常益長鐵路沅江特大橋(34+118+240+118+34) m矮塔斜拉橋設計

林 騁

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

新建常德經益陽至長沙鐵路工程，在常德市跨越沅江。沅江為長江流域洞庭湖支流，是湖南省的第二大河流。沅江特大橋在常德市漢壽縣跨越沅江航道，該段河道位于曲線，如圖1所示。河道水面寬500～600 m，測時水深15～35 m。橋址處工程地質以細砂、細圓礫土、不同風化程度泥巖為主。

圖1 沅江特大橋主橋橋址平面示意

沅江特大橋設計活載為ZK活載，雙線線間距5.0 m，鋪設無砟軌道，設計時速350 km。主橋范圍線路為直線、平坡。橋址處所在河段為規劃Ⅱ級航道，通行2 000 t級貨船。工點范圍內屬于Ⅱ類場地，地震動峰值加速度值為0.15g，反應譜特征周期為0.45 s。

2 主橋總體布置及概況

由于橋梁跨越沅江河道彎道處，水流與橋軸線最大交角約8°，航道寬度在直線的基礎上加寬。根據通航論證及審批意見，設計通航凈寬202.1 m，通航孔跨度為240 m，航道兩側各10 m左右安全距離。由于本橋跨度較大，為滿足鋪設無砟軌道要求，采用斜拉索加勁以提高結構剛度。綜合考慮結構受力、經濟性能、施工影響等各方面因素[1-4]，主橋采用(34+118+240+118+34) m預應力混凝土矮塔斜拉橋，主孔跨越沅江航道，如圖2所示。

圖2 沅江特大橋主橋立面(右側為長沙方向，單位：m)

根據洪水影響評價，洪道處橋墩采用低樁承臺以滿足阻水率要求。主墩處設計水位水深約39 m，是一座大跨深水橋梁。由于水位較高，主橋主墩墩高超過40 m，采用塔梁墩固結體系以提高結構整體性，并設置輔助墩減小梁端轉角。

本橋為常益長鐵路關鍵節點橋梁，為了便于施工管控、保證施工質量，總體上采用先塔后梁施工方法[5-6]。主橋主梁采用預應力混凝土箱梁，橋塔采用雙柱式鋼筋混凝土結構，斜拉索采用環氧涂層鋼絞線拉索，扇形平行雙索面。橋墩采用雙肢薄壁墩，基礎采用鉆孔灌注樁群樁基礎。

3 主橋構造

3.1 主梁

主梁采用預應力混凝土直腹板變高箱梁，單箱雙室截面，如圖3所示。主梁頂寬14.3 m，底寬11.2 m，斜拉索錨固于外腹板外側。主梁主墩處梁高13.0 m，邊直段及跨中截面梁高6.0 m，底板按R=806.071 m圓曲線變化。主梁頂板厚度為45 cm，腹板包含45，65 cm及85 cm三種厚度，底板厚由跨中的55 cm按圓曲線變化至主墩處的113.9 cm。主橋分別在主墩、輔助墩、邊墩及跨中處共設7道橫隔梁。

圖3 主梁橫斷面(單位：cm)

3.2 橋塔

本橋為大跨度高鐵橋梁，為滿足鋪設無砟軌道要求，適當增加橋塔高度以提高橋梁豎向剛度[7-8]，同時可以提高景觀效果[9]。橋塔采用雙柱式鋼筋混凝土結構，橋面以上部分高度為46.5 m，高跨比1：5.16。為適應分絲管索鞍，塔柱采用矩形實體截面，順橋向寬度為5.0～7.0 m，橫橋向寬度為2.6 m。塔柱4條豎向棱線及塔頂設置倒角優化橋塔外形，如圖4所示。

圖4 橋塔三維軸測圖(單位：m)

3.3 斜拉索及錨固方式

斜拉索采用平行雙索面體系，扇形布置。全橋共40根斜拉索，采用標準抗拉強度為1 860 MPa的環氧涂層鋼絞線拉索。斜拉索梁端錨固點水平間距8.0 m，塔端錨固點(名義錨點)豎向間距1.0 m。斜拉索在塔端采用分絲管索鞍貫通，梁端張拉。

斜拉索采用齒塊錨固于箱梁翼緣板下方，如圖5所示。錨固截面設置1.8～2.3 m預應力混凝土變高橫梁，位置與斜拉索下錨固端位置一一對應，全橋共40道。

圖5 斜拉索梁端錨固構造(單位：cm)

3.4 橋墩與基礎

主墩采用雙肢薄壁墩，墩梁固結，與單體空心墩或實心墩相比，具有綜合抗彎剛度大，水平抗推剛度小的特點[10]，能夠降低剛構體系橋梁中溫度效應對結構的影響[11]。小里程側主墩高39.0 m，大里程側主墩高44.5 m。每個主墩由兩個中心距為4.7 m的圓端形截面實心薄壁墩組成，實心薄壁墩順橋向寬2.3 m，橫橋向寬15.5 m，圓弧半徑1.15 m，如圖6所示。主墩下部按線性變化加寬，加寬段中心距保持不變。

圖6 斜拉索錨固處橫梁構造(單位：cm)

根據通航論證報告及審批意見，主墩基礎采用低樁承臺、鉆孔灌注樁基礎，每個橋墩設20根φ2.5 m的摩擦樁，按行列形式布置。主墩基礎采用雙壁鋼圍堰施工，是目前國內同期水深最深的內河基礎之一。

4 主橋結構設計

4.1 靜力分析

主橋結構分析采用MIDAS Civil與BSAS進行分析，主梁、橋塔及下部結構采用梁單元，斜拉索采用索單元模擬[12]，同時考慮沖刷對樁基礎剛度的影響。

4.1.1 主梁

主梁采用懸灌施工，對稱澆筑26個節段后，形成2×109.5 m雙懸臂狀態，合龍邊跨后施工跨中兩節超懸灌段，最后合龍跨中。中跨合龍前施加1對頂推力，以改善橋墩受力狀態[13]。根據以上施工步驟進行計算分析，運營階段主力、主力+附加力組合下梁截面正應力分布情況如圖7、圖8所示，圖中主梁節點坐標約定原點位于主跨跨中，并以長沙方向為正。

圖7 主力作用下主梁正應力

圖8 主力+附加力組合作用下主梁正應力

計算結果顯示，主梁上緣、下緣正應力結果分布較均勻。按照最不利組合進行檢算，結果如表1所示，各項指標均滿足規范要求。

表1 主梁截面驗算結果

4.1.2 斜拉索(圖9)

斜拉索按體外預應力設計，在主力組合下最大拉應力為749.3 MPa，最小安全系數為2.48；在主力+附加力組合下最大拉應力為761.4 MPa，最小安全系數為2.44。本橋活載索梁比約為0.26，相對較小，是典型的矮塔斜拉橋[14]，因此斜拉索應力幅較小，最大應力幅為46.6 MPa。

圖9 運營階段斜拉索應力

4.1.3 索塔及橋墩

索塔、橋墩均為偏心受壓構件。索塔混凝土主力組合下最大壓應力為7.20 MPa，未出現拉應力；主力+附加力組合下最大壓應力為8.66 MPa，鋼筋應力為47.6 MPa。

橋墩控制截面為墩頂截面，在不同荷載組合下，主墩墩頂截面檢算結果如表2所示。本橋為剛構體系，分別按沖刷與不沖刷兩種工況進行橋墩驗算。從結果可見，附加力作用對本橋影響較大，主要表現為溫度變化引起較大的結構內力。此外，不同高度的橋墩受力狀態也存在一定差異。

表2 柱墩截面驗算結果

4.1.4 索梁錨固構造實體分析

索梁錨固構造較為復雜，采用MIDAS FEA針對該處建立局部有限元模型進行計算[15]，分析主力、主力+附加力組合下，錨固橫梁局部應力狀態。拉索錨固處局部有限元模型如圖10所示。

圖10 拉索錨固處局部有限元模型

根據有限元分析結果，拉索橫梁應力分布較均勻，不同組合下，S10拉索錨固橫梁(最長索)與S01拉索錨固橫梁(最短索)最大主應力結果如表3所示，各應力結果均小于配置鋼筋的主拉應力限值2.97 MPa，應力峰值并未超限，其他區域應力水平較低，可認為結構安全[16-17]。

4.1.5 抗震檢算

主橋抗震設防烈度為7度，屬于B類橋梁。計算多遇地震及罕遇地震作用下橋梁結構響應，對控制截面進行檢算。

表3 柱墩截面驗算結果 MPa

根據計算，主墩墩頂截面為控制截面。多遇地震作用下，結構處于彈性階段；罕遇地震下，截面極限彎矩Mu、初始屈服彎矩My及等效屈服彎矩Meq關系如表4所示。從結果可見，罕遇地震作用下，橋墩控制截面受拉區有一定比例的鋼筋進入屈服狀態。因此，進一步進行延性驗算，最大延性比為1.4，滿足規范要求。

表4 罕遇地震下控制截面驗算結果

4.2 剛度

由于本橋標準為時速350 km高速鐵路，結構剛度及工后徐變要求較高[18]。

主橋在ZK活載作用下，中跨最大靜活載撓度為-105.9 mm，為中跨的1/2 266，梁端轉角0.15‰ rad。梁體剛度較大且平順性較好，有利于行車。主橋邊跨、次中跨、中跨工后徐變位移分別為0.3,-9.6,-18.9 mm，滿足TB10621—2014《高速鐵路設計規范》要求。

4.3 動力分析

對全橋構件及樁基礎采用空間梁單元建模分析，樁基礎采用“m”法考慮樁土共同作用，計算主橋自振特性。基于成橋狀態，考慮溫度、徐變等影響進行車橋耦合動力響應分析。橋梁前10階自振頻率、振型主要特點見表5。

根據車橋耦合動力分析結果，當CRH3高速列車以速度250～420 km/h通過該橋時，橋梁的動力響應均在容許值以內，列車豎、橫向振動加速度滿足限值要求，列車行車安全性滿足要求；當CRH3高速列車分別以250～350 km/h(橋梁設計速度段)、375～420 km/h(檢算速度段)通過該橋時，列車的乘坐舒適性均達到“良好”標準以上。

表5 橋梁前10階自振特性

5 結語

常益長鐵路沅江特大橋跨沅江主橋為同期國內時速350 km最大跨度矮塔斜拉橋之一，是內陸水系中主墩水深最深的橋梁之一。該橋采用塔墩梁固結體系、增加橋塔高度等措施提高結構剛度，采用多種有限元軟件對結構進行計算分析，主橋受力狀態及結構剛度良好，滿足鋪設無砟軌道要求，為同類大跨無砟軌道橋梁的設計研究提供參考和借鑒。該橋已于2019年開工，預計2022年建成。