高烈度震區大跨度鐵路混合梁斜拉橋主梁設計

劉 龍，李恩良，杜寶軍

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

混合梁斜拉橋橋式的邊跨混凝土梁段對主跨的錨固作用強，可以提高主跨的豎向剛度，同時降低全橋的用鋼量，經濟性存在一定優勢，因此鐵路箱梁斜拉橋宜采用混合梁主梁形式[1-3]。自寧波鐵路樞紐北環線甬江特大橋后[4]，國內陸續設計建造了多座大跨度箱梁鐵路斜拉橋[5-9]，表1統計了已建或在建的幾座典型鐵路箱梁斜拉橋的跨度.設計地震加速度.梁高.撓跨比等參數，根據統計結果可知，在8度及以上的高烈度震區還沒有鐵路箱梁斜拉橋建成。

表1 國內部分已建或在建的鐵路箱梁斜拉橋

國內地震活動頻度高.強度大，華北.西北.西南大部分地區均屬于高烈度震區，有必要對高烈度震區大跨度鐵路混合梁斜拉橋設計開展研究，以新建包頭—銀川鐵路烏海黃河特大橋工程為背景，介紹該橋主梁的設計方案及抗震計算方法，為高烈度震區同類型橋梁主梁設計提供借鑒。

1 工程背景

新建包頭—銀川鐵路正線為雙線高速鐵路，設計速度250 km/h，采用有砟軌道。包銀鐵路烏海黃河特大橋在烏海市海南區與石嘴山市惠農區交界處跨越黃河，左岸為寧夏石嘴山市惠農區，右岸為內蒙烏海市海南區，現狀河槽寬約240 m，包銀鐵路線位與黃河現狀河槽交角為101°。橋位處地震動峰值加速度0.2g，反應譜特征周期0.40 s，地震基本烈度為8度。

受防洪.通航等因素制約，主橋采用1-(80+80+260+80+80)m斜拉橋，整聯長582.4 m。主橋整體為雙塔5跨式斜拉橋，邊跨設置輔助墩，橋面以上有效塔高72.5 m，采用混合主梁，半漂浮結構體系。烏海黃河特大橋主橋立面布置如圖1所示。

圖1 烏海黃河特大橋主橋立面布置(單位：m)

2 主梁結構設計

2.1 梁高

主梁是列車直接作用的結構，承受二期恒載.列車豎向力.斜拉索力.橫向風力等。斜拉橋主梁設計基本上為索梁協同剛度控制，目前在建或已經建成的同類型箱梁斜拉橋豎向撓跨比一般控制在1/700左右，梁高一般在4.0～5.0 m。

因此，在有效塔高73 m.斜拉索12對.索間距10.5 m的前提下，針對不同梁高對主梁的剛度.材料用量等指標進行對比。

由表2可得如下結論。

表2 不同梁高情況下剛度.變形及材料用量

(1)隨著梁高的增加，雙線靜活載作用下主跨中的撓度逐漸減小，梁端轉角逐漸減小。當梁高為4.0 m時，主梁中跨的撓跨比大于1/700。

(2)梁高增加，主體結構自重增大，會導致斜拉索.主塔.下部結構及其他部件工程量的增大，進而增加了抗震設計的難度。

另外，從受力角度分析，若進一步減小梁高，會削弱主梁的抗彎性能，梁高的減小往往會大幅增加混凝土箱梁頂底板的厚度，降低預應力的效率。

3種梁高方案均可行，梁高4 m時主梁自重最輕.工程量最少，但主梁豎向剛度最小，中跨的撓跨比大于1/700。因此，從降低抗震設計難度.技術可行.經濟適用.確保安全的角度綜合考慮，推薦主橋梁高采用4.25 m(梁底至擋砟墻內側0.2 m處)，中心梁高4.336 m，該梁高與已建成的類似橋梁相比較為適中。

2.2 梁段劃分

本橋鋼箱梁標準節段長10.5 m，鋼混結合段長5.25 m，邊跨合龍段長5.25 m，中跨合龍段長1.5 m，主塔兩側各11.75 m范圍設底板鐵砂混凝土壓重。混凝土分為3個節段，A節段長46 m，B節段長58.2 m，C節段長17 m。主梁梁端劃分如圖2所示。

圖2 主梁梁段劃分示意(單位：m)

2.3 鋼箱梁

鋼箱梁為正交異性板結構，采用Q370qE鋼板。結構由頂板.上斜頂板.下斜底板.底板及豎腹板圍封而成。根據受力和剛度過渡要求，鋼箱梁分5個區.4個梁段類型，在不同區段采用不同的板厚，其中，頂.底板厚16 mm，主塔處漸變加厚至28 mm；中縱腹板厚18 mm，主塔處漸變加厚至28 mm；邊縱腹板厚36 mm。

頂板采用U肋加勁，U肋高280 mm，開口寬300 mm，底寬200 mm，板厚8 mm，橫向間距600 mm；底板采用U肋加勁，U肋高260 mm，開口寬400 mm，頂寬250 mm，板厚8 mm，橫向間距700 mm或750 mm；中縱腹板采用板肋加勁，共設200 mm×18 mm.240 mm×22 mm.260 mm×24 mm三種規格，豎向間距600 mm；邊縱腹板采用板肋加勁，規格為260 mm×24 mm，豎向間距800 mm；風嘴倉內頂板.底板及風嘴邊板采用板肋加勁，頂板板肋規格為200 mm×18 mm，底板及風嘴邊板板肋規格為160 mm×16 mm[10-14]。鋼箱梁的截面形式如圖3所示。

圖3 鋼箱梁截面(單位：mm)

主梁采用現場熔透焊接施工，加勁肋采用拼接板拼接方式。

2.4 混凝土箱梁

混凝土箱梁采用C55混凝土，三向預應力體系，單箱5室等高截面，外形與鋼箱梁一致。混凝土箱梁一般截面頂板.底板.中腹板板厚均為35 cm，邊腹板板厚40 cm。吊點處設置40 cm厚橫隔板，節間不設置橫隔板，輔助墩頂.無索區中間及梁端各設置1處橫隔板，鋼混結合段及輔助墩附近頂板.底板.腹板局部加厚，吊點處邊腹板局部加厚，預埋錨拉板。混凝土梁段采用滿堂支架分段現澆形式。混凝土箱梁的截面形式如圖4所示。

圖4 混凝土箱梁截面(單位：cm)

3 主梁抗震設計

為降低全橋的地震響應，高烈度震區混合梁斜拉橋主梁抗震設計主要考慮2點原則：(1)確定合理的鋼-混分界面位置，盡量減輕主梁自重；(2)選擇合理的抗震約束體系。

3.1 鋼-混分界面位置

鐵路混合梁斜拉橋通常將鋼-混分界面設置在主跨內靠近橋塔處，以獲得更大的豎向剛度及經濟效益，如寧波北環線甬江特大橋.漢巴南鐵路嘉陵江特大橋.昌贛客專贛江特大橋等。但這樣設計會導致主梁自重過大，增大橋梁的地震響應，不利于抗震設計。

兼顧抗震設計與經濟性，將鋼-混分界面位置設在次邊跨跨中，單側混凝土梁段長121.2 m，鋼箱梁段長340 m，與傳統斜拉橋鋼-混分界面的設置相比，主梁總重降低約20.8%。

3.2 抗震約束體系

橋體采用半漂浮結構體系，即塔墩固結.塔梁分離。主塔.輔助墩.邊墩頂均設置豎向支撐鋼支座，順橋向可大位移滑動，橫橋向線路一側固定，另一側滿足正常滑動；在主塔兩側各設置2臺縱向阻尼器.2臺橫向阻尼器，在輔助墩兩側各設置2臺縱向阻尼器；在邊墩.輔助墩頂設置橫向防落梁裝置。抗震約束體系示意如圖5所示。

圖5 抗震約束體系示意

在運營工況時，主梁縱向處于半漂浮狀態，阻尼器不發生作用，支座縱向僅發生正常滑動位移；在橫向固定支座限制下，主梁橫向可自由伸縮。

在地震工況時，主梁縱向處于半漂浮狀態，阻尼器開始發揮作用，支座縱向開始產生大位移滑動；橫向多遇地震作用時，在橫向固定支座限制下各支座橫向發生正常滑動位移，橫向固定支座承受橫向地震力；橫向罕遇地震作用時，橫向固定支座剪力銷剪斷，防落梁裝置及主塔與主梁間的橫向阻尼器開始發揮作用。

3.3 阻尼器參數比選

液體黏滯阻尼器其黏滯阻尼力(出力)與速度的關系見式(1)[15-18]

F=CVα

(1)

式中，C為黏滯阻尼系數，kN/(m/s)α；V為黏滯消能器變形速度；α為非線性速度指數，原則上結構用阻尼器的α取值一般在0.3～1.0，對阻尼器速度指數的優化和使用經驗都顯示采用0.3～0.5的非線性速度參數較為理想。

設計過程中對采用不同參數C.α時主梁位移.塔頂位移.主塔彎矩以及阻尼器出力情況進行了對比研究，研究結果見表3.表4。

表3 縱向阻尼系數及指數對比

表4 橫向阻尼系數及指數對比

研究表明：

(1)隨著橫向黏滯阻尼系數增大，結構相關橫向位移逐漸減小，塔柱橫向彎矩逐漸減小，阻尼器輸出力逐漸增大，阻尼器尺寸逐漸增大。在結構受力滿足要求的前提下，考慮梁底空間推薦橫向黏滯阻尼器系數取4 000 kN/(m/s)α。

(2)隨著橫向阻尼指數增大，結構相關橫向位移逐漸增大，塔柱橫向彎矩逐漸增大，阻尼器輸出力逐漸減小。在滿足結構受力前提下，結合工程常用參數推薦橫向阻尼器的阻尼指數取0.3。

(3)隨著縱向黏滯阻尼系數增大，結構相關縱向位移逐漸減小，塔柱縱向彎矩逐漸增大，阻尼器輸出力逐漸增大，阻尼器尺寸逐漸增大，推薦縱向黏滯阻尼器系數取5 000 kN/(m/s)α。

(4)隨著縱向阻尼指數增大，結構相關縱向位移逐漸增大，塔柱縱向彎矩逐漸增大，阻尼器輸出力逐漸減小。結合工程常用參數推薦縱向阻尼器的阻尼指數取0.3。

通過上述研究，最終采用的阻尼器參數見表5。

表5 阻尼器設計參數

4 主梁計算情況

采用MIDAS Civil有限元程序建立主橋模型(圖6)，主梁.主塔采用梁單元，斜拉索采用桁架單元，斜拉索的垂度效應采用等效彈性模量法模擬[19-20]，計算荷載包括恒載.混凝土收縮徐變.預應力效應.沉降作用.ZK活載及其動力效應.制動力.溫度荷載.風荷載.冰壓力等，并按主力.主附等進行荷載組合。

圖6 全橋有限元模型

4.1 主橋剛度

經計算，雙線靜荷載作用下主跨最大豎向位移362 mm，撓跨比1/718；橫向風力.溫度等作用下，主梁跨中橫向變形最大為29.7 mm，撓跨比為1/8 754；梁端轉角1.302‰。

4.2 主梁強度檢算

主梁應力結果見表6。

由表6可知，混凝土梁的應力均滿足TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》及TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》要求。

表6 主梁應力結果 MPa

4.3 車橋耦合振動仿真分析

對CRH2客車以速度150～300 km/h通過橋梁時的車-橋系統空間耦合振動進行了動力學仿真計算與分析研究，計算中考慮了單線及雙線行車，計算結論如下。

(1)當CRH2型車以速度150～250 km/h通過該橋時，在上述計算工況下，橋梁的動力響應均在容許值以內，列車橫.豎向振動加速度滿足限值要求，列車行車安全性能滿足要求，乘坐舒適性達到“良好”標準以上。

(2)當CRH2型車以速度275～300 km/h通過該橋時，在上述計算工況下，橋梁的動力響應均在容許值以內，列車橫.豎向振動加速度滿足限值要求，列車行車安全性能滿足要求，乘坐舒適性能夠達到“合格”標準以上。

5 結語

包銀鐵路烏海黃河特大橋是國內首座位于高烈度震區的高速鐵路斜拉橋，具有高烈度震區.跨度大.豎向剛度弱等設計難點，依托該橋對主梁結構及抗震設計開展研究，得到以下結論。

(1)綜合考慮抗震設計難度.技術可行.經濟適用.確保安全等因素，確定了主梁梁高.節段長度.箱梁板厚等技術參數。

(2)為降低橋梁的地震響應，將鋼-混分界面設在次邊跨跨中，與傳統斜拉橋的鋼-混結合面的設置位置相比，主梁總重降低20.8%。

(3)采用豎向鋼支座+縱橫向阻尼器+防落梁裝置的支承約束體系，地震時依靠縱橫向阻尼器耗能，依靠防落梁裝置限位。

(4)綜合考慮結構位移.橋塔內力.阻尼器出力及阻尼器尺寸等因素，確定了本橋縱橫向阻尼器的設計參數。

基于以上研究結論的主梁計算結果表明，其強度.剛度.行車安全性及乘坐舒適性均能滿足規范相關要求，研究成果可為高烈度震區大跨度鐵路混合梁斜拉橋的主梁設計提供參考。