過樁基計算，輔助墩基礎沉降為0.003 m，遠遠小于0.01 m，設計時采用基礎沉降0.005 m，因而本橋采用縱向鋼束從梁上部通過的形式進行布置。

圖3 方案1彎矩包絡圖(單位：kN·m)

圖4 方案2彎矩包絡圖(單位：kN·m)

截面結構尺寸及鋼束布置確定后，對橋梁結構進行靜力分析，主力及主力+附加力作用下各項計算指標如表1所示，均滿足鐵路相關規范要求[2]，滿足鐵路的運行安全要求。

表1 運營階段主梁計算結果

橋梁結構在靜活載及溫度荷載的組合作用下的撓度結果如表2所示，也滿足結構的剛度要求。

表2 靜活載作用下的撓度

3.2 支座布置方案

本橋橋面寬度較大，支座的布置方式對橋梁結構的影響較為明顯。方案設計時確定采用2支座體系或3支座體系，如圖5所示。為對2支座及3支座體系進行合理選擇，本次研究采用有限元軟件MIDAS_FEA建立了全橋空間模型[12]，梁部采用板單元，橋墩及橋塔采用梁單元，空間板單元模型如圖6所示，其中3支座體系計算結果見表3。

圖5 支座布置方案(單位：cm)

圖6 空間板單元模型

根據對計算結果的分析，3支座體系每個橋墩上3個支座分配的反力不均勻，在主力工況及恒載情況下，中支座分配的反力比例最大僅為21%。相比而言，兩支座體系時2個支座的反力分配基本一致，外支座略大于內支座。對3支座體系還分析了支座間距及梁部彈性模量對支座受力分配的影響，經分析，支座間距對支座反力影響較大，支座間距越大，中支點分配的反力越大；而彈性模量對支座反力分配基本無影響。

表3 三支座作用下豎向支反力

另外，通過對該橋梁部板單元應力云分析，3支座體系僅對優化底板橫向應力有一定的效果，對頂底板縱向應力分布及頂板橫向應力分布均無明顯效果。

根據以上的分析結果確定該橋采用兩支座體系。

3.3 塔上錨固方案

橋塔鞍座是矮塔斜拉橋的重要組成部分，索鞍區是矮塔斜拉橋的一個關鍵傳力部位[10]。國內外現有矮塔斜拉橋拉索體系多采用內、外管鞍座結構，拉索整體通過塔上內管后，灌注高強環氧砂漿，利用環氧砂漿的粘結力，增加抗兩側拉索拉力差能力即抗滑力，然后對稱錨固于主、邊跨上。本橋索鞍采用分絲管形式，每根斜拉索對應1個分絲管索鞍，分絲管為多根的鋼管組焊而成，每根分絲管僅穿1根鋼絞線，以便于拉索單根張拉及更換，索鞍的斜拉索出口處設置抗滑錨板，以防止成橋后鋼絞線滑動。采用分絲技術后，能有效解決拉索張拉后鋼絞線間會相互擠壓、打絞及環氧砂漿的握裹面積減少，鞍座內受力狀況差的問題[5]。根據平面模型的計算結果，該橋的最大不平衡索力為693 kN(主+附作用下)，遠小于塔上斜拉索環氧砂漿抗滑移裝置設計的2 000 kN不平衡索力抗滑要求，安全系數大于3.0，分絲管索鞍兩側環氧砂漿抗滑移裝置具有足夠的安全性。

4 細部分析

為更好地分析索梁錨固區及墩底的受力特點，以便指導該橋的施工圖設計，利用大型有限元軟件MIDAS FEA對這些區域進行了局部應力分析。

4.1 梁上拉索錨固區

斜拉橋索梁錨固結構區域受力集中、構造復雜，是控制設計的關鍵部位，該部位設計應盡量避免對主梁的削弱，并避免有較大的應力集中[6，11]。本次研究在平面分析基礎上選取主跨拉索索力最大的一節箱梁，利用有限元軟件MIDAS FEA對索梁錨固區建立空間有限元模型。空間模型取梁段的一半進行計算，約束采用一端固結，側面約束橫橋向位移及扭轉的方式。索梁錨固局部分析模型見圖7，索梁錨固區第一主應力云圖見圖8。

圖7 索梁錨固局部分析模型

圖8 索梁錨固區第一主應力云圖

經分析，錨固區在最不利工況下主應力較大的區域位于主梁與齒塊的臨界區域，其余位置應力可以均勻傳遞，能夠達到傳力明確并使強大的集中力迅速分散并變得均勻的目的。另外，根據錨固區的應力分布特點，設計中需對應力集中區域采取鋼筋加密、設置防崩鋼筋等措施進行加強處理。

4.2 主墩墩底局部分析

本橋主墩設計是一大亮點，橋墩為鋼筋混凝土結構，主塔塔、墩、梁固結。塔墩橫橋向采用上大下小圓曲線變寬的結構形式，中間鏤空，與優美的橋型結合看起來圓潤、柔和，更加符合人們的審美觀。然而，鏤空的橋墩設計使得墩底實體段與鏤空段交界處存在較大的橫向劈裂力，為對該處進行更加合理的設計，截取墩底以上13.5 m段橋墩進行局部分析，為避免約束方式的影響，在墩底下模擬了承臺及5 m長樁長，樁底固結處理。墩底模型見圖9，Syy方向應力剖面見圖10。

圖9 墩底模型

圖10 Syy方向應力剖面

通過計算分析，墩底鏤空引起拉應力較大區域主要分布在圓弧下0.5 m左右，Syy方向應力為3～4 MPa。為消除該部分拉應力，可采用張拉橫向預應力束或采用普通鋼筋局部加強的方式進行處理，經分析，因結構截面尺寸較大，張拉橫向預應力束不能有效解決橫向劈裂力，最終確定采用普通鋼筋加強的方式進行處理。

5 結論

結合津保矮塔斜拉橋的設計，提出了矮塔斜拉橋設計的一些設計思路及設計要點。結論如下：(1)矮塔斜拉橋作為一種剛柔并濟的橋型，能夠滿足鐵路行車的安全與舒適性要求，橋梁在施工階段及運營階段的應力及撓度均能滿足相關規范的要求；(2)輔助墩處的縱向鋼束布置應根據實際的支座沉降進行計算；(3)橋面較寬時可采用三支座體系或二支座體系，對于本橋從支座的有效利用來講更適合采用二支座體系；(4)索鞍分絲管技術能有效解決拉索張拉后鋼絞線間會相互擠壓、打絞及環氧砂漿的握裹面積減少，鞍座內受力狀況差的問題，更適用于斜拉橋設計；(5)索梁錨固區受力集中，結構設計需達到傳力明確，使強大的集中力迅速分散變得均勻的目的。

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