包銀高鐵黃河特大橋(102+3×178+102) m矮塔斜拉橋設計及創新

馮文章

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

引言

20世紀80年代，法國工程師Jacgues Mathivat最早提出了矮塔斜拉橋的概念。這種橋型在法國誕生之后，沒有得到廣泛應用，卻在日本得到重視。日本于20世紀90年代建成了世界上第一座矮塔斜拉橋—小田原港橋[1]，隨后相繼建成了屋代南和屋代北兩座鐵路橋[2-3]、沖原橋、蟹澤橋[4]、三內丸山橋[5]、木澤川橋[6]等。我國于2000年建成第一座公鐵兩用矮塔斜拉橋—蕪湖長江大橋[7]。隨后，矮塔斜拉橋在我國發展迅猛，相繼建成漳州戰備橋、同安銀湖大橋等多座矮塔斜拉橋[8-11]。2011年，我國建成第一座鐵路預應力混凝土矮塔斜拉橋—京滬高鐵津滬聯絡線特大橋[12-13]。由于矮塔斜拉橋剛度大，經濟性優，施工便捷，在鐵路領域得到廣泛應用[14-16]。商合杭鐵路(94.2+220+94.2) m矮塔斜拉橋、福平鐵路(144+288+144) m烏龍江特大橋[17]是其中典型代表。

鐵路矮塔斜拉橋跨度逐漸增大，但聯長較短，對長聯大跨矮塔斜拉橋缺少足夠的研究。本文結合包銀高鐵磴口黃河特大橋(102+3×178+102) m矮塔斜拉橋，對高速鐵路長聯大跨矮塔斜拉橋的受力性能進行分析，為同類橋型在高速鐵路上的運用提供借鑒。

1 工程概況

包頭至銀川鐵路工程在磴口縣南糧臺村附近跨越黃河。橋位處左岸有庫區圍堤，為灌區和農田；右岸為鄂爾多斯低山臺地。橋位處河道順直，河寬2.7 km，現狀主槽寬約600 m，主流靠右岸，河道比降為0.14‰，該段河勢平緩開闊，為典型的庫區沖積平原型河道。橋址區范圍地址以細砂，粉砂，細圓礫土為主。磴口黃河特大橋采用ZK活載，雙線線間距4.6 m，有砟軌道，設計時度250 km/h，主橋位于直線，3.5‰縱坡上。橋址區地震基本烈度8度，地震動峰值加速度0.2g，場地類別Ⅲ類，特征周期分區為二區，地震動反應譜特征周期為0.55 s。

2 主橋孔跨布置和橋式方案

橋位處黃河規劃通航等級為Ⅴ級航道，需滿足通航要求。橋位處左灘擴寬，主槽進一步縮窄，河勢無較大變化，主流靠近右岸。橋位位于三盛公庫區閘前段，橋位處河道順直，主槽窄深。從歷年河勢變化分析，右岸穩定，左岸邊灘往河心發展，主槽略有萎縮。斜拉索加勁方式可有效提高主梁結構剛度，同時考慮通航要求、結構受力、方便施工、經濟環保等各方面因素[18]，決定采用(102+3×178+102) m矮塔斜拉橋方案。

主橋結構體系采用塔梁固結，塔墩分離形式。主橋全長738 m，孔跨布置如圖1所示。

3 主橋構造

3.1 主梁

主梁斷面如圖2所示。主梁采用單箱雙室、直腹板、變截面形式，梁高5.5～9.5 m，邊支點等高段長27.5 m，中支點等高段長9 m，跨中等高段長29 m，變高段長700 m，按二次拋物線變化。箱梁頂寬13.3 m，底寬10.8 m，中支點附近箱梁頂寬局部加寬至17.2 m，底寬加寬至14.0 m。頂板厚度除梁端為110 cm、中支點附近為100 cm外，其余均為42 cm。底板厚度50～163.8 cm，底板底部按二次拋物線變化，中支點局部加厚至2 m。邊、中腹板厚度均按照50 cm～70 cm～90 cm折線變化，中支點腹板局部加厚到110 cm。全聯在端支點、中支點、跨中處共設置9道橫隔板，邊支點隔板厚2.45 m，中支點隔板厚4.0 m，跨中隔板厚0.4 m，所有橫隔板均設過人孔。斜拉索錨固點位置設0.8 m寬的半橫梁，以提高主梁截面的橫向剛度和整體性。

3.2 索塔

增加橋塔高度可有效提升主梁剛度[19]，本橋梁頂面以上索塔高30 m。為提高景觀效果，塔柱外輪廓作圓形倒角處理。塔柱橫向寬度均為2.0 m，順橋向寬3.5 m。塔柱下端無索區高19.1 m。橋塔結構如圖3所示。

圖2 主梁橫斷面(單位：cm)

圖3 索塔結構(單位：cm)

3.3 索鞍

為便于斜拉索通過，塔柱上部設置索鞍。索鞍由多根分絲鋼管焊接而成，每根斜拉索穿過一個分絲管。索鞍兩側斜拉索通過單側雙向抗滑錨固裝置實現抗滑的目的，抗滑移裝置和鋼鉸線無相對滑移和斷絲現象。

3.4 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8對斜拉索，塔上索距1.1 m，梁上索距約8 m。斜拉索通過索鞍構造在索塔內通過，兩側對稱錨固于梁體。索體采用環氧涂層高強鋼絞線，抗拉強度標準值為1 860 MPa。

3.5 橋墩

橋主墩采用鋼筋混凝土結構，實心矩形變截面，外輪廓做圓形倒角和凹槽處理，2號主墩為固定墩。邊墩采用普通雙線圓端形實體橋墩。

3.6 基礎

主墩基礎采用樁徑2.0 m的鉆孔灌注樁。邊墩基礎采用樁徑1.5 m的鉆孔灌注樁。

3.7 附屬設施

由于橋體聯長較長，溫度跨度大，需設置溫度調節器。橋體位于高烈度震區，需采用減隔震支座，考慮到采用減隔震支座會造成梁端位移增大，按照抗震設計控制梁縫并設置梁端大位移伸縮裝置。橋體大位移伸縮裝置與軌道伸縮調節器合并設置。

4 結構計算

4.1 結構靜力計算

采用MIDAS CIVIL(2019)建立空間有限元模型，主梁、主塔、橋墩采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

梁塔連接采用主從約束模擬，梁墩的支座連接采用彈性連接模擬。橋墩與地基的連接采用節點彈性支撐模擬。計算荷載包括恒載、活載、附加荷載、特殊荷載，對結構施工過程和成橋狀態進行檢算。

對靜活載撓度及梁端轉角(考慮溫度影響)進行計算分析，其中中跨撓跨比為1/1 171，次中跨撓跨比為1/1 309，邊跨撓跨比為1/2 914。梁端轉角下撓度1.11‰rad，反彎-1.32‰rad。結果表明，在列車靜活載和溫度作用共同作用下，主梁豎向變形能夠滿足剛度要求。

主梁應力值見表1，可以看出，各種荷載組合作用下，主梁各截面的應力、強度安全系數、抗裂安全系數滿足TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》要求。

斜拉索采用抗拉強度標準值為1 860 MPa的環氧涂層高強鋼絞線。主力組合作用下斜拉索最大拉力4 818 kN，主力+附加力組合作用下斜拉索最大拉力5 059 kN；最小強度安全系數2.8；拉索疲勞應力幅90 MPa。

表1 主梁截面驗算結果

4.2 地震響應分析

本橋聯長較長，主墩較矮，橋址處地震基本烈度為8度，地震動峰值加速度為0.2g，屬于技術復雜、修復困難的高速鐵路特殊橋梁結構。抗震設防目標見表2。

表2 主橋抗震設防目標

通過抗震方案設計比選，確定采用阻尼器+減隔震支座的方案，阻尼器與減隔震布置如圖5所示，阻尼器參數如表3所示。

圖5 阻尼器布置示意

表3 阻尼器參數

本橋設計采用1倍多遇地震(考慮橋梁重要性系數1.5)時普通支座的水平反力作為減隔震支座的水平極限承載力，即當橋梁承受地震超過多遇地震水準時，支座的限位裝置解除約束，減隔震支座發揮相應作用。橋體采用減隔震支座最大承載力1.3×105kN。

考慮到罕遇地震工況下橋塔、梁、減隔震系統協同運動，按多遇地震工況(考慮1.5倍放大系數)下計算橋塔截面配筋。

采用以上設計參數，對結構進行多遇地震、設計地震及罕遇地震工況下的抗震計算分析，分析結果如表4～表8所示。

表4 多遇地震墩底內力

表5 設計地震墩底內力(減隔震支座+阻尼器)

表6 罕遇地震墩底內力(支座硬抗)

表7 罕遇地震墩底內力(減隔震支座+阻尼器)

表8 墩底抗震最大承載彎矩 kN·m

由計算結果可知，多遇和設計地震工況下橋墩墩底彎矩均在墩底彈性彎矩以內，罕遇地震工況下橋墩墩底彎矩均在墩底屈服彎矩以內，說明橋墩在多遇、罕遇地震下均滿足安全需要。

4.3車-橋耦合分析

為對列車過橋時的舒適性、安全性進行研究，本橋進行了車-橋耦合動力分析[20]。主橋前10階自振特性如表9所示。

表9 主橋前10階自振特性

根據車-橋耦合動力分析的結果，當CRH3高速列車以200～300 km/h的速度通過橋梁時，橋梁的動力響應均在容許范圍之內，列車橫向、豎向振動加速度滿足均限值要求；當CRH3高速列車以200～250 km/h(設計速度段)的速度通過橋梁時，列車乘坐舒適性指標可達到規定的“優秀”標準以上，以275～300 km/h(檢算速度段)的速度通過橋梁時，列車的乘坐舒適性也能夠達到規定的“良好”標準以上。

5 結論

包銀高鐵磴口黃河特大橋為目前我國聯長最長的高速鐵路矮塔斜拉橋，結構采用塔梁固結墩梁分離體系。對結構的靜力、地震響應和車-橋耦合進行分析，結果表明，各項指標滿足設計要求。主要創新點如下。

(1)地震基本烈度為8度，地震動峰值加速度為0.2g，聯長738 m，為給橋墩和基礎設計提供優化空間，在主梁和橋墩之間設置減隔震支座和粘滯阻尼器協同抗震。計算結果表明，協同抗震體系下，橋墩在多遇、罕遇地震下均滿足安全需要。

(2)大位移伸縮裝置與軌道伸縮調節器合并設置，解決了橋體溫度跨度大和減隔震支座引起的縱向大位移問題。

(3)本橋主墩采用承載力130 000 kN的大噸位減隔震支座，支座進行了專門研發。

包銀磴口黃河特大橋計劃于2020年開工建設，2023年建成通車。