普速鐵路單線獨塔斜拉橋總體設計及創新

付小軍

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063； 2.中鐵建大橋設計研究院,武漢 430063)

1 工程概況

潛江鐵路支線位于江漢平原腹地,屬于江漢平原貨運系統的重要組成部分,途經湖北天門、仙桃、潛江三市,在岳口鎮南既有公路橋下游約1.1 km處跨越漢江,岳口漢江特大橋是潛江鐵路支線跨越漢江的控制性重點工程。

1.1 建設條件

岳口漢江特大橋位于天門市岳口鎮,工程所在河段上起吳家灣、下至復興鎮,全長約21 km,河道窄深,灘槽高差大,河岸土質較好,黏土層較厚,抗沖力強。工程所在河段局部河道較為順直,深泓居中,由于兩岸堤防約束,河床橫向變形較小,主流平面擺動受到限制,河勢較為穩定。

根據區域地質勘察資料,橋址所在地層巖性較復雜,主要由第四系全新統沖湖積層淤泥質黏土、粉質黏土、黏性土、粉土、砂類土等組成；地下水為第四系孔隙潛水,其中第四系粉、細砂及中砂層為主要含水層,測時地下水埋深1.0～2.0 m；橋址所在地區年平均最高氣溫21.0 ℃,年平均最低氣溫12.5 ℃,極端最高氣溫為38.7 ℃,極端最低氣溫-17.2 ℃；年最大風速36.0 m/s,年平均風速2.5 m/s。

1.2 主要技術標準

鐵路等級為國鐵Ⅱ級。正線數目為單線；設計行車速度：100 km/h。通航水位：最高通航水位為38.07 m,通航凈高不小于10 m。橋位河段航道等級為天然Ⅲ級,貨船尺度為85.0 m×10.8 m×2.0 m。船隊尺度為167.0 m×21.6 m×2.0 m；船撞力按4 000 t級船隊的撞擊力設計。設計基本風速：V10=19.98 m/s。抗震設防標準：按Ⅶ度設防。

2 橋梁方案設計

2.1 橋型方案研究

岳口漢江特大橋橋址處與上游既有岳口公路橋間距為1 050 m,通航要求鐵路橋必須一跨跨越該河段水域220 m,考慮到橋墩位置對通航空間有所影響,主跨凈寬取值不宜小于240 m。

根據地形、地質、通航及景觀設計等條件要求,在現有技術水平下,連續剛構橋的跨徑難以滿足鐵路需求；對比斜拉橋與剛構拱方案,斜拉橋主橋造價雖高于剛構拱橋,但通過采用減小梁高的結構形式,降低線路高程,縮短引橋長度,斜拉橋全橋總造價較剛構拱橋低。同時,在增加斜拉橋部分主橋工程造價的情況下,采用較大跨度斜拉橋方案,一定程度上提高了結構通航安全性,更好地滿足了防洪要求,因此本項目選用斜拉橋方案。

對比斜拉橋獨塔方案與雙塔方案,可以發現獨塔方案能更充分地利用材料特性,且通過減少主墩個數,造價較雙塔方案更為經濟。橋址處江面寬闊,基底持力層軟、埋藏深,僅設置1個主墩結構,能較大程度降低施工難度,減短施工周期。獨塔斜拉橋作為一種常用的斜拉橋跨徑布置方式,在已建斜拉橋中占有較大比重,是修建現代大跨度橋梁的熱門選擇橋型之一[1-4]。為減輕橋梁自重、增強跨越能力,主梁采用鋼-混混合梁結構形式,近些年來混合梁結構在斜拉橋建設中得到廣泛應用,與其他主梁形式相比,混合梁結構的受力特性、跨越能力、結構布局、經濟效益等特點優勢顯著[5-8]。綜合分析,最終推薦采用獨塔雙索面混合梁斜拉橋方案。

2.2 橋跨布置

主橋結構采用(32.7+50+93.7+260+38.2) m混合梁獨塔斜拉橋,全梁長474.6 m(含梁縫)。邊跨及部分中跨主梁為預應力混凝土箱梁,其余中跨主梁為鋼箱梁。見圖1。

圖1 岳口漢江特大橋橋型布置(單位： m)

2.3 結構體系

主橋為半漂浮體系,塔梁之間設置豎向支座、橫向抗風支座及縱向阻尼器。各輔助墩位置均設置多向活動豎向抗壓支座,同時設置橫向擋塊,約束橫向位移。

2.4 橋梁設計難點

潛江支線260 m獨塔斜拉橋為單線大跨度獨塔斜拉橋在鐵路工程項目中的首次采用,具有設計技術復雜、施工難度大、建設標準高等特點。針對其非對稱鐵路獨塔斜拉橋體系的特殊性,需著重對以下幾個方面進行深入研究,以形成較為完整的鐵路獨塔體系設計思路。

(1)需對塔梁之間的連接形式、主梁梁部構造形式、邊跨布置、鋼混結合段位置進行研究。考慮到拉索錨固系統的重要性,對索梁、索塔錨固方式、受力性能進行研究,得出最優設計方案。針對鐵路橋梁列車活載重、抗疲勞性能要求高(尤其是單線鐵路)、橫豎剛度控制嚴等特點,需要詳細研究結構體系的受力特點,保證體系的技術經濟合理性。

(2)為研究關鍵結構參數設計對鐵路獨塔混合梁斜拉橋力學行為的影響,需要對邊跨跨度、加勁梁截面形式、橋塔高度、輔助墩設置個數和斜拉索規格等參數進行討論研究,以確定鐵路獨塔混合梁斜拉橋各部構件之間的合理比例關系。

(3)考慮到在車輛動荷載、風力及地震力作用下,橋梁結構產生的振動會影響橋上行車舒適性與安全性,有必要對結構進行風車橋耦合分析、抗風分析和抗震分析[9-13],評估橋跨結構的自振特性、抗風、抗震及車輛荷載的沖擊振動等動力學特性。

3 主橋結構設計

3.1 橋塔

索塔類型采用鉆石型,橋面以上塔柱采用倒Y形,通過對比120，130，140，150 m不同索塔高度,從結構受力、工程經濟性方面進行比較分析,最終確定橋面以上塔高為130 m,高跨比為1/2,橋面以下塔高為29.5 m。索塔縱向寬度由塔頂6 m線性加寬至塔底10 m,橋塔布置如圖2所示。

圖2 橋塔布置示意(單位： cm)

塔柱均采用C50混凝土,截面形式為單箱單室,上塔柱斜拉索錨固區橫寬為6 m,縱寬由6 m變化至6.742 m。考慮到索塔鋼錨箱橫豎向受力及預應力筋張拉空間等因素,上塔柱順橋向壁厚定為0.8 m,縱橋向壁厚由0.8 m變化至1.26 m,靠近實體段部分順橋向局部加厚至1.3 m,橫橋向局部加厚至1.8 m,上塔柱上部設置頂帽,厚1 m。中塔柱和上塔柱之間采用實體段連接,實體段高4.5 m,橫寬由9.966 m線性變化至10.67 m,縱寬由6.742 m變化至6.85 m,并設置人孔。

中塔柱為分離式傾斜塔柱,橫寬為4 m,壁厚1 m；縱寬由6.85 m變化至7.91 m,壁厚1.5 m,對應梁側面處設置橫向抗風支座,其墊石橫向距離為13.75 m。根據受力需要,中塔柱和下塔柱在塔梁交接處設下橫梁,采用箱形斷面,橫梁高4 m,寬7 m,頂底板厚均為0.8 m,腹板厚0.8 m。在靠近中塔柱實體段處設置3 m×1 m倒角,保證塔與橫梁傳力途徑平緩。

下塔柱為分離傾斜塔柱,為使塔壁應力均勻擴大到基底,減少施工混凝土接縫影響,下塔柱距承臺頂2 m高度范圍內設置實體段,塔柱橫寬由4 m變化至6 m,縱寬由8 m變化至10 m,橫縱向壁厚均為1.5 m。根據防洪要求,主墩承臺需位于河床面以下,承臺頂高程為+22.78 m,位于現狀地面線下0.26 m。主塔采用23φ2.2 m鉆孔樁基礎,摩擦樁梅花式布置,樁長97 m,樁底持力層為細圓礫土。承臺為矩形,承臺尺寸為26.9 m×23.7 m×6 m。主塔基礎布置如圖3所示。

圖3 主塔基礎布置(單位： cm)

3.2 主梁

主梁采用鋼-混混合梁形式,其中預應力混凝土梁長190.05 m,鋼混結合段長13.05 m,鋼箱梁長270.8 m。

3.2.1 混凝土箱梁

混凝土箱梁為單箱三室等高截面,采用C55混凝土,箱梁尺寸主要由結構受力及構造要求確定,其中頂板需滿足橋面橫向彎矩要求,故按既有鐵路單線連續箱梁設計經驗取值；底板厚度應滿足預應力筋布置和混凝土澆筑要求,考慮到邊跨混凝土梁需提供較大的重力剛度以便減少壓重,故底板盡量取厚；腹板作為箱梁上下翼緣連接紐帶,主要承受截面剪應力和主拉應力,厚度需滿足抗剪、抗扭極限強度、預應力筋布置及混凝土澆筑等要求。綜合分析,標準橫截面全寬取13 m,梁高3.5 m,中室梁頂板厚度取40 cm,底板厚度取60 cm,中腹板厚50 cm,斜底板厚60 cm,加厚橫截面中室梁中腹板厚度為70 cm。混凝土梁標準橫斷面如圖4所示。

圖4 混凝土梁標準橫斷面(單位： cm)

混凝土箱梁每5.5～9.5 m布置1道厚50 cm橫梁,與斜拉索位置對應設置,全橋共計22道斜拉索橫梁。索塔、連接墩頂、輔助墩頂及結合塊箱梁各設置1道橫隔梁,其中P88號墩頂橫隔梁厚2.35 m,P89～P91號墩頂橫隔梁厚2.5 m,結合塊橫隔梁厚2 m,全橋共計5道墩(塔)頂橫隔梁。各墩(塔)頂橫隔梁均設置過人孔,P89、P90、P91號墩頂橫隔梁只設置中室過人洞,寬高尺寸為1.2 m×1.2 m；邊室過人孔為圓孔,外徑φ0.8 m,邊室人孔距結構中心線水平距離5.5 m,高度距底板底1.6 m。

3.2.2 鋼箱梁

鋼箱梁為帶風嘴的單箱三室截面,采用正交異性板結構,由頂板、底板、斜底板、中腹板、邊腹板及風嘴圍封而成。考慮到受力及剛度過渡要求,鋼箱梁在不同區段采用不同板厚,共分6個區,10個梁段類型。頂、底板厚16～28 mm,鋼箱梁設2道中腹板和2道邊腹板,中腹板厚20～28 mm,邊腹板厚30～40 mm；根據正交異性鋼橋面板疲勞試驗結果,頂板均設置縱向V肋,加勁肋厚10 mm,間距600 mm。底板均設置縱向U肋,板厚8 mm(壓重區域加厚至10 mm),平底板上U肋間距700 mm,斜底板上間距800 mm。鋼箱梁主跨標準節段長12 m,邊跨節段長9 m。標準節段每隔3 m設置1道實腹橫隔板。全橋共計24個鋼箱梁節段,最大節段質量約134.1 t。鋼箱梁標準橫斷面如圖5所示。

圖5 鋼箱梁標準橫斷面(單位： mm)

關于鋼箱梁邊跨壓重一般有兩種方式可供選擇,一是設置搭板將壓重塊支撐于底板U肋[14],二是設置擋板灌注混凝土壓重[15],考慮到灌注壓重混凝土能與焊釘共同作用,對結構抗疲勞性能、支座局部承壓及整體穩定性都有較大提高,故本橋采用灌注混凝土的方式對邊跨進行壓重。

3.2.3 鋼混結合段

給合段是混合梁斜拉橋受力的關鍵部分,特別是接頭位置要求能流暢傳遞各種荷載效應,必須具有良好的抗疲勞性和耐久性。綜合考慮混凝土梁施工架設難度、通航要求、主梁受力、主梁不平衡彎曲應變能最小原則及梁塔剛度等各類因素[16],比選了混凝土梁伸入主跨23，27，39，51 m不同方案的各類評估指標,綜合分析,確定鋼混結合面設于主跨距橋塔處27 m位置處。

本橋結合段采用階梯狀填充混凝土前后承壓板式鋼-混凝土接頭。整個結合段長13.05 m,包含3 m頂底腹板變厚混凝土箱梁過渡段、2 m混凝土橫梁、4.05 m頂底腹板變厚鋼混過渡段、4 m頂底板V(U)肋變高T肋鋼箱梁過渡段共4部分。結合點設置在2 m厚的橫梁處,兩側梁體通過實心梁段傳力,其中4.05 m鋼混過渡段采用階梯狀混凝土填充前后承壓板式接頭,通過將結合段鋼箱梁的頂板、底板、腹板、隔板和端承壓板之間圍封組成鋼格室,與混凝土箱梁頂板、底板和腹板平順過渡,同時PBL剪力鍵、縱向預應力索及鋼格室頂底板剪力釘保證了力的可靠傳遞和擴散。鋼-混結合段及鋼箱梁剛度過渡段的頂板、底板、中縱腹板、T形加勁肋板厚均為28 mm,邊腹板厚度30 mm。鋼混結合段構造如圖6所示。

整個鋼混結合段加工成整體,起吊后在支架上安裝固定。為方便混凝土澆筑及自由流動,結合段鋼格室頂板開設澆筑孔,隔板設置連通孔；為確保連接可靠,鋼格室箱體內側鋼板設穿孔鋼筋及搭焊鋼筋與混凝土梁內鋼筋連成整體。

圖6 鋼混結合段構造圖(單位： mm)

3.3 斜拉索

斜拉索材料為鍍鋅平行鋼絲拉索,空間雙索面體系,采用梁端錨固、塔端張拉的方式,全橋共42對斜拉索。斜拉索梁上間距為6～12 m,塔上間距為1.7～4.63 m,單索最長277.3 m,最大規格為PES(C)7-199,質量約9.2 t。根據不同索力,斜拉索規格分別為PES(C)7-109、121、127、139、151、163、199共7種。

3.4 索梁錨固

斜拉索與混凝土箱梁采用齒塊連接,與鋼箱梁采用錨拉板連接[17-18],錨拉板傾角與拉索保持一致,考慮拉索非線性垂度影響,縱向傾角最小為26.69°,最大為74.32°,橫向傾角從2.45°變化至3.68°。縱向傾角通過保持錨拉板與主梁水平角度適應拉索索形來調整,橫向角度通過在鋼箱梁頂板上方設置對接雙面坡口熔透焊來調整。

3.5 索塔錨固

索塔錨固采用內置型鋼錨箱形式,鋼錨箱共20節,每節鋼錨箱高1.83～5.6 m,鋼錨箱節段之間采用高強螺栓連接,鋼錨箱最下端支撐錨固在混凝土底座上。鋼錨箱由側面拉板、端部承壓板、腹板、錨板、錨墊板、橫隔板、連接板、加勁肋等構件組成[19-21],其中側面拉板主要承擔斜拉索水平拉力,板厚40 mm,表面設置豎向人孔,為增強鋼錨箱的豎向穩定性,側面拉板外側焊有豎向加勁肋；承壓板與混凝土塔壁相連,表面焊有剪力釘；索力通過腹板傳遞至豎向拉板上,高度隨斜拉索角度不同而變化,腹板兩側焊有加勁肋；側面拉板之間設置橫隔板,為厚度16 mm帶肋鋼板,上面開有人孔,在斜拉索張拉時作為施工平臺使用。

4 主橋結構計算

本橋結構計算主要分為3個層次：第一層次為建立空間桿系單元模型對結構整體進行計算分析,求得位移、反力、理想成橋索力等總體計算結果；第二層次為對混凝土梁、鋼箱梁、橋塔等構件進行縱橫向實體計算分析；第三層次為建立全橋實體模型,對總體計算結果進行復核。

采用有限元軟件按施工階段計算結構各截面內力、應力和位移。計算荷載包括恒載、列車活載、混凝土收縮徐變、預應力、溫度變化、風載、列車制動力、支座沉降等荷載,同時考慮了斜拉索非線性及樁-土相互作用等要素。

主橋結構計算主要結論如下。

(1)基于多套程序相互校核計算,歸總并對比結構剛度結果如表1所示,根據剛度計算結果可知,各程序計算結果比較接近,均滿足剛度要求。

表1 結構剛度條件(計沖刷)

(2)主塔在主力工況作用下混凝土正截面最大壓應力為10.89 MPa,主附工況作用下最大壓應力為15.44 MPa。主塔鋼筋拉應力、混凝土主拉應力和裂縫寬度均小于規范規定數值,相關驗算均滿足規范要求。

(3)主力組合和主加附組合作用下,混凝土主梁最大主壓應力分別為14.2 MPa和16.28 MPa,斜截面最小主拉應力分別為-0.36 MPa和-0.43 MPa；運營階段鋼箱梁主力下上緣最大應力為94.5 MPa,下緣最大應力為133 MPa,主加附作用下上緣最大應力為116 MPa,下緣最大應力為145 MPa。鋼箱梁的較大疲勞應力幅主要出現在邊腹板與鋼錨箱交接處和橫隔板過焊孔與U/V肋交接處,應力幅均在99 MPa以內。

(4)斷索工況下斜拉索最小強度安全系數為2.48,懸臂施工下最小值為2.25,最大值為7.65,均滿足施工階段受力要求,斜拉索疲勞活載應力幅介于44～130 MPa,滿足疲勞要求。

(5)通過對本橋動力特性及風—車—橋系統耦合振動計算結果進行分析,得出當橋面平均風速不超過25 m/s時,貨物列車以50～80 km/h速度行駛所得各指標均可滿足列車行車安全性和橋梁安全性要求；該橋最大單懸臂施工階段和成橋階段顫振穩定性指數均小于2.5,跨中豎向抖振位移響應根方差為0.039 m；設計地震作用與罕遇地震作用下主橋墩柱、橋塔及樁基礎均滿足預期性能目標要求。

5 橋梁技術創新

考慮到建造鐵路大跨度混合梁斜拉橋面臨著荷載重、疲勞活載大、動力性能及剛度要求高等諸多難題,故該橋設計時主要在以下橋梁技術方面實現了一定的創新。

(1)單線大跨度鐵路斜拉橋中首次創新采用了獨塔形式,確定了非對稱單線鐵路獨塔斜拉橋體系梁、塔、索等構件關鍵設計參數及其力學性能之間的關系。

(2)創新采用了鐵路橋梁鋼混結合段梯形填充混凝土構造技術,解決了結合段在重載作用下剛度平穩過渡的技術難題,確保了結構傳力可靠性及行車安全性。

(3)大跨度鐵路橋梁中首次創新采用了剪壓承載式錨拉板的索梁錨固形式,通過對結構增設承壓板來改變傳統錨拉板焊縫受剪的單一傳力方式,使得結構的安全冗余度更高。

(4)創新采用了加厚加高型V肋的鐵路鋼箱梁加勁肋形式,減小了圓弧形過焊孔面積,與面積、慣性矩相等的常規U肋相比,V肋降低了疲勞敏感點的應力幅,提高了橫隔板的豎向支撐剛度。

6 結語

岳口漢江特大橋設計技術復雜,施工難度大,是目前國內貨運單線鐵路跨度最大的鋼混結合梁獨塔斜拉橋,其中錨拉板的索梁錨固形式在鐵路梁上也是首次采用。該橋設計中所采用的大跨鐵路鋼混結合段構造連接技術、鐵路索梁錨拉板設計構造技術及主橋結構設計關鍵參數取值，可為同類型大跨度斜拉橋建設提供參考。該橋已于2018年12月通車運營,該橋建成后一定程度上彌補了長江經濟帶綜合運輸網的交通短板,對完善江漢鐵路貨運系統,服務“一帶一路”的綜合物流大動脈具有重要作用。