蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道漢江特大橋方案設(shè)計

嚴(yán)定國

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢　430063)

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蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道漢江特大橋方案設(shè)計

嚴(yán)定國

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢430063)

摘要：新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道漢江特大橋主橋為主跨248 m部分預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，為解決與下游高速公路連續(xù)梁橋?qū)滓螅诳缍炔贾弥胁捎靡恢骺缢倪吙绮贾眯问健？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(jīng)濟(jì)性等因素，橋式采用部分預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋形式，梁體采用單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)結(jié)構(gòu)，靠近跨中區(qū)域采用斜拉索加勁，橋塔采用H形。通過進(jìn)行整體靜力計算、局部受力分析，結(jié)構(gòu)受力及變形等指標(biāo)滿足規(guī)范要求，分析結(jié)果表明，該橋結(jié)構(gòu)體系滿足重載鐵路行車安全要求。

關(guān)鍵詞：重載鐵路；部分預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋；單箱雙室；方案設(shè)計

1概述

蒙西至華中地區(qū)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(shè)，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(guī)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(shè)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(yán)格，同時考慮與下游高速公路連續(xù)梁橋?qū)讓缍炔贾孟拗埔螅骖櫂蚴椒桨傅慕?jīng)濟(jì)跨度[1-3]，初步設(shè)計階段選用上加勁連續(xù)鋼桁梁方案[6]與部分預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋方案[4，5]進(jìn)行比較分析。兩方案均滿足凈空要求，但上加勁連續(xù)鋼桁梁方案采用全鋼結(jié)構(gòu)，用鋼量較大，從經(jīng)濟(jì)性考慮差，同時受線路縱坡條件的控制，上加勁連續(xù)鋼桁梁方案盡管結(jié)構(gòu)高度低，但引橋縱坡相同，橋長一致，不能節(jié)約投資，且施工工藝復(fù)雜，因此采用部分預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋方案[7，8]。

2技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)線路等級：Ⅰ級、有砟軌道

(2)正線數(shù)目：雙線，線間距4.0 m

(3)設(shè)計行車速度：120 km/h

(4)設(shè)計荷載：中-活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(Z=1.2)[9]

(5)本橋平面位于平坡直線上

3主橋方案設(shè)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(jù)通航論證，結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)時，溫度應(yīng)力過大，因此選用塔梁固結(jié)，墩梁分離的形式[10]。

3.3結(jié)構(gòu)設(shè)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(cè)各加寬2.8 m，在橋塔外側(cè)布置人行道，在斜拉索位置人行道外側(cè)橋面加寬1.1 m。箱梁底板寬10.2 m。主梁采用C60混凝土，設(shè)縱向、橫向和豎向預(yù)應(yīng)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(shè)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(shè)有過人孔。同時在斜拉索位置頂板附近設(shè)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(jié)構(gòu)，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(nèi)，縱向?qū)挾葟?.0 m變化到7.2 m。塔柱橫向?qū)挾葹?.8 m。塔柱設(shè)2 m高橫聯(lián)。塔柱采用單箱單室截面，前后塔壁厚1.2 m，側(cè)面壁厚0.6 m。橋塔結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3　橋塔結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)置齒塊的錨固方式，塔頂采用索鞍形式進(jìn)行錨固。斜拉索采用強度等級為1 860 MPa的鋼絞線，拉索規(guī)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(jié)構(gòu)，為造型統(tǒng)一簡潔美觀，邊墩及主墩均采用圓端型橋墩。主墩橫橋向?qū)?3 m，順橋向?qū)?0 m。輔助墩橫橋向?qū)?8 m，順橋向?qū)?.2 m，邊墩橫橋向?qū)?3.6 m，順橋向?qū)?.5 m。

3.3.5基礎(chǔ)

各墩基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，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(jié)果分析

4.1模型建立

采用橋梁博士及BSAS分析軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)共計226個節(jié)點，梁單元222個，索單元32個，材料屬性按照相應(yīng)規(guī)范規(guī)定取值。

4.2荷載組合

荷載組合Ⅰ(主力)：自重+二期恒載+預(yù)應(yīng)力+混凝土收縮徐變+中-活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(Z=1.2)+基礎(chǔ)變位。

荷載組合Ⅱ(主+附)：自重+二期恒載+預(yù)應(yīng)力+混凝土收縮徐變+中-活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(Z=1.2)+基礎(chǔ)變位+溫度變化影響力。

4.3主要計算成果

4.3.1結(jié)構(gòu)剛度[11]

剛度是鐵路斜拉橋設(shè)計中重要的控制指標(biāo)，本橋未設(shè)置斜拉索時，結(jié)構(gòu)豎向撓跨比為1/899。設(shè)置斜拉索后，主梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)位移

圖4　主梁位移曲線

4.3.2主梁內(nèi)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(gòu)件。主梁內(nèi)力呈連續(xù)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(xù)梁小[13]。主梁彎矩包絡(luò)圖如圖5所示。

圖5　主梁彎矩包絡(luò)圖

主梁應(yīng)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(yīng)力，強度及抗裂安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表2　主力工況應(yīng)力匯總　MPa

4.3.3斜拉索索力

表4對已建及設(shè)計中鐵路部分斜拉橋進(jìn)行了統(tǒng)計，從表4可以看出，鐵路橋梁中，部分斜拉橋拉索安全系數(shù)取在2.0～2.5，本梁斜拉索安全系數(shù)采用2.5，疲勞應(yīng)力幅按照100 MPa控制[14]，其內(nèi)力計算結(jié)果如圖6、圖7所示。

表3　主力+附加力工況應(yīng)力匯總　MPa

表4　斜拉索設(shè)計參數(shù)統(tǒng)計

圖6　斜拉索應(yīng)力包絡(luò)圖

圖7　斜拉索疲勞應(yīng)力幅

4.3.4主梁橫向受力分析

主梁橫向受力按照1 m節(jié)段取值，橫向應(yīng)力計算結(jié)果匯總見表5。

表5　主力工況橫向受力結(jié)果統(tǒng)計

5結(jié)論

(1)本橋由于通航凈空要求，對梁高控制嚴(yán)格，若采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，需要拉高線路高程，對經(jīng)濟(jì)成本控制不利；若采用加勁連續(xù)鋼桁梁方案，存在加勁弦與上弦節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，制造及安裝難度大的缺點，且為全鋼結(jié)構(gòu)，用鋼量大，造價高，結(jié)構(gòu)后期檢修維護(hù)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(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(yōu)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(lián)長較長，存在4個邊跨，活載為中-活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(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(jié)構(gòu)體系可適用于重載鐵路要求。

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

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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(shè)計院集團(tuán)有限公司科技研究開發(fā)計劃項目(14K021)

作者簡介：嚴(yán)定國(1979—)，男，高級工程師，2005年畢業(yè)于華中科技大學(xué)，工學(xué)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(xiàn)標(biāo)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