高速鐵路三線獨塔斜拉橋設計研究

余 浪,羅 艷

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031； 2.成都理工大學,成都 610059)

1 工程概況

某高速鐵路位于四川地區，為節省工程投資，其正線與聯絡線跨越某河道時合修成一座三線橋。

橋位處河道江面寬闊，侵蝕堆積的漫灘、階地地形平坦，沿江沖洪積河流堆積層較發育。兩側以構造剝蝕地形為主，構成方山臺階狀丘陵地貌。丘槽相間，地形波狀起伏。丘坡上基巖裸露，覆蓋層薄。

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人工棄土、人工填土、粉質黏土、粗圓礫土、卵石土及泥巖夾砂巖等組成。地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，據鉆孔揭露，地下水埋深0～15 m。橋址所在地區多年平均氣溫17.3 ℃，極端最高氣溫40.2 ℃，極端最低氣溫-5.4 ℃。年最大風速18.3 m/s，年平均風速1.2 m/s。

鐵路等級為國家Ⅰ級。正線為雙線無砟軌道，設計時速250 km；聯絡線為單線無砟軌道，設計時速80 km，設計活載采用ZK活載。橋位河道航道等級規劃為Ⅳ級，設計基本風壓值500 Pa，地震動峰值加速度0.05g。

2 橋梁方案研究

2.1 主跨跨度

橋軸線法線方向與水流流向的交角大于30°，相對橫向流速大于0.8 m/s，規范[1]要求一跨過江或在通航水域中不得設置墩柱。橋位與下游成渝客專和上游彎道距離較近，其間距不滿足規范相關規定。因此，通航部門要求橋梁采用一孔跨過通航水域方案。下游成渝客專采用(90+180+90) m連續梁拱橋跨越河道，本橋左主塔位于河灘區，與連續梁拱橋的邊墩對孔設置；大里程在橋臺附近跨越既有老成渝鐵路，考慮通航及既有鐵路影響，右主塔墩位于河道邊緣岸坡附近，與成渝客專既有主墩對孔設置，基本滿足一跨過江要求。因此，本橋主跨跨度采用300 m。

2.2 主梁形式

本橋為三線橋，主梁可考慮雙層或平層[2-8]。因聯絡線需跨越正線，主梁若采用平層，聯絡線需首先平層通過主橋然后再抬高線位最后跨越正線，聯絡線需展線4 km，線路增加投資約2億元。為節省工程投資，主橋采用雙層鋼桁梁，上層布置為聯絡線單線，下層布置為正線雙線。

2.3 橋型方案

對于主跨300 m左右的鐵路橋梁而言，橋式一般可選用鋼桁拱或斜拉橋方案。本橋若采用鋼桁拱方案，存在綜合用鋼量大，經濟性較差，施工難度相對較大等不利因素[9-11]，所以本橋重點研究斜拉橋方案。對同等跨度的雙塔斜拉橋和獨塔斜拉橋[12-16]進行比較，總體布置見圖1，結果對比見表1。

圖1 雙塔和獨塔斜拉橋總體布置(單位：m)

表1 雙塔與獨塔斜拉橋方案對比

由圖1及表1可知，2種方案均可行，其中，獨塔斜拉橋整體剛度較大，能夠滿足橋梁結構及行車安全要求，與橋位地形適應性較好，對通航、邊坡及既有鐵路的影響較小，其水中基礎規模也較小，工程投資較省。因此，主橋采用獨塔斜拉橋方案。

3 結構設計研究

3.1 縱向約束體系

合理選擇斜拉橋的結構約束體系可減小結構內力和位移響應。鐵路斜拉橋需要較大的橫豎向剛度，橫豎向一般采用固定支承約束體系[17]。本橋位于6度地震區，地震力較低，縱向約束體系可不考慮地震力的影響。對于獨塔斜拉橋而言，研究2種縱向約束體系：①半漂浮體系，全橋塔墩臺縱向均設置活動支座，主塔再設置縱向阻尼器；②縱向固定體系，主塔設置縱向固定支座，其余墩臺設置縱向活動支座。結果對比見表2。

表2 不同縱向約束體系的結果對比

由表2可知，與半漂浮體系相比，采用縱向固定體系后，塔底彎矩大幅增加，但橋塔以小偏心受壓為主，且受力最不利位置在下塔柱與下橫梁相交處，塔柱最大壓應力增加9%，橋塔受力增加不大；基礎方量增加7%，基礎造價增加較少；但主梁梁端位移大幅減小，降低了伸縮裝置的設計難度，確保了軌道結構的穩定性，提高了結構的行車安全。因此，本橋選擇縱向固定體系。

3.2 輔助墩設置

本橋邊跨位于河灘及河岸區，輔助墩的設置基本不受通航控制。考慮到結構受力和剛度大小等因素，研究了2種輔助墩設置方案： ①設置2個輔助墩，孔跨布置(87.5+75+75+300+75) m；②設置1個輔助墩，孔跨布置(87.5+150+300+75) m。結果對比見表3。

表3 不同輔助墩設置的結果對比

由表3可知，減少輔助墩后，主梁豎向剛度減小，梁端轉角增大，塔頂變形變大，橫向剛度和受力基本不變，但變化幅度均不大，輔助墩數量的減少對結構整體剛度及受力影響較小。綜合剛度條件及經濟性等因素，邊跨設置1個輔助墩。

3.3 鋼桁梁斷面研究

3.3.1 主桁設計

主梁為雙層鋼桁梁，考慮上層為單線，下層為雙線，研究2種主桁形式： ①常規的矩形斷面，桁寬15 m；②上窄下寬的倒梯形斷面，桁寬上層12 m、下層15 m。結果對比見表4。

表4 不同主桁斷面的結果對比

由表4可知，與矩形斷面相比，采用倒梯形斷面，主梁豎向剛度加大，橫向剛度變小，但變化幅度都不大；主梁用鋼量及主梁上橫梁受力均減小；索塔橫梁跨度變小，索塔更加纖細，景觀效果較好。因此，從主梁用鋼量、桿件受力及景觀效果方面考慮，主桁采用倒梯形斷面。

3.3.2 橋面系設計

(1)橋面系形式

設計研究了2種橋面系： ①常規的正交異性板鋼橋面板密橫梁體系，橋面板厚16 mm，下設U肋及條形肋，鋼密橫梁為倒T形截面，與弦桿等高；②通長連續不斷縫的混凝土橋面板密橫梁體系，橋面板上層厚28 cm、寬10 m，下層厚30 cm、寬12.8 m，與鋼密橫梁通過剪力釘形成鋼-混結合橋面，鋼密橫梁節點處為箱形截面，非節點處為工字形截面，與弦桿等高。2種方案均不設縱梁。結果對比見表5。

表5 不同橋面系的結果對比

由表5可知，與鋼橋面相比，采用混凝土橋面，主梁橫豎向剛度增加明顯，其中豎向剛度增加13.7%，橫向剛度增加20.5%；梁端轉角減小11.8%，且鋼橋面梁端轉角超過規范[18]規定的1‰；主梁用鋼量減少20%，造價大大減小。另外，混凝土橋面板基本不存在疲勞問題，減輕了后期養護維修的工作量，對過往列車產生的噪聲也較小。因此，橋面系采用混凝土橋面板密橫梁體系。

(2)混凝土橋面板施工方案

混凝土橋面板按預制考慮，研究了2種橋面板施工方案。①方案1：懸臂拼裝鋼桁梁，同時安裝混凝土橋面板；②方案2：鋼桁梁合龍后再開始安裝混凝土橋面板。為減小主墩處橋面板拉應力，橋面板施工采取先跨中后支點等澆筑順序，并在主墩處采取頂落梁等措施。結果對比見表6，其中，正為拉應力。

表6 不同施工方案的結果對比 MPa

由表6可知，方案1中，由于混凝土橋面板與鋼桁梁共同承受主梁恒載、斜拉索力及列車荷載，主塔處混凝土橋面板壓應力達到31.1 MPa，遠遠超過規范[19]規定的20 MPa。方案2中，由于混凝土橋面板不承受主梁自重及鋼桁梁懸拼拼裝時的斜拉索力，只承受主梁二恒、鋼桁梁合龍后的部分斜拉索力及列車荷載，混凝土橋面板應力水平處于合理范圍，配置2根φ28 mm、間距10 cmHRB400鋼筋，按照拉彎構件配筋計算，鋼筋最大應力185.4 MPa，最大裂縫寬度0.15 mm，結果滿足規范[19]要求。因此，橋面板施工方案采用方案2，即鋼桁梁合龍后再開始安裝混凝土橋面板。

3.3.3 橫聯設計

為增大橫向剛度，鋼桁梁一般需設置橫聯。考慮到橋面系為混凝土橋面板密橫梁體系，整體剛度較大，橫向連接較強，研究了2種橫聯方案：(1)在每個節點處設置橫聯，橫聯為常規的“X”形，支點處為箱形截面，非支點處為工字形截面；(2)不設橫聯。結果對比見表7。

表7 不同橫聯設置的結果對比

由表7可知，主梁取消橫聯后，其橫豎向剛度、梁端轉角及橫聯受力基本不變。因此，從節約用鋼量及主梁美觀性考慮，主梁不設橫聯。

3.3.4 小結

鋼桁梁采用倒梯形斷面，雙層鋼-混結合橋面系，不設橫聯，設計簡潔經濟。主桁橫斷面見圖2。

圖2 主桁橫斷面(單位：m)

4 結構計算分析

主要計算結果如下。

(1)成橋狀態。主跨跨中上拱34 mm，主跨靠近主墩附近下撓61 mm，主塔向岸側水平偏位9 mm。長期收縮徐變下撓16 mm。

(2)結構剛度及變形。主跨跨中靜活載豎向撓度221 mm，豎向撓跨比1/1 357，滿足規范[18]要求。列車搖擺力、橫向風力及溫度作用下的梁體水平位移62 mm，水平撓跨比1/4 839，滿足規范[20]規定的≯L/4 000要求(L為橋梁跨度)。梁端轉角0.9‰rad，滿足規范[18]規定的≯1‰rad要求。徐變+溫度+列車荷載工況下主跨跨中豎向撓度262 mm，對應的曲率半徑為42 939 m，大于規范[18]規定的時速250 km最小豎曲線半徑25 000 m要求，滿足列車時速250 km旅客舒適性對豎曲線離心加速度的要求。

(3)主梁。在主力作用下，鋼梁最大拉應力189.8 MPa，最大壓應力210.7 MPa，均未超過Q370qE鋼材的容許彎曲應力，滿足規范[19]要求。在主力作用下，混凝土橋面板最大拉應力13.5 MPa，最大壓應力12.7 MPa。混凝土橋面板配置2根φ28 mm、間距10 cmHRB400鋼筋，按照拉彎構件配筋計算，鋼筋最大應力185.4 MPa，最大裂縫寬度0.15 mm，結果滿足規范[19]要求。

(4)橋塔。在施工和運營階段，塔柱均處于受壓狀態。主力和主力+附加力作用下塔柱最大應力分別為12.8 MPa和13.5 MPa，滿足規范[19]要求。

(5)斜拉索。在主力+附加力作用下，斜拉索最大應力為722.5 MPa，斜拉索最小安全系數為2.57，最大疲勞應力幅為107 MPa，均滿足規范[21]要求。

(6)穩定性分析。在恒載+橫橋向風荷載+列車荷載工況下進行結構彈性穩定性分析，穩定系數為10.5，滿足規范[22]規定的斜拉橋彈性穩定系數≮4的要求。

5 結論

結合工程實例，對雙層鋼-混結合鋼桁梁獨塔斜拉橋從結構構造到受力性能進行了初步分析，得出如下結論。

(1)雙層鋼-混結合鋼桁梁獨塔斜拉橋具有結構整體剛度大，對通航、特定地形、邊坡及既有鐵路影響較小，水中基礎規模較小，經濟性較優等特點，可應用于高速鐵路主跨300 m橋梁。

(2)獨塔斜拉橋采用縱向固定約束體系，可大幅減小主梁梁端位移，確保軌道結構的穩定性，提高結構的行車安全，其需根據主梁縱向位移、橋塔受力及基礎規模等綜合確定。

(3)邊跨設置輔助墩可以提高主梁豎向剛度，降低塔頂變形，減小梁端轉角，應結合場地條件、橋梁剛度及主梁受力等進行合理布置。

(4)與鋼橋面板相比，混凝土橋面板減少用鋼量，節省工程投資，大大減小后期養護維修工作量。

(5)鋼桁梁采用倒梯形斷面，雙層鋼-混結合橋面系，不設橫聯，能夠提高結構的整體剛度，滿足高速鐵路行車要求，是一種較為合理的三線鐵路斜拉橋主梁斷面形式。

該橋結構技術先進，造型優美，景觀效果佳，具有很強的創新性。