新建鄭萬客運專線鐵路獨塔斜拉橋設計關鍵技術研究

陳名歡

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 工程概況

新建鄭州至萬州鐵路河南段聯絡線特大橋為(32+138+138+32)m預應力混凝土獨塔斜拉橋，跨鄭西高鐵。該橋為塔墩梁固結體系，為減小施工期間對既有鐵路運營的影響，主梁平行于既有線路支架現澆，然后平轉主梁至設計線位，再澆筑合龍段。

本橋橋位與鄭西高鐵斜交角度為17°，平面位于曲線半徑R=1 400 m曲線上，線路縱坡為29.1‰。為避免由于曲線引起的橋面加寬，梁部采用曲梁曲做形式。橋址平面示意如圖1所示。

圖1 橋址平面示意

2 技術標準

線路情況：單線鐵路，有砟軌道。

設計速度：160 km/h。

設計活載：ZK活載。

線路信息：本橋平面位于曲線半徑R=1 400 m曲線，線路縱坡29.1‰。

橫向布置：橋面全寬11.0 m，斜拉索錨固在箱內頂板梗斜下緣，橫向布置如圖2所示。

圖2 橋面橫向布置示意(單位：cm)

橋下凈空：橋下跨越既有鄭西高鐵，斜交角度為17°；梁底至鄭西高鐵軌頂最小距離為10 m，檢查小車高度控制在梁底以下1.5 m范圍之內。

地震基本烈度：地震動峰值加速度為0.1g，地震動反應譜特征周期為0.45 s(地震基本烈度為7度)。

不均勻沉降：索塔基礎不均勻沉降按2.5 cm考慮，其他按1.5 cm考慮。

3 結構設計

本橋跨越鄭西客專及省道，綜合考慮經濟、安全、美觀，滿足功能性要求，合理的跨度及減小橋梁施工對既有線路的影響，采用(32+138+138+32) m預應力混凝土獨塔斜拉橋[1-2]，全長341.5 m，先平行與鄭西客專支架現澆，再轉體至設計線位[3-4]。橋梁總體布置如圖3所示。

圖3 橋梁立面布置(單位：cm)

3.1 主梁

混凝土箱梁采用單箱雙室等高截面，截面全寬11 m，中跨中心處梁高2.5 m，邊跨中心處梁高3.0 m。普通截面分標準橫截面和加厚橫截面、隔板截面3種截面。標準橫截面頂板厚度為25 cm，底板厚度為30 cm，中腹板厚30 cm，斜底板厚25 cm；加厚橫截面頂板厚度為30 cm，底板厚度為30 cm，中腹板厚30 cm，斜底板厚30 cm；支點隔板截面頂板厚度為60 cm，底板厚度為60 cm，中腹板厚90 cm，斜底板厚60 cm，主梁標準橫截面如圖4所示。

圖4 主梁標準橫截面(單位：cm)

底板在4 m范圍內上抬1.39 m以減小風阻力。拉索處設橫梁，橫梁厚度為0.5 m。主梁兩端底板上設進人孔，每個箱室均設檢查孔，便于在箱內對索梁錨固塊等進行檢查與換索。底板上設截水槽、泄水孔，邊腹板與中腹板上設通氣孔。主梁采用C55混凝土，縱向預應力鋼筋采用標準強度fpk=1 860 MPa、φj15.2 mm高強度低松弛鋼絞線。

3.2 索塔及基礎

索塔采用鉆石型，橋面以上索塔采用倒“Y”形，橋面以下塔柱為獨柱型。塔底以上索塔全高為86.0 m，橋面以上塔高61.0 m，橋面以下塔高25.0 m，橋面以上塔的高跨比為1/2.262。索塔縱向寬度橋面以上至塔頂均為6 m，橋面以下由6 m線性加寬至塔底10 m，索塔四角設30 cm×30 cm倒角。

上塔柱斜拉索錨固區橫橋向寬度為5.2 m，縱橋向6.0 m，采用單箱單室截面，順橋向壁厚1.0 m，橫橋向壁厚0.8 m。索塔錨固區設置縱、橫向預應力螺紋鋼筋，“#”字形布置。中塔柱為兩分離式傾斜塔柱，傾斜度1∶7.7054。單箱單室截面，每柱橫橋向寬度為3.2 m，順橋向壁厚0.8 m，橫橋向壁厚0.9 m。下塔柱采用獨柱式。單箱單室截面，橫向寬度由16.8 m漸變至13 m，順橋向尺寸由上端6.0 m漸變至10.0 m，順橋向壁厚1.0 m、橫橋向壁厚為1.5 m，底部設置3.5 m實體段。

中塔柱與下塔柱在塔梁交接處與主梁固結，組成塔墩梁固結體系，該區域采用預應力混凝土結構，配置φs15.2 mm低松弛預應力鋼絞線，錨固于索塔外側壁上；索塔錨固采用側壁式錨固。橋塔布置及構造如圖5所示。

圖5 橋塔布置及構造(單位：cm)

地質為第四系全新統沖洪積層(Q/4al+pl/)和上更新統沖洪積層(Q/3al+pl/)，主要地層為粉質黏土、粉土、粉砂和礫砂等。基礎采用21根φ2.20 m的鉆孔灌注樁，按摩擦樁設計，樁長99 m，最大沉降16.8 mm，縱、橫橋向剛度為4 670.0 kN/cm。

3.3 斜拉索

斜拉索采用符合《斜拉橋熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術條件》(GB/T18365—2001)、《橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲》(GBT 17101-2008)要求，公稱直徑φ7 mm，抗拉標準強度1670 MPa、成品拉索彈性模量E=2.0×105MPa的Ⅱ級松弛鍍鋅平行鋼絲拉索。拉索空間雙索面體系，扇形布置，采用PES(C)7-151、PES(C)7-187、PES(C)7-211、PES(C)7-223、PES(C)7-241五種規格，全橋共22對拉索，斜拉索梁上間距12 m，塔上索距(錨點豎向間距)1.8～3.0 m。索梁采用齒塊錨固形式，拉索與索塔采用內置式齒塊的錨固方式，張拉端設置在塔內，斜拉索在梁端設外置式阻尼器以抑制風雨振，并在其下端2.5 m高的范圍內外包不銹鋼管。

3.4 轉動體系

轉動球鉸采用成套產品，其豎向承載力165 000 kN，橫向設置0.841 m偏心。球鉸主要由上球鉸、下球鉸、滑動摩擦板、銷軸、骨架組成。下轉盤施工時預埋球鉸、滑道定位骨架，下球鉸、滑道準確定位后，澆筑下盤后澆混凝土。球鉸安裝須保證球冠水平，中心立管垂直。設計起轉牽引力為2×2 082.0 kN，設計轉動牽引力為2×1 249.1 kN。

3.5 主橋施工步驟

本橋下塔柱采用支架現澆施工，爬模施工中、上塔柱。索塔施工結束，沿鄭西客專進行主梁現澆施工。先進行主跨預應力鋼筋張拉，第一次調整索力至設計預訂狀態使梁體脫模，在合適的時機進行主跨轉體并落梁；然后張拉邊跨預應力鋼束，調整主梁與副主跨對齊，進行中跨合龍施工；最后拆除邊跨支架，張拉剩余預應力鋼束補張斜拉索。待橋面工程及附屬工程施工完畢，第二次調整成橋索力。

4 主橋結構計算

4.1 有限元模型

圖6 主橋有限元模型

本橋采用Midas/Civil建立空間模型，進行施工階段及運營階段分析，計算荷載包括結構構件及附屬設備自重、預加力、收縮徐變、支座不均勻沉降、列車活載、列車豎向動力作用、離心力、橫向搖擺力、體系溫度、局部溫差等荷載；充分考慮結構非線性效應，斜拉索按Ernst公式考慮拉索垂度引起的彈性模量修正。主梁、索塔采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。本模型節點共282個，梁單元113個，桁架單元44個。主橋有限元模型如圖6所示。

4.2 荷載組合

(1)施工階段荷載組合

結構自重+預應力+收縮徐變+施工荷載。

(2)運營階段荷載組合

主力：恒載；恒載+活載(豎向活載、搖擺力)。

主力+附加力：恒載+活載+附加力(制動力、風力、整體溫度、頂板溫度)。

4.3 主梁變形檢算

ZK靜活載作用下，單線靜活載撓度為103.1 mm，溫度撓度為25.2 mm。ZK靜活載撓度+0.5倍溫度荷載撓度為115.8 mm，撓跨比1/1 192；0.63倍靜活載撓度+全部溫度荷載撓度為90.2 mm，撓跨比1/1 530。

在靜活載作用下，梁體的豎向撓度滿足規范要求，不大于計算跨度的1/1 000；梁端轉角為-0.652‰rad，滿足規范要求不大于2‰rad；在搖擺力作用下，邊跨最大橫向位移為0.135 mm，跨中最大橫向位移為0.584 mm；在離心力作用下，邊跨最大橫向位移為0.371 mm，跨中最大橫向位移為3.085 mm；在風力作用下，邊跨最大橫向位移為0.149 mm，跨中最大橫向位移為0.605 mm；在溫度力作用下，邊跨最大橫向位移為1.176 mm，跨中最大橫向位移為1.262 mm；在列車橫向搖擺力、離心力、風力和溫度變化的作用下，梁體最大水平位移5.536 mm，小于梁體計算跨度的1/4 000。考慮成橋運營1 500 d，徐變位移為-17.99 mm，滿足規范要求。

4.4 主梁及索塔受力檢算

按照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》，主梁運營階段法向壓應力、拉應力、剪應力、主拉應力、主壓應力檢算如表1所示，各項指標均滿足規范要求[5-7]。

表1 運營階段主梁檢算結果

運營階段各鋼束最大拉應力比σy/Ryj為0.588，滿足規范要求；ZK活載作用下鋼絞線最大應力幅為65.1 MPa，小于140 MPa的容許值，疲勞荷載作用下鋼絞線應力幅值滿足規范要求。

橋塔下塔柱及上塔柱受力均較小，中塔柱主力工況混凝土最大壓應力為5.85 MPa，裂縫寬度為0.00 mm，鋼筋應力為13.8 MPa；中塔柱主力+附加力工況混凝土最大壓應力為6.09 MPa，裂縫寬度為0.01 mm，鋼筋應力為16.47 MPa，混凝土應力、裂縫寬度、鋼筋應力均滿足規范要求。

4.5 斜拉索受力檢算

斜拉索除要求有較大的靜力安全系數外，還要求具有足夠的疲勞抗力[8-9]。本橋斜拉索強度安全系數不小于2.5；考慮斜拉索垂度變化、主梁撓度以及風致震動引起的斜拉索撓曲力，跨中斜拉索疲勞活載應力幅設計允許值取131 MPa，全橋斜拉索疲勞活載應力幅按不大于130 MPa考慮；應力變幅不超過250 MPa。斜拉索成橋應力如圖7所示，應力幅及應力變幅如圖8所示。

圖7 斜拉索成橋應力

圖8 斜拉索應力幅及應力變幅

由圖7、圖8可知，斜拉索最小安全系數為3.02，應力幅為110.8 MPa小于130 MPa，應力變幅為176.3 MPa小于250 MPa，斜拉索的安全系數、應力幅、應力變幅均滿足要求。施工階段，斜拉索安全系數最小值為3.54，滿足施工階段受力要求。

斜拉橋運營一定年限后，根據實際受力將會涉及換索，此時橋梁需滿足單線限速通行要求。與此同時，列車正常通行下斜拉索突然失效(斷裂)時，也要確保結構和列車行車安全[10]。本設計考慮斜拉索斷索及換索特殊工況，其中斷索荷載組合：恒載+活載(單線列車正常行車)；換索荷載組合：恒載+活載(單側限速通行)。最不利荷載組合下，索塔及主梁應力如表2所示，混凝土主梁和索塔的正應力均在規范容許值范圍內，滿足規范要求。各種斷索工況下，斜拉索最小強度安全系數為2.8，大于安全系數2.5，均滿足要求。

表2 換索最不利組合下索塔及主梁應力 MPa

注：表中應力以拉為正，以壓為負。

4.6 索塔錨固實體分析

獨塔斜拉橋索塔錨固區受力復雜，為全橋受力關鍵位置，其構造、配筋及受力特點與矮塔斜拉橋差異明顯[11-13]，對該部分進行專門的優化設計，采用MIDAS/FEA，建立索塔錨固區實體模型。依據圣維南原理，截取塔頂以下44.8 m范圍進行實體有限元模型分析，從而避免邊界影響錨固區截面應力分布和應力結果的真實性。橋塔采用實體單元模擬，預應力鋼束采用一維鋼筋單元模擬。空間有限元模型共89 471個節點，394 800個單元。整體坐標系順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，有限元模型及縱橫向螺紋鋼束如圖9、圖10所示。

索塔錨固區實體計算分別考慮主+附+寒潮、主+附+日照、換索+寒潮、換索+日照這四種工況對應的無預應力狀態、有預應力狀態，結構縱向應力分析、橫向應力分析、最大主應力、鋸齒塊局部應力分析等幾種情況。計算分析對換索時機、錨固區域優化設計、預應力及普通鋼筋配置提供較強的理論及實踐依據，有效改善結構受力，構造合理，結構安全可靠。

圖9 橋塔有限元模型

圖10 縱橫向螺紋鋼束布置

4.7 主橋穩定性分析

本橋在施工難度大，涉及復雜的體系轉換，且跨越鄭西高鐵，結構穩定問題突出。因此，開展主體結構施工過程及成橋穩定分析具有重要的理論及實踐意義[14-15]。施工期結構失穩狀況如表3所示；施工階段彈性屈曲失穩狀況如在各計算工況下，結構彈性穩定系數均遠大于《公路斜拉橋設計規范》和《公路斜拉橋設計細則》中斜拉橋彈性穩定系數應大于4的要求。穩定系數整體表現為下降的趨勢，施工階段的最小穩定系數發生于轉體階段，此時穩定系數為36.5，本施工階段1階屈曲模態表現為主梁豎向彎曲。

在施工階段，結構在無風和有風時，結構的彈性穩定系數變化很小，順橋向風荷載作用下與無風狀態下彈性穩定系數基本一致，橫橋向風荷載作用下，結構的彈性穩定系數有所減少，減小幅度均在2%以內。

表3 施工階段1階彈性屈曲失穩模態結果

在運營階段，在各計算工況下，結構彈性穩定系數均遠大于《公路斜拉橋設計規范》和《公路斜拉橋設計細則》中斜拉橋彈性穩定系數應大于4的要求，安全富裕量大，如表4所示。

表4 運營階段彈性屈曲失穩模態結果

在運營狀態下，結構在無風和有風時，彈性穩定系數幾乎不變或者變化很小，減小幅度均在1%以內，結構穩定性主要是由恒載和列車荷載的分布形式決定。

5 動力分析

5.1 自振特性計算

采用Midas/Civil建立主橋動力有限元模型，將二期恒載轉換為質量，主橋前10階自振頻率及振型如表5所示。

表5 主橋前10階自振頻率及振型特征

5.2 車橋耦合計算

高速鐵路有較高的行車舒適性要求，橋梁剛度控制，對變形要求較高。對本橋車橋耦合分析，模型計算了CRH3、E500通過橋梁時車橋系統空間動力響應，列車編組及計算工況如表6所示[16]。

表6 列車編組計算工況

當CRH3、E500以120～180 km/h速度通過該橋時，在計算工況下，橋梁的動力響應均在容許值以內，列車行車安全性滿足要求；列車豎、橫向振動加速度滿足限值要求；當CRH3、E500以120～180 km/h(橋梁設計速度段)通過該橋時，列車乘坐舒適性均能夠達到“優秀”標準，以180 km/h(檢算速度)通過該橋時，列車乘坐舒適性為“良好”標準。

5.3 主橋抗震分析

本橋采用反應譜和時程反應進行抗震分析，經分析采用0.2g抗震支座，各項指標均滿足《鐵路工程抗震設計規范》的要求，結構設計合理，安全可靠。

6 結論

(1)采用(32+138+138+32) m獨塔斜拉橋形式，先平行于既有鐵路支架現澆主梁，再轉體至施工線位，最大限度減小對橋下既有高鐵的影響，保障凈空。

(2)本橋為大縱坡彎橋，整體受力、線形控制應充分考慮縱坡、曲線半徑等結構空間效應和斜拉索的非線性和松弛等影響。

(3)高鐵獨塔斜拉橋與矮塔斜拉橋在結構布置及受力性能方面呈現較大差異，對其設計需充分考慮二者力學行為特性；對于獨塔斜拉橋索塔細部及配筋優化設計明顯改善結構受力，為施工期及后期換索結構受力合理提供有力保障。

(4)客運專線為保障行車舒適性，要求結構剛度大，變形小。本橋結構受力合理，剛度大，兼顧常規斜拉橋跨越能力優勢的同時，能適應客運專線大跨橋梁的發展需要，增大了該結構體系的工程應用范圍。

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