跨海灣大跨度雙線高速鐵路斜拉橋方案研究與關鍵技術分析

范靜濤

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司橋梁處,北京 102600)

1 概述

隨著我國高速鐵路的快速發展，跨越海灣或海峽的長大鐵路橋梁已有部分正在實施或規劃中。如福平鐵路平潭海峽公鐵兩用橋、新福廈客專跨泉州灣鐵路橋、滬甬客專跨杭州灣鐵路橋、舟山大陸連島鐵路工程跨海橋、湛海線跨瓊州海峽鐵路橋等。在跨越主航道時，采用大跨度鐵路斜拉橋方案成為必然。

規劃沿海高速鐵路跨越某海灣西航道時需設大跨度雙線鐵路橋。西航道橋規劃通行10萬t級集裝箱船，通航凈空要求：單向凈寬425 m×凈高63.5 m。

橋址處水下地形較平坦，水底高程一般為-5～-15 m；水底主要為新近沉積的淤泥、淤泥質土等，覆蓋層厚度約80 m。橋址處基本地震動峰值加速度值為0.05g，基本地震動加速度反應譜特征周期分區值為0.35 s。

橋上軌道按250 km/h有砟軌道設計，為雙線高速鐵路橋，線間距5.0 m。

2 西航道橋橋式方案

結合橋址處的建設條件和通航要求，西航道橋主跨確定為2×460 m或810 m。

主跨采用2×460 m或810 m時，橋式方案可采用斜拉橋、懸索橋、斜拉-懸索組合體系橋梁等。

斜拉-懸索組合體系橋梁一般用于特大跨度橋梁，技術難度大，研究成果少，鐵路橋梁范圍內無應用先例。大跨雙線鐵路橋采用懸索橋時又難以滿足結構的剛度條件，且造價較高。因此，重點研究斜拉橋方案。

斜拉橋能夠較為均衡地滿足功能、經濟的要求，避免了懸索橋需水中設大型錨碇的缺點，但大跨度雙線鐵路斜拉橋因鐵路活載較大，加上高速列車對結構的剛度要求更高，結構設計的技術難度較高，對結構方案合理性及經濟性需進行充分研究。

2.1 主跨2×460 m三塔斜拉橋

(1)總體布置及結構體系

當雙孔單向通航時，采用主跨2×460 m三塔雙索面結合梁斜拉橋，橋跨布置為(84+168+460+460+168+84) m，橋長1 424 m。2×460 m斜拉橋橋式布置如圖1所示。

索塔采用折線H形混凝土索塔。均采用鉆孔樁基礎。中塔、邊塔全高均為221 m，橋面以上塔高127 m。

圖1 2×460 m斜拉橋橋式布置(單位：m)

斜拉索采用平行雙索面，扇形布置，中塔處布置32對斜拉索，邊塔處(一個邊塔)布置40對斜拉索。全橋共112對斜拉索。

考慮到橋址處地震烈度低，為提高主梁剛度，降低溫度的影響，中塔處采用塔墩梁固結的形式。邊塔處采用半漂浮的體系。

(2)主梁

主梁在中塔位置和兩邊跨采用混凝土箱梁，中塔位置長度30 m，采用單箱三室截面，兩側設外置鋼風嘴，在中塔根部局部加厚，混凝土箱梁斷面見圖2。主梁中跨其他部位采用混凝土橋面板+槽形鋼箱梁的結合梁結構，為封閉箱形斷面形式。梁寬(不含風嘴)17.1 m，主梁含風嘴全寬22 m，梁高4.5 m。拉索在梁端錨固采用錨拉板結構。結合梁斷面見圖3。

結合梁標準截面區域混凝土橋面板采用多塊預制，鋼梁上翼緣帶狀區澆筑二次混凝土形成結合，與鋼箱統一吊裝施工。為防止混凝土板開裂，在混凝土板內布置縱向預應力筋。

(3)計算結果

主要設計指標如表1所示。

主要計算結果如表2所示。

圖2 混凝土主梁橫斷面(單位：mm)

圖3 鋼-混結合梁橫斷面(單位：mm)

表1 2×460 m斜拉橋主要設計指標

從表2可以看出，結構各項指標均滿足設計要求。橋梁設計剛度為1/715(撓跨比)，梁端轉角1.7‰，橫向撓跨比1/4 071。

表2 2×460 m斜拉橋主要計算結果

世界各國已建大跨度鐵路斜拉橋和公鐵兩用斜拉橋的豎向撓跨比普遍小于1/500，橫向撓跨比大于1/1 300，經長期運營考驗，情況良好，其工程實踐值得借鑒。國內大跨度鐵路斜拉橋豎向撓跨比多在1/600～1/700，參考國內同類型橋梁的實踐經驗，本橋設計剛度標準暫按1/700控制。

2.2 主跨812 m雙塔斜拉橋

(1)總體布置及結構體系

當單孔雙向通航時，主橋采用雙塔鋼桁梁斜拉橋布置，主跨812 m，邊跨距離橋塔266 m設置輔助墩，孔跨布置為(154+266+812+266+154) m，橋長1 652 m。結構體系為半漂浮，主梁在橋塔處設豎向支承，縱向設置阻尼器以及限位裝置。

橋塔采用鉆石形混凝土塔，塔高322 m，橋面以上塔高223 m。斜拉索采用空間雙索面、扇形布置，全橋共108對斜拉索。

主跨812 m斜拉橋橋式布置如圖4所示。

圖4 812 m斜拉橋橋式布置(單位：m)

(2)主梁

由于橋跨度較大，且高速鐵路橋對剛度要求更高，主梁采用豎向剛度較大的鋼桁梁結構。橋面采用正交異性板結構，以提供足夠的橫向剛度并增強橋面的整體性；采用道砟橋面以增加橋面質量與阻尼，從而保證行車的舒適與安全。

主梁橫斷面如圖5所示。

圖5 主梁橫斷面(單位：mm)

(3)計算結果

主要設計指標如表3所示。

主要計算結果如表4所示。

表3 812 m斜拉橋主要設計指標

表4 812 m斜拉橋主要計算結果

從表4可以看出，結構各項指標均滿足設計要求。橋梁設計剛度為1/746(撓跨比)，梁端轉角1.2‰，橫向撓跨比1/1 524。主梁1階縱、橫向頻率低。

2.3 橋式方案比選

從主跨2×460 m三塔斜拉橋和主跨812 m雙塔斜拉橋的設計指標和計算結果來看，兩種方案都能滿足橋址處各項外部條件和結構自身的要求[1-2]。

2×460 m斜拉橋跨中橫向位移為113 mm，撓跨比為1/4 071；812 m斜拉橋跨中橫向位移為533 mm，撓跨比為1/1 524。812 m雙塔斜拉橋盡管梁寬達30 m，但因跨度太大，橫向剛度遠遠小于2×460 m三塔斜拉橋。

主要工程量比較見表5。兩橋工程量主要差別在主梁用鋼量、混凝土量和拉索量，下部結構工程量則相差不大。812 m斜拉橋主梁用鋼量是2×460 m斜拉橋的2.2倍，拉索用量比2×460 m斜拉橋多1 442 t;主梁混凝土用量2×460 m斜拉橋比812 m斜拉橋多9 256 m3。

表5 主要工程量比較

跨度達600 m以上的雙線鐵路斜拉橋，一般只能采用鋼桁梁，由于自重較輕，為滿足豎向和橫向剛度的要求，塔高巨大，塔身及基礎的規模十分龐大，費用較高，對抗風抗震不利，主桁承受巨大軸力增加了實施難度，經濟性也受到挑戰。

跨海橋為雙線高速鐵路橋，采用主跨812 m斜拉橋方案時，受橫向剛度限制，其主梁桁寬達30 m，遠遠高于常規雙線鐵路斜拉橋，造成鋼梁數量增大。其工程造價遠遠高于2×460 m斜拉橋，經濟性差。

另外，采用主跨812 m斜拉橋方案時，受限于行車剛度條件，其主梁采用的鋼桁形式在臺風地區適宜性較差，相比而言，2×460 m斜拉橋采用的鋼-混凝土結合混合梁在抗風性能上具有顯著優勢。

綜合分析比較，跨西航道主橋推薦采用2×460 m三塔斜拉橋方案。三塔鐵路斜拉橋在蒙華重載鐵路洞庭湖鐵路大橋得到首次應用，主橋采用了2×406 m三塔斜拉橋[3]。

三塔斜拉橋在公路橋領域中應用較多，在高速鐵路中則沒有應用先例。高速鐵路橋梁對剛度要求更高，提高三塔斜拉橋的剛度和行車安全性及舒適性是大跨度三塔鐵路橋應用于高速鐵路橋梁的主要問題之一，往往結構剛度控制設計。

3 三塔斜拉橋結構受力行為

三塔斜拉橋一側主跨加載時，加載側主跨跨中呈現最大撓度，同時非加載側主跨出現最大的反向撓度，邊跨加載對于中跨跨中撓度的影響基本上可以忽略不計[4]。

三塔斜拉橋一側主跨加載時，中塔塔底呈現最大彎矩，邊跨加載對中塔塔底彎矩影響也基本上可以忽略不計。中塔呈現出雙向較大彎矩可能產生的交變應力幅所帶來的疲勞問題需引起關注。

三塔斜拉橋中﹑邊塔最長斜拉索索力影響范圍均較大，中塔拉索影響線分布范圍正負區間起伏較大，索力變化幅度的加大所引起的疲勞應力是需要關注的一項內容，尤其是對于活載大的鐵路橋更要密切關注。

三塔斜拉橋中間橋塔因缺乏通過錨墩及其錨索進行約束的有利條件，結構的整體剛度減弱，在荷載作用下，中間塔頂的水平變形與跨中主梁的豎向撓度明顯增大，塔底內力、主梁撓度和拉索疲勞應力幅[4]比雙塔斜拉橋要大得多。因此提高結構剛度成為三塔鐵路斜拉橋設計的關鍵。

另一方面，隨著主梁長度的增加，溫度效應對結構的影響也相應增大。

三塔斜拉橋縱向振動往往只是中間塔的縱向振動，兩邊塔并不與中間塔一起產生縱向振動，往往先出現反對稱振型。由于斜拉索的存在而導致橫彎和扭轉振型的強烈耦合，出現彎中有扭，扭中有彎。即振型往往是橫彎為主兼有扭轉，或是扭轉為主兼有橫彎，很難出現純彎曲或純扭轉的振型[4]。

大跨度橋梁的動力響應主要由荷載沖擊作用產生，且車速越高，沖擊效應越明顯。三塔斜拉橋剛度低，沖擊作用將產生很大的動力系數。三塔斜拉橋由于1階豎彎振型的反對稱性，在高速列車荷載作用下，其行車方向的第二主跨很容易產生二次激振效應，使該跨的動力響應大于第一跨，且橋梁的豎彎基頻越低，二次激振效應越明顯[5]。

4 三塔斜拉橋結構關鍵技術分析

4.1 體系剛度控制

提高三塔斜拉橋剛度的措施主要有以下幾種：(1)增大斜拉橋主要構件剛度；(2)設置塔間加勁索；(3)中間跨跨中區段布置交叉重疊索；(4)設置邊跨輔助墩；(5)采用矮塔斜拉橋；(6)橋塔處主梁采用雙支點。無論采用以上何種方法，其核心都是控制中間塔的變位，從而提高結構整體剛度[6]。

對于斜拉橋而言，邊、中跨的比例越小，邊跨主梁的剛度越大，邊跨對索塔的錨固作用也就越大，從而使主跨的剛度增大，并可減小拉索應力幅。

在邊跨設置輔助墩使得在活載作用下邊跨主梁的撓度得以控制，使錨于其上的斜拉索的尾索效應得以更好地發揮，使邊塔塔頂位移減小、塔柱內力降低。特別在三塔斜拉橋中，設置輔助墩后中塔在活載作用下的位移和內力均降低較多。設置輔助墩同時大大降低了由于活載引起的梁端轉角。

控制塔頂縱向水平位移對減小主梁的撓度、活載內力幅及降低塔中的壓彎效應具有重要意義，而增大橋塔剛度則是改善這一問題最直接的措施。故三塔斜拉橋的橋塔，特別是中間塔，應考慮采用較大的橋塔剛度[7-8]。

主梁和斜拉索是斜拉橋體系剛度的重要提供者。梁塔剛度加大對結構整體剛度影響相對遲緩，斜拉索剛度的增加對提高結構整體剛度更直接有效。和鋼梁相比，混凝土箱梁自重大，使斜拉索在成橋階段形成具有較大重力剛度的斜拉承載體系，從而加強了結構體系剛度[9]。

本橋2×460 m三塔斜拉橋方案，采取以下措施提高橋梁剛度：

(1)增大中塔的縱向結構尺寸，從而增大中塔的縱向抗彎剛度，增強橋塔對主梁的錨固作用，提高了主梁剛度；

(2)中塔處采用塔墩梁固結[9]的構造形式，約束活載作用下主梁的位移，提高了主梁的剛度；

(3)調整斜拉索布置，中塔布置16對索，邊塔布置20對索，既提高了中塔對梁部的豎向約束作用，也提高了邊塔在提供主梁豎向剛度作用中所占比例，從而有效地提升了主梁剛度。

4.2 主梁結構形式

主梁采用鋼-混混合結合梁[10-11]，即邊跨主梁采用混凝土箱梁，兩中跨主梁采用槽形鋼梁+混凝土橋面板的結合梁。邊跨混凝土箱梁具有良好的抗側彎和抗扭轉剛度，自重和剛度大，增強了對主跨的錨固作用，避免了邊墩出現負反力，減小了主跨變形，使結構具有較強的跨越能力和良好的行車剛度條件。

混凝土箱梁豎彎模量[12]不足，如用于460 m中跨，難以承受鐵路活載產生的彎矩，同時也不能滿足豎向剛度的要求，梁塔產生較大的內力及應力，技術經濟上失去優勢。鋼-混結合梁利用了鋼材的高強度和混凝土抗壓能力強的特點，形成具有足夠豎向抗彎剛度的組合截面。

中跨采用鋼-混結合梁具有以下優點：

(1)與單純的鋼箱梁相比較，主梁自身剛度和恒載重力均有所增加，提高了結構整體剛度，增加風振阻尼特性，改善抗風性能；

(2)相對于鋼橋面板，混凝土橋面板剛度大，局部變形小，有利于高速行車；

(3)采用混凝土橋面板替代正交異性鋼橋面，能更好地承受斜拉橋的軸向壓應力，發揮材料優勢，避免了鋼橋面疲勞問題，同時提高了恒載與活載之比，改善了斜拉索等構件的疲勞受力。

對于400～600 m跨度級別的鐵路斜拉橋，采用混合結合梁形式能夠滿足高速行車剛度條件，技術成熟，特別是在經濟性、施工便捷性、養護與維修、抗風性能等方面較鋼桁梁、鋼箱梁有顯著優勢。

主梁如采用鋼桁梁，根據行車凈空確定桁寬是滿足不了橫向剛度要求的，為滿足橫向剛度的需要，需人為增加桁寬；另外鋼桁梁恒載相對較小，對應斜拉索用量較少，而斜拉索剛度變化對結構總體剛度的影響較塔梁剛度變化的影響要顯著得多。為滿足豎向剛度的要求，主桁桁高和主塔截面及高度往往偏大取用，主桁桿力、主塔及基礎彎矩均相應較大，斜拉索應力幅度也較大，同時也不利于抗風抗震。為解決剛度問題需一定的專門投入[12]。

4.3 主梁長聯溫度問題

主梁長度變大后，溫度效應影響增大。對主梁和斜拉索來說，過大的溫度變形不僅影響結構的合理性與安全性，也影響結構的適用性；對索塔而言，溫度效應處理不當將導致邊塔塔底內力過大，增加索塔、基礎等主要受力構件的設計難度。放松體系局部自由度或降低某一方向的剛度可以緩解溫度的影響[13]。三塔斜拉橋方案主要考慮了在邊塔與主梁間釋放縱向水平自由度和設計合理邊塔剛度。

4.4 拉索恒載應力與疲勞

斜拉索剛度的增大對提高體系剛度最有效，但是斜拉索存在嚴重的幾何非線性，其彈性模量隨著應力水平降低衰減的越來越快。單純依靠增加斜拉索面積，增加不了其承載剛度[14]，只有增加梁重，使斜拉索承載后具有較高的恒載應力水平，才能有效發揮斜拉索的作用。增大斜拉索恒活載應力比，有利于降低斜拉索的應力幅值。

索力變化幅度加大引起的疲勞應力是三塔斜拉橋需要重點關注的一項內容，尤其是對活載大的鐵路橋。斜拉橋中塔尾索所受交變應力幅度較大，往往疲勞控制設計[15]。

4.5 結構抗風性能

本橋位于臺風區，風車橋動力問題對大跨度三塔鐵路斜拉橋的設計具有十分重要的意義。

三塔斜拉橋的抗風措施主要在于中間塔和斜拉索的風致振動響應控制，梁體和邊塔的風致振動響應控制與雙塔斜拉橋相同。增大中間塔的縱向剛度和側向剛度﹑優化主塔斷面形狀﹑在主塔上附設氣動阻尼裝置和優化斜拉索的斷面形狀﹑在斜拉索上附設氣動阻尼裝置等措施提高三塔斜拉橋結構的抗風性能。

橋址處極大風速達50.4 m/s(15級)，10 min平均最大風速達39.6 m/s(13級)，在國內外跨海大橋中處于高位。橋梁抗風性能下階段需作專題研究，并進行風洞模型試驗加以驗證。

對于施工階段中橋梁的抗風能力，設計考慮施工全過程中結構最不利受力階段的靜風荷載并進行最不利施工階段的抗風穩定性檢驗，根據分析結果提出相應臨時措施，以確保橋梁在施工全過程的抗風安全。

5 結語

三塔斜拉橋應用于高速鐵路，結構剛度控制設計。影響結構總體剛度的各種因素中，結構體系布置是第一位，其次才是梁塔索各構件。

鋼-混結合梁自重在混凝土箱梁和鋼箱梁之間，用于500 m左右的中主跨較適宜；混凝土箱梁自重大，特別適用于邊跨壓重，避免邊墩出現較大的負反力，并減小了梁端轉角。

增大中塔及其兩側主跨斜拉索重力剛度和采取塔梁固結體系，能較大地提高三塔斜拉橋體系剛度，減小主梁變形，降低斜拉索應力幅和中塔塔頂位移及塔身應力。

蒙華重載鐵路洞庭湖大橋首次采用了2×406 m三塔斜拉橋[3]；滬甬客專跨杭州灣采用2×400 m跨度的三塔斜拉橋正在進行方案研究(設計院內部文件，論文及報告未見媒體)；珠機城際跨磨刀門水道采用3×340 m多塔斜拉橋處于初設階段(設計院內部文件，論文及報告未見媒體)。有了以上橋梁的經驗與積累，修建500 m左右的跨海三塔高速鐵路斜拉橋在技術上已完全可行。

隨著中國高速鐵路在沿海的發展，三塔雙線大跨度跨海鐵路斜拉橋終將會得到工程上的實踐。

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