蒙西至華中地區鐵路煤運通道漢江特大橋方案設計

嚴定國

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢　430063)

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蒙西至華中地區鐵路煤運通道漢江特大橋方案設計

嚴定國

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢430063)

摘要：新建蒙西至華中地區鐵路煤運通道漢江特大橋主橋為主跨248 m部分預應力混凝土斜拉橋，為解決與下游高速公路連續梁橋對孔要求，在跨度布置中采用一主跨四邊跨布置形式?？紤]到橋位處通航凈空對梁高限制、橋式跨越能力、受力性能、經濟性等因素，橋式采用部分預應力混凝土斜拉橋形式，梁體采用單箱雙室預應力混凝土連續結構，靠近跨中區域采用斜拉索加勁，橋塔采用H形。通過進行整體靜力計算、局部受力分析，結構受力及變形等指標滿足規范要求，分析結果表明，該橋結構體系滿足重載鐵路行車安全要求。

關鍵詞：重載鐵路；部分預應力混凝土斜拉橋；單箱雙室；方案設計

1概述

蒙西至華中地區鐵路煤運通道漢江特大橋位于湖北省襄陽市，主要為跨越漢江、人民西路、檀溪西路而設，主橋橋址位于丹江口至襄樊河段馬家洲灘群與賈家洲灘群的交界處，于DK1034+739.1～DK1035+752處跨越漢江。漢江為長江中游最大支流，為交通部規劃的全國水運主通道，通航等級為Ⅲ(2)級航道，通航凈寬75 m，通航凈空10 m，最高通航水位68.39 m，最低通航水位60.06 m。主橋河流與線路大里程夾角為99°，設計水位69.74 m，測時水位62.53 m。

由于橋位處線位高度控制嚴格，同時考慮與下游高速公路連續梁橋對孔對跨度布置限制要求，兼顧橋式方案的經濟跨度[1-3]，初步設計階段選用上加勁連續鋼桁梁方案[6]與部分預應力混凝土斜拉橋方案[4，5]進行比較分析。兩方案均滿足凈空要求，但上加勁連續鋼桁梁方案采用全鋼結構，用鋼量較大，從經濟性考慮差，同時受線路縱坡條件的控制，上加勁連續鋼桁梁方案盡管結構高度低，但引橋縱坡相同，橋長一致，不能節約投資，且施工工藝復雜，因此采用部分預應力混凝土斜拉橋方案[7，8]。

2技術標準

(1)線路等級：Ⅰ級、有砟軌道

(2)正線數目：雙線，線間距4.0 m

(3)設計行車速度：120 km/h

(4)設計荷載：中-活載(2005)ZH標準(Z=1.2)[9]

(5)本橋平面位于平坡直線上

3主橋方案設計

3.1橋跨布置

橋址位于二廣高速公路襄陽漢江四橋上游40 m，根據通航論證，結合橋址處跨越航道及橋墩阻水，采用與漢江四橋通航孔對孔的主跨248 m跨越航道，單孔雙向通航。

3.2結構總體布置

主橋采用(72.5+116+248+116+72.5) m鐵路混凝土部分斜拉橋方案，主橋長626.8 m，主跨248 m跨越漢江，橋式布置如圖1所示。

圖1　主橋結構總體布置 (單位：cm)

考慮到橋位處主橋橋墩高19 m，為跨度的1/13，采用塔墩梁固結時，溫度應力過大，因此選用塔梁固結，墩梁分離的形式[10]。

3.3結構設計3.3.1主梁

主梁采用單箱雙室截面，中支點梁高13.0 m，中跨跨中及邊支點梁高6.0 m，梁底由圓曲線變化，R=746.4 m。箱梁頂板寬11.6 m，中支點橋塔處局部兩側各加寬2.8 m，在橋塔外側布置人行道，在斜拉索位置人行道外側橋面加寬1.1 m。箱梁底板寬10.2 m。主梁采用C60混凝土，設縱向、橫向和豎向預應力。頂板厚度為50 cm，邊跨邊支點及次邊跨邊支點處局部加厚到80 cm，中支點處局部加厚到100 cm。腹板厚度為50 cm～60 cm～90 cm，中支點處局部加厚。邊跨及中跨底板厚由跨中的55 cm按圓曲線變化至中支點梁根部的120 cm，次邊跨由55 cm按線性變化至100 cm。全梁共設7道橫隔板，分別為次邊跨邊支點橫隔板2道，邊跨邊支點橫隔板2道，中支點橫隔板2道，中跨跨中橫隔板1道，隔板上設有過人孔。同時在斜拉索位置頂板附近設置橫隔板。隔板厚度：次邊跨邊支點處1.8 m，邊跨邊支點處2.4 m，中支點處7.0 m，中跨跨中0.40 m，斜拉索錨固點處0.40 m。主梁斷面如圖2所示。

圖2 主梁截面(單位：cm)

3.3.2主塔

索塔采用鋼筋混凝土結構，為雙柱型索塔，梁頂面以上全高57 m，采用箱形截面，塔底在26.3 m范圍內，縱向寬度從5.0 m變化到7.2 m。塔柱橫向寬度為2.8 m。塔柱設2 m高橫聯。塔柱采用單箱單室截面，前后塔壁厚1.2 m，側面壁厚0.6 m。橋塔結構示意如圖3所示。

圖3　橋塔結構示意(單位：cm)

3.3.3斜拉索

斜拉索橫向為雙索面布置，立面為半扇形布置。每個索塔設8對斜拉索，塔上索距1.5 m，梁上索跨9.0 m。斜拉索與梁采用設置齒塊的錨固方式，塔頂采用索鞍形式進行錨固。斜拉索采用強度等級為1 860 MPa的鋼絞線，拉索規則為AT-55、AT-61，拉索長度265.4～146.4 m。

3.3.4橋墩

主橋橋墩均采用鋼筋混凝土實體結構，為造型統一簡潔美觀，邊墩及主墩均采用圓端型橋墩。主墩橫橋向寬23 m，順橋向寬10 m。輔助墩橫橋向寬18 m，順橋向寬6.2 m，邊墩橫橋向寬13.6 m，順橋向寬4.5 m。

3.3.5基礎

各墩基礎均采用鉆孔灌注樁基礎，主塔墩鉆孔樁直徑為2.5 m，輔助墩鉆孔樁直徑為2.0 m，邊墩鉆孔樁直徑為1.5 m。

4計算模型及結果分析

4.1模型建立

采用橋梁博士及BSAS分析軟件對結構進行有限元分析，梁、塔采用梁單元模擬，斜拉索采用索單元模擬。整體結構共計226個節點，梁單元222個，索單元32個，材料屬性按照相應規范規定取值。

4.2荷載組合

荷載組合Ⅰ(主力)：自重+二期恒載+預應力+混凝土收縮徐變+中-活載(2005)ZH標準(Z=1.2)+基礎變位。

荷載組合Ⅱ(主+附)：自重+二期恒載+預應力+混凝土收縮徐變+中-活載(2005)ZH標準(Z=1.2)+基礎變位+溫度變化影響力。

4.3主要計算成果

4.3.1結構剛度[11]

剛度是鐵路斜拉橋設計中重要的控制指標，本橋未設置斜拉索時，結構豎向撓跨比為1/899。設置斜拉索后，主梁結構計算位移如表1所示。主梁位移曲線如圖4所示。

表1　活載作用下結構位移

圖4　主梁位移曲線

4.3.2主梁內力

由于部分斜拉橋主要由主梁來承受荷載[12]，為以彎為主的壓彎構件。主梁內力呈連續梁受力趨勢，但由于斜拉索的作用，跨中及支點彎矩均較連續梁小[13]。主梁彎矩包絡圖如圖5所示。

圖5　主梁彎矩包絡圖

主梁應力匯總見表2、表3，從表中可以看出，在主力及主力+附加力工況下，跨中截面及支點截面應力，強度及抗裂安全系數均滿足規范要求。

表2　主力工況應力匯總　MPa

4.3.3斜拉索索力

表4對已建及設計中鐵路部分斜拉橋進行了統計，從表4可以看出，鐵路橋梁中，部分斜拉橋拉索安全系數取在2.0～2.5，本梁斜拉索安全系數采用2.5，疲勞應力幅按照100 MPa控制[14]，其內力計算結果如圖6、圖7所示。

表3　主力+附加力工況應力匯總　MPa

表4　斜拉索設計參數統計

圖6　斜拉索應力包絡圖

圖7　斜拉索疲勞應力幅

4.3.4主梁橫向受力分析

主梁橫向受力按照1 m節段取值，橫向應力計算結果匯總見表5。

表5　主力工況橫向受力結果統計

5結論

(1)本橋由于通航凈空要求，對梁高控制嚴格，若采用預應力混凝土連續梁，需要拉高線路高程，對經濟成本控制不利；若采用加勁連續鋼桁梁方案，存在加勁弦與上弦節點構造復雜，制造及安裝難度大的缺點，且為全鋼結構，用鋼量大，造價高，結構后期檢修維護工作量大；采用部分斜拉橋方案，梁高僅13.0 m，為跨度的1/19.1，能有效解決通航凈空要求，梁部為混凝土結構，經濟指標良好，采用懸臂澆筑施工對通航無影響，且存在外形簡潔流暢的優點，因此本橋采用部分斜拉橋方案是較合理的選擇。

(2)本橋聯長較長，存在4個邊跨，活載為中-活載(2005)ZH標準(Z=1.2)，換算活載集度占總荷載集度的21%左右，通過計算分析可知，部分斜拉橋用于重載鐵路具有較好的受力性能，證明該結構體系可適用于重載鐵路要求。

(3)本梁為國內首座重載鐵路部分斜拉橋，而且本橋創新性地采用高塔部分斜拉橋、斜拉索錨固在主跨跨中區域，突破了傳統部分斜拉橋思維[15]，為高塔部分斜拉橋進行了有益探索和實踐。

參考文獻：

[1]項海帆.橋梁概念設計[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]藺鵬臻.部分斜拉橋的力學性能及其界定[J].鐵道學報，2007，29(2)：136-140.

[3]嚴國敏.現代斜拉橋[M].成都：西南交通大學出版社，1999.

[4]劉士林.斜拉橋設計[M].北京：人民交通出版社，2006.

[5]張多平，李承根.部分斜拉橋斜拉索的設計[J].橋梁建設，2011(3)：48-51.

[6]肖文義.穗莞深城際東江南特大橋主橋加勁連續鋼桁梁靜動力計算分析[D].成都：西南交通大學，2013.

[7]李映，徐利平.部分斜拉橋方案設計[J].結構工程師，2002(2)：6-10.

[8]燕明.部分斜拉橋的概念與結構設計[J].交通科技與經濟，2006(3)：11-13.

[9]金福海，文望青，許三平.蒙西至華中地區鐵路煤運通道設計活載選用初探[J].鐵道標準設計，2013(3)：48-52.

[10]饒少臣.部分斜拉橋結構體系的研討[J].鐵道勘測與設計，1999(4)：10-16.

[11]王勝.部分斜拉橋的結構行為與設計實踐[D].成都：西南交通大學，2004.

[12]徐仁標，盛術學.淺談斜拉橋索塔的力學性能[J].黑龍江科技信息，2004(10):243.

[13]張宏偉，鄭海東，鄭一峰.部分斜拉橋構造設計[J].公路,2005(5):52-56.

[14]鄭一峰，黃僑，張連振.部分斜拉橋結構參數分析[J].公路交通科技,2006(6)：60-65.

[15]戴利民.協作體系斜拉橋的結構分析[J].同濟大學學報：自然科學版，2000，28(1)：92-97.

收稿日期：2015-12-28； 修回日期：2016-01-07

基金項目：中鐵第四勘察設計院集團有限公司科技研究開發計劃項目(14K021)

作者簡介：嚴定國(1979—)，男，高級工程師，2005年畢業于華中科技大學，工學碩士，E-mail：185212765@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0099-04

中圖分類號：U442.5

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.023

Scheme Design of Hanjiang River Bridge on Railway Coal Corridor from Western Inner Mongolia to Central China

YAN Ding-guo

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract：Hanjiang River Bridge on the railway coal corridor from western Inner Mongolia to central china is a partially prestressed concrete cable-stayed bridge with main span of 248 meters. For the connection with the highway continuous beam bridge in downstream， the arrangement of one main span and four side-spans is applied. In the light of the navigation clearance limitation of the beam depth， the spanning capacity， the mechanical performance and the economical efficiency， partially prestressed concrete cable-stayed bridge is utilized with single girder double-cell concrete continuous structure and H-shaped bridge towers cabled near the main middle span. The overall and partial finite element analysis indicates that the behavior of the stress and deformation complies with the requirements stipulated in relevant standards， and the analysis results show that the structural system of the bridge meets the requirements of heavy haul railway operation.

Key words：Heavy haul railway; Partially prestressed concrete cable-stayed bridge; Single-girder double-cell; Scheme design