池黃高速鐵路大跨度多塔矮塔斜拉橋總體設計

陳懷智 張欣欣

中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070

高速鐵路修建跨度200 m 橋梁時混凝土橋是優先考慮的橋型。常用橋式主要有連續剛構、梁-拱組合結構、矮塔斜拉橋等。連續剛構結構簡單，投資節約，但跨越能力受限，一般不超過200 m。連續梁（剛構）-拱組合橋受力特點是自重由梁體承擔，主跨的二期恒載和活載由梁和加勁拱共同承擔，拱對結構的加勁作用大大提高了梁體的豎向剛度。矮塔斜拉橋在自重作用下，拉索的主動索力可以平衡大部分荷載，二期恒載、活載等后期荷載由拉索和主梁共同承擔，矮塔斜拉橋具有建造較經濟、造型美觀、整體剛度大等優點［1-2］。目前，梁-拱組合結構、矮塔斜拉橋是200 ～250 m 跨度高速鐵路混凝土橋梁的常用橋型。本文以池黃鐵路太平湖特大橋主橋為研究對象，針對庫區深水及水位變動特點和基礎覆蓋層薄、長聯結構次內力突出等問題，從橋梁選型、總體設計、結構體系優化、施工方案等方面進行研究，以期解決高速鐵路深水大跨橋梁長聯結構選型及設計施工問題。

1 工程概況與主要技術標準

新建池黃鐵路位于安徽省南部山區，途經兩山（九華山、黃山）一湖（太平湖）并于黃山市黃山區境內自北向南跨越太平湖下游。庫區百年一遇設計水位120.65 m，常水位110 m，常水位時水面寬720 m。太平湖常年通航，定級Ⅵ級航道，通航限界要求為40 m（寬）×6.0 m（高）。最高通航水位117.15 m。

橋址位于構造低山區，屬黃山衍生山體。地層巖性主要有：第四系全新統種植土、黏性土，上更新統坡殘積黏性土、礫砂、碎石土、卵石土及泥盆系五通組石英砂巖、砂巖和砂質頁巖。場地抗震設防烈度為6度，地震動峰值加速度為0.05g，特征周期為0.25 s。

池黃鐵路為設計行車速度350 km∕h 高速鐵路；正線數目為雙線；線間距5.0 m；線路平面為直線；縱坡為1‰；設計活載為ZK活載。

2 橋式方案選擇

2.1 控制因素

①水深。該橋處于典型深水庫區，常水位水深達35～40 m，基礎施工難度及風險大。②通航。該處船只數量多，航跡線紊亂，船撞風險高。③環保與景觀。太平湖為Ⅱ類水源保護區，須要充分考慮與“兩山一湖”的協調性，設計應采用更為輕量化的大跨度橋梁跨越，盡量減少施工對水體的影響。

2.2 主跨和橋型

由于通航凈寬不受限制，跨度采用32 m 以上即可滿足，但橋址處湖面寬約720 m，且水深較深，應盡量減少水中墩個數，以減少下部結構工程費用和施工周期。同時采用混凝土主梁，減少養護工作量。基于技術可靠、經濟合理、施工方便、造型美觀的原則，為滿足無砟軌道鋪設要求，對比（48 + 118 + 2 ×228 + 118 + 48）m 矮塔斜拉橋（方案Ⅰ）、（118 + 2 ×228 + 118）m 連續剛構拱橋（方案Ⅱ）、（70 + 4 ×150 +70）m 連續剛構橋（方案Ⅲ）三種方案。由于不同橋型主邊跨長度配比不同，主橋長分別為788、692、740 m，兩側配跨采用24 m 或32 m 簡支梁，特大橋總長約920 m，橋梁立面布置見圖1。橋型方案對比見表1。

圖1 三種方案橋梁立面布置（單位：m）

表1 橋型方案對比

根據鐵路大跨度混凝土梁修建經驗，跨度在180～220 m 時連續剛構橋最經濟，其次為部分斜拉橋，連續剛構拱橋的造價最高。跨度在220～275 m 時部分斜拉橋比連續剛構拱橋的造價低，且隨跨度增加優勢更明顯。由表1可知：三種方案均能滿足功能要求，方案Ⅱ需要施工完連續剛構后再安裝拱肋，施工工期長、施工難度大，且造價高；方案Ⅲ深水基礎數量多，景觀較差。方案Ⅰ主梁采用懸臂施工，斜拉索作為主梁加勁與主梁同步施工，可承擔主梁施工階段和成橋階段的荷載，有效降低主梁結構高度，經濟性較好，結構剛度大，因此采用方案Ⅰ。

3 結構體系

多塔矮塔斜拉橋常用的結構體系主要有四種［3］：①塔墩梁固結體系。可視其為主梁具有多點彈性支撐的剛構，結構剛度大，避免設置大噸位支座，施工時不需要臨時固結措施，但不能釋放體系溫度力。②塔梁固結、塔墩分離體系。可視其為主梁具有彈性支撐的連續梁，用橋墩代替承受較大彎矩的橋塔下塔柱部分，結構的體系溫度力能得到有效釋放。③半漂浮體系。該體系塔墩固結，主梁在塔墩橫梁上設置豎向支撐，支座均為活動支座，主梁縱向無固定約束。④中塔固結、邊塔支撐體系，即為中塔采用塔墩梁固結，邊塔塔梁固結，墩上設置豎向支撐，在縱向固定約束的情況下，可以釋放體系溫度力。

為有效控制高速鐵路大跨度結構橋梁梁端轉角，分析外伸跨對主梁豎向剛度和梁端轉角的影響。不同結構體系矮塔斜拉橋主梁結構變形和承臺底縱橋向彎矩分別見表2、表3。

表2 不同結構體系矮塔斜拉橋主梁結構變形

表3 不同結構體系矮塔斜拉橋承臺底縱橋向彎矩

由表2 可知，四種結構體系中塔墩梁固結體系結構剛度最大。不設置外伸跨時，塔梁固結、塔墩分離體系和半漂浮體系結構的梁端轉角大于1‰rad，不滿足TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》要求，僅塔墩梁固結體系梁端轉角滿足規范。設置外伸跨后，各個體系主梁靜活載撓度相差不超過10%。然而，梁端轉角計算值差別較大，對于中塔固結、邊塔支撐體系，梁端轉角從1.35‰降低至0.22‰。因此，邊跨設置一定長度的外伸跨對主梁豎向撓度影響不大，但可以大幅改善梁端轉角，滿足高速鐵路行車要求。

由表3可知：雖然塔墩梁固結體系結構剛度較大，但在主力、主力+附加力作用下，中塔、邊塔承臺底彎矩較大，受收縮徐變、溫度等附加力累加影響邊塔承臺底彎矩更大。該橋自由樁較長，經計算分析樁基受力不合理，故不能采用塔墩梁固結體系。

由于方案6—方案8中梁端轉角均滿足規范要求，但方案8 豎向剛度最大，方案6 比方案8 多設置1 處支座，方案7 無縱向約束，主梁縱向位移大，對軌道結構不利。綜合靜活載撓跨比、橋塔和基礎彎矩等因素，推薦采用方案8。該體系靜活載撓跨比相對較大，下部結構受力更合理，設置外伸跨后可以滿足梁端轉角的要求。

4 結構設計

4.1 構造設計

1）主梁

主梁截面為單箱雙室直腹板截面，中支點和跨中梁高為 12.0、6.0 m，分別為主跨的 1∕19 和1∕38，梁底下緣按二次拋物線變化。箱梁頂寬14.1 m，底寬11.5 m，中支點處局部變寬為18.1 m。頂板厚50 cm，腹板厚為50、60、90 cm，底板厚由跨中的45 cm 按拋物線變化至中支點的120 cm，中支點局部加厚至250 cm。主梁橫截面見圖2。

圖2 主梁橫截面（單位：cm）

全橋共設9 道橫隔梁，邊中塔支點處橫隔梁厚7 m，次邊墩支點處橫隔梁厚2 m。中塔支座橫橋向中心距為8.5 m，邊墩及次邊墩支座橫橋向中心距為9.3 m。

斜拉索錨固于腹板外側，錨固區設1 道寬0.8 m、高1.8 m的錨固橫梁。

2）橋塔

三個橋塔均采用直立式橋塔。橋面以上塔高47.2 m，最上排斜拉索理論錨固點距離橋面35 m。塔柱采用矩形截面。橫橋向寬2.6 m，橋面以上20 m 范圍內縱橋向塔身寬度圓曲線按5～8 m 變化，內側設15 cm × 15 cm 切角，外側設 30 cm × 30 cm 切角，外側中間部位設置深度為30 cm的凹槽。

3）斜拉索

斜拉索采用單絲涂覆環氧涂層鋼絞線，防護采用熱擠壓HDPE 護套。每個橋塔設置9 對斜拉索，橫向雙索面布置，塔上索間距為1.2 m，梁上索間距為8 m。斜拉索通過索鞍構造從索塔內通過，兩側對稱錨固于梁體。斜拉索規格有AT-55、AT-61、AT-73、AT-91，抗拉強度標準值均為1 860 MPa。

4）橋墩與基礎

中塔下部為剛構墩，尺寸為15.4 m（橫橋向）×6.5 m（縱橋向）×18.0 m（高），承臺尺寸為29.0 m×17.0 m×6.5 m。基礎采用15 根直徑3.0 m 的鉆孔灌注樁，按柱樁設計。

邊塔下部為矩形實體墩，尺寸為15.4 m（橫橋向）×6.5 m（縱橋向）×16.5 m（高），承臺尺寸為23.0 m× 17.0 m ×6.5 m。基礎采用 12 根直徑 3.0 m 的鉆孔灌注樁，按柱樁設計。

次邊墩采用圓端形實體墩，尺寸為13.0 m（橫橋向）×4.5 m（縱橋向）×22.0 m（高），承臺尺寸為15.4 m×9.0 m×3.0 m。基礎采用14 根直徑1.5 m 的鉆孔灌注樁，按柱樁設計。

邊墩采用圓端形實體墩尺寸為14.0 m（橫橋向）×4.5 m（縱橋向）×16.0 m（高），承臺尺寸為14.6 m×9.4 m×3.0 m。基礎采用11根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁，按柱樁設計。

4.2 靜力分析

采用MIDAS∕Civil建立模型進行計算分析。主梁、橋塔、中墩、基礎均采用梁單元模擬，樁土相互作用采用土彈簧模擬，邊塔處主梁支撐采用一般彈性支撐。主梁計算結果見表4。

表4 主梁計算結果

主力作用下斜拉索最大應力為692 MPa；主力+附加力組合作用下斜拉索最大應力為721.3 MPa，最小安全系數為2.58，斜拉索最大應力幅為73.3 MPa。斜拉索承擔荷載的比例為12.85%，索梁荷載比為0.147。結合表4可知，主梁剛度、應力和強度，斜拉索應力均滿足規范［4-5］要求。

4.3 動力分析

4.3.1 自振特性

前10 階自振頻率及振型特征見表5。可知：①由于邊墩采用縱向活動支座，因此全橋縱飄為最早出現的振型。②由于豎向有斜拉索支撐，成橋狀態橋梁結構的前10階振型主梁均未出現扭轉，結構豎彎頻率與扭轉頻率均較高，說明主梁豎向剛度與扭轉剛度較大，結構穩定性良好。

表5 前10階自振頻率及振型特征

4.3.2 抗震設計

采用非線性時程反應進行抗震分析。主橋在多遇地震作用下結構處于彈性狀態，混凝土應力和鋼筋應力均滿足規范要求。罕遇地震作用下橋墩、橋塔和基礎均基本處于彈性狀態，樁基強度檢算結果見表6。可知，樁基縱橋向和橫橋向彎矩均小于等效屈服彎矩，滿足GB 50111—2006《鐵路工程抗震設計規范》的要求，說明結構設計合理，安全可靠。

表6 罕遇地震組合作用下樁基強度檢算結果 kN·m

4.3.3 車橋耦合振動分析

對三塔矮塔斜拉橋進行車橋耦合振動分析。計算CRH380BL 型車通過橋梁時的車橋系統空間動力響應。當列車以250～420 km∕h 的速度單線通行且不考慮橋面附加不平順時，脫軌系數最大值為0.306，減載率最大值為0.535，車體橫向加速度最大值為0.808 m∕s2，車體垂向加速度最大值為 1.2 m∕s2，橫向輪軌力最大值為15.59 kN，橋梁垂向加速度最大值為0.097 m∕s2，橋梁橫向加速度最大值為 0.039 m∕s2，乘坐舒適度達到良好以上，各項動力性能指標均滿足TB 10621—2014要求。

5 施工方案

橋址區北岸以山坡為主，有較多的樹木，無通道；橋址南岸有村莊分布，村莊后面為山坡，村莊交通條件較差。根據現場條件，提出全棧橋方案和水上施工兩種方案。全棧橋施工方案設置鋼棧橋長780 m，寬8 m，3個主塔橋墩設置3 座固定鉆孔鋼平臺。水上施工則在距離橋址約8.6 km 滄溪村設一座碼頭，水上設置浮式棧橋694 m，3個主塔橋墩設置3 座固定鉆孔鋼平臺。施工方案對比見表7。

表7 施工方案對比

由表7可知：由于庫區水位變動較大，采用水上施工方案造價高，施工便利性差，且采用浮式平臺和浮式棧橋對施工影響較大。采用全棧橋方案施工工期較長，但施工便利性更好，經濟性好。綜合比較，采用全棧橋施工方案。目前，現場已按該方案順利實施。

6 結論

1）多塔部分斜拉橋采用中塔固結、邊塔支撐體系，既能保證橋梁整體剛度，又能有效減小收縮徐變和溫度力影響，可以有效改善梁墩受力條件。

2）大跨度矮塔斜拉橋通過增設外伸跨的方式減小梁端轉角，可以滿足高速鐵路行車對橋梁的剛度要求。

3）深水庫區橋梁方案應充分考慮水中基礎施工對工期及造價的影響，綜合考慮運輸條件，本工程采用全棧橋方案，施工便利性和經濟性均較好。