高速鐵路無砟軌道大跨度混合梁斜拉橋方案研究

楊海洋,李 輝,嚴章榮,焦亞萌,簡方梁,李金凱,楊喜文

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院,北京 100055)

1 工程概況

通蘇嘉甬高速鐵路地跨蘇浙兩省，沿線主要有南通市、蘇州市、嘉興市、寧波市等4個地級城市，新建正線線路長度337.1 km，設計最高速度350 km/h，無砟軌道。望虞河大橋為跨越Ⅲ級航道申張線而設置，因跨越角度僅為43°，故主跨需采用340 m，通過前期比選，初步確定采用斜拉橋方案。

2 主要技術標準

2.1 線路標準

鐵路等級：高速鐵路。

正線數目：雙線。

設計速度：350 km/h。

線間距：5.0 m。

軌道結構類型：無砟軌道。

2.2 溫度

沿線多年平均氣溫17.1 ℃，極端最高氣溫40.8 ℃，極端最低氣溫-8.7 ℃，最冷月(1月)平均4.3 ℃，最熱月(7月)平均29.3 ℃。

2.3 風速

多年平均風速2.6 m/s，最大風速25.0 m/s。

2.4 設計荷載

ZK活載。

2.5 地震烈度

橋址區地震基本烈度為Ⅵ度，設計水平地震基本加速度約0.06g，橋址區場地土類型屬軟弱土～中軟土，場地類別為Ⅲ類。

3 方案介紹

望虞河大橋主橋采用主跨340 m雙塔雙索面混合梁斜拉橋，橋跨布置為(60+105+340+105+60) m，半漂浮體系，主橋全長671.5 m。平面位于直線上，立面包含9‰的縱坡，主橋橋式布置見圖1。

圖1 主橋橋式布置(單位：m)

3.1 主梁

目前跨度300 m級高速鐵路無砟軌道斜拉橋主梁采用的方案包括鋼箱結合梁(福廈鐵路安海灣特大橋[1]，泉州灣跨海大橋[2])、鋼箱混合結合梁(昌贛鐵路贛江特大橋[4]，渝黔鐵路太子坪烏江大橋)、鋼箱桁梁(商合杭鐵路裕溪河特大橋[3])3種方案。以上3種方案中，由于用鋼量少的緣故，鋼箱混合結合梁明顯具有更好的經濟性，故本橋選用鋼箱混合結合梁方案。

近年來，波形鋼腹板主梁逐漸得到研究者和設計者的青睞[8-16]，并已在公路斜拉橋中得到應用，但在鐵路斜拉橋中仍未有應用和研究。波形鋼腹板由于僅有腹板采用鋼腹板，頂、底板仍為混凝土，其經濟性及各項性能介于混凝土梁及結合梁之間，本文提出一種波形鋼腹板方案進行探討，初步研究波形鋼腹板方案在鐵路斜拉橋中的可行性。

3.1.1 方案1：鋼箱混合結合梁方案

方案1為本橋設計方案，主梁采用混合梁方案，邊跨及中跨距橋塔約23 m處(中跨第一根拉索及第二根拉索中間)采用混凝土主梁(圖2)，中跨部分主體采用鋼箱結合梁(圖3)。梁體最寬處16 m，高度4.5 m，除兩側邊腹板外，線路中心設置兩道中腹板。

圖2 混凝土梁斷面(單位：cm)

圖3 鋼箱結合梁斷面(單位：cm)

斜拉索與結合梁之間錨固采用錨拉板形式，錨拉板與結合梁邊腹板焊接。

3.1.2 方案2：波形鋼腹板混合梁方案

波形鋼腹板混合梁方案為本文提出的探討方案，具體為在鋼箱混合結合梁方案的基礎上，將鋼箱結合梁部分替換為波形鋼腹板主梁，混凝土主梁斷面保持一致。斜拉索與結合梁之間錨固仍采用錨拉板形式，波形鋼腹板與底板采用直接埋入連接，頂板通過在腹板頂面焊接翼緣板并在翼緣板上焊接連接件進行連接。

圖4 波形鋼腹板主梁斷面(單位：cm)

拉索位置及墩頂隔板采用混凝土隔板，僅波形鋼腹板部分及頂部翼緣采用鋼結構。

3.2 橋塔

橋塔全高119.5 m，梁面以上塔高98 m，與主跨比為1/3.47。橋塔縱向寬度從塔頂的6 m逐步加寬到塔底的10 m。塔頂拉索錨固間距分為1.8、2.0、2.4、2.8、3.2 m 5種，采用鋼錨箱進行錨固。

圖5 橋塔構造(單位：m)

3.3 斜拉索

斜拉索采用標準抗拉強度1 770 MPa鍍鋅平行鋼絲拉索，空間雙索面扇形布置，全橋共60對斜拉索。邊跨混凝土梁部分拉索間距10 m，中跨結合梁部分拉索間距10.5 m，中跨跨中無索區長度10 m。

3.4 墩身及基礎

輔助墩及連接墩均采用圓端形實體墩，承臺厚3.5 m，連接墩采用10根φ1.5 m的鉆孔灌注樁，輔助墩采用15根φ1.5 m的鉆孔灌注樁。

橋塔承臺厚5 m，并設4 m加臺，均采用30根φ2.5 m鉆孔灌注樁。

4 合理結構設計參數研究

本部分對本橋斜拉索布置及鋼混結合段合理位置進行研究，分析對象為鋼箱混合結合梁方案。

4.1 斜拉索布置

隨著斜拉索索距的減小，主梁拉索間彎矩逐漸減小。但在懸臂施工時，過小索距會增加主梁節段數，延長施工時間，且索距太密，對斜拉橋的景觀也有一定影響。

4.1.1 同等拉索截面下的剛度對比

首先對所有拉索采用同等斷面下的橋梁剛度進行對比分析，研究不同拉索布置的影響。

斜拉索梁上拉索間距對主梁受力及剛度均有較大影響，JTG/T 3365—01—2020《公路斜拉橋設計規范》[6]建議組合梁或鋼主梁采用8～16 m，混凝土主梁采用6～12 m，統計現有主跨300 m以上的鐵路組合梁斜拉橋梁上拉索間距如表1所示。

表1 現有高速鐵路無砟軌道斜拉橋拉索間距

結合現有資料，對表2中3種拉索布置下的斜拉橋剛度進行對比，分析不同索間距的影響。分析中斜拉索截面均采用LPES-241，結合梁及混凝土梁結合段位于中跨與橋塔中心相距24 m位置。

表2 3種斜拉索布置方案

經計算，不同拉索間距布置下的斜拉橋各項剛度指標如表3所示。

由表3可以看出，減小索距能提高結構剛度，但由于拉索根數增加，會導致拉索用量上升。

表3 不同斜拉索布置方案下的斜拉橋剛度指標

4.1.2 同等剛度下的拉索布置對比

實際中，不同位置的拉索會采用不同規格的拉索斷面，需要從拉索強度、疲勞應力及整體剛度3個方面來對拉索進行斷面設計，并兼顧拉索種類不應過多。

高速鐵路無砟軌道斜拉橋對主梁剛度的要求較高，一般認為靜活載下中跨跨中豎向撓跨比應為1/800以下，表4統計了現有跨度300 m級無砟軌道斜拉橋剛度。且根據車橋耦合分析結果，本橋鋼箱混合結合梁方案能滿足行車要求，故分析中均采用該剛度指標。

表4 現有高速鐵路無砟軌道斜拉橋剛度指標

本部分對不同拉索間距下的斜拉橋拉索進行優化對比分析，兼顧各方面因素，保持靜活載下的中跨跨中豎向撓度略小于L/800，對比不同拉索間距下的拉索用量。僅對拉索截面進行優化，調整斜拉橋整體剛度。

經優化調整拉索截面后，統計得不同拉索布置下的拉索用量見表5，可知在主梁剛度一致時，斜拉索間距越小，總的拉索用量越少，拉索間距增大盡管減少了拉索的根數，但拉索量不斷增大。

表5 等剛度時不同拉索布置下的拉索用量

分析發現，這是由于拉索對主梁剛度影響較大的區域為遠離橋塔的拉索，拉索間距越小時，對拉索面積的優化調整更精準合理。

考慮到施工及拉索錨固等用鋼量，本方案采用拉索布置2，結合梁段拉索間距10.5 m，混凝土段拉索間距10 m，共30對斜拉索。

4.2 鋼混結合段位置分析

選取合理的鋼混結合位置，是混合梁斜拉橋設計和施工中的關鍵性問題[7]。結合部位置決定了鋼梁與混凝土梁的長度比例，對全橋結構，特別是主梁整體受力影響很大；從結合部自身局部考慮，為防止混凝土梁開裂，合理的結合部位置還應選在主梁彎矩較小的地方，此外，經濟因素、施工因素也是結合部位置選取是必須要考慮的。

4.2.1 同等拉索截面下的剛度對比

本部分研究不同鋼混結合段位置對橋梁剛度的影響，分析中所有拉索采用同等斷面。

分別考慮鋼混結合段在中跨距橋塔1～2根拉索中間、2～3根拉索中間及結合段在邊跨距橋塔100 m位置3種情況。計算中拉索間距均按照拉索布置1方案考慮，即結合梁段索間距12 m，混凝土梁段索間距11 m。經計算，不同結合段位置下的斜拉橋各項剛度指標如表6所示。

表6 不同結合段位置下的斜拉橋剛度指標

整體而言，拉索截面相同時，斜拉橋剛度隨混凝土梁長度的增加而增加，結合段設置在中跨部分時整體剛度明顯比設置在邊跨大，結合段設置在中跨距橋塔15 m和24 m時整體剛度相差不大。

表7是不同結合段位置下的結合位置梁部內力?？芍?，結合段位于中跨距橋塔1～2根拉索中間時，主梁的豎向彎矩較中跨距橋塔2～3根拉索中間小，但均比結合段位于邊跨時大。

表7 不同結合段位置下的結合段內力

4.2.2 同等剛度下的拉索布置對比

同樣，對斜拉橋整體剛度一致時的拉索用量進行對比分析。經優化調整拉索截面后，統計得不同結合段位置下的拉索用量見表8，可知在主梁剛度一致時，結合段布置在中跨位置的兩種布置形式的拉索用量較為接近，結合段位于邊跨時拉索用量稍小。

表8 等剛度時不同結合段位置下的拉索用量

考慮到施工難易程度及用鋼量，推薦采用結合段布置在中跨，第一根拉索和第二根拉索之間。

5 方案對比分析

本部分對常用的鋼箱結合混合梁方案及波形鋼腹板混合梁方案進行對比分析，以期初步得到波形鋼腹板的優缺點及可行性。

5.1 剛度指標

采用MIDAS CIVIL 2020建立本橋兩種方案的全橋計算模型，方案1鋼箱結合梁部分采用兩個單元分別模擬頂板混凝土及下部鋼結構槽型梁，并采用剛臂進行連接；方案2波形鋼腹板截面模擬時，不考慮腹板的抗彎作用(圖6，圖7)。

圖6 方案1計算模型

圖7 方案2計算模型

表9及表10分別為兩種主梁方案下豎向撓度、橫向撓度及梁端轉角計算結果。

表9 兩種主梁方案豎向撓度

表10 兩種主梁方案橫向撓度及梁端轉角

可知兩種方案下，主梁的剛度均滿足要求，方案2的整體剛度優于方案1，但由于方案2中跨較重，方案2的拉索用量較方案1重約70 t。

將方案1拉索斷面修改為和方案2相同后，主梁中跨靜活載下豎向撓度403.92 mm，仍大于方案2的388.05 mm，可知由于波形鋼腹板斷面將底板改為混凝土，其剛度優于鋼箱結合梁。

5.2 內力及應力分析

主力及主加附作用下兩種方案的拉索軸力及應力見表11，主力下兩種方案拉索強度安全系數均大于2.5，主加附作用強度安全系數均大于2。拉索疲勞應力幅方面，方案1最大為169.58 MPa，方案2最大為154.87 MPa，兩種方案拉索均滿足要求。

表11 兩種主梁方案拉索受力

主梁應力方面，混凝土部分拉應力均可通過施加預應力消除，鋼結構應力整體處于合理范圍，兩種方案均可滿足要求。

5.3 動力特性

表12列出了兩種方案的前10階振型周期及描述，可知方案2的周期均略大于方案1，基本增大幅度在5%以內，這是方案2的主梁重于方案1的緣故。

表12 兩種主梁方案前10階振型

5.4 主要工程量對比

兩種方案橋塔及基礎尺寸基本一致，本部分對結合梁部分(波形鋼腹板梁部分)及拉索主要工程量進行對比，具體如表13所示。

表13 兩種主梁方案主要工程量對比

可知，由于波形鋼腹板梁方案將鋼箱結合梁方案替換為混凝土結構，混凝土用量有所增大，但用鋼量大幅減小，拉索用量增加約7%，在相同拉索用量下還具有更好的剛度，從經濟性和結構剛度方面，具有一定優勢。

6 結語

現有300 m級無砟軌道高速鐵路斜拉橋主要有鋼箱結合梁、鋼箱混合結合梁、鋼箱桁梁3種方案，本文基于通蘇嘉甬高鐵340 m主跨的望虞河大橋，論述了其總體設計方案，對其合理拉索間距及鋼混結合段位置進行了研究，并提出一種波形鋼腹板梁方案進行初步探討，通過剛度、應力、動力特性及主要工程量4個方面的對比分析，論證了該方案的優缺點，主要結論如下。

(1)所有拉索采用同等斷面時，減小索距能提高結構剛度，但會增加拉索用量；在主梁剛度一致時，斜拉索間距越小，總的拉索用量越少。本橋建議采用結合梁段拉索間距10.5 m，混凝土段拉索間距10 m，共30對斜拉索的拉索布置方式。

(2)拉索截面相同時，斜拉橋剛度隨混凝土梁長度的增加而增加，結合段設置在中跨部分時整體剛度明顯比設置在邊跨大；在主梁剛度一致時，結合段布置在中跨位置的兩種布置形式的拉索用量較為接近，結合段位于邊跨時拉索用量稍小?？紤]到施工難易程度及用鋼量，推薦采用結合段布置在中跨，第一根拉索和第二根拉索之間。

(3)波形鋼腹板主梁重量及剛度均大于鋼箱結合梁方案，但跨度300 m級斜拉橋拉索受主梁剛度影響較大，因波形鋼腹板主梁增重導致的拉索用量增幅不大；在同等拉索用量情況下，波形鋼腹板方案剛度仍然占優。同時，波形鋼腹板方案大幅減小了鋼箱結合梁方案的用鋼量，其經濟性有明顯優勢。

(4)鋼箱混合結合梁方案及波形鋼腹板混合梁方案各構件整體應力均在合理范圍，二者均能通過合理設計滿足高速鐵路斜拉橋的整體剛度及強度要求，但波形鋼腹板方案尚未在鐵路斜拉橋中得到應用，還需對更多細節(如節點連接和疲勞、軌道線形控制等)進行深入研究。