高速鐵路大跨度高低塔部分斜拉橋設計

楊得海,阮秋菊,林 騁

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 項目概況

新建深圳至汕尾鐵路在深圳市境內跨越深圳水庫，深圳水庫總庫容4 496萬m3，其設計洪水位28.83 m，正常蓄水位27.60 m，防洪、供水及調蓄是該水庫的主要功能[1]。線路跨越深圳水庫橋位示意如圖1所示，橋址處地勢低洼，兩側為丘陵地帶，橋址處深圳水庫寬約150 m，跨越位置處為二級水源保護區，兩側緊鄰深圳水庫一級水源保護區。

圖1 深圳水庫特大橋主橋橋位示意

為減小對水源保護區的破壞，同時本著綠色環保的建造理念，水庫管理部門要求一跨跨越。深圳水庫特大橋在小里程側接隧道，主要控制點為城市道路以及水庫管理室的地下通道，由此橋梁墩位只能設置在圖1右側圓圈附近。橋梁在大里程側跨越省道，鄰近水庫邊埋有大型市政管線，需保證足夠距離，由此，大里程側橋墩僅能設置在圖1左側圓圈附近。因此，綜合建設管理部門要求及場地建設條件，深圳水庫特大橋主橋的主跨跨度定為242 m。大橋在跨越深圳水庫后，緊接著在線路大里程側需跨越省級道路，考慮到道路遠期拓寬，結合周邊地形，大橋邊跨約為140 m。

橋梁設計相關技術標準如下：設計時速為350 km，采用線間距5.0 m雙線無砟軌道，設計活載為ZK活載。橋梁所在場地的抗震設防烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度為0.1g，反應譜特征周期為0.35 s。橋址處土層類型主要有粉質黏土、強風化砂巖、全風化及強風化花崗巖。

2 主橋方案比選

綜合場地建設條件、經濟性及技術性等要求，有兩種方案供比選，分別是孔跨(78+242+139+36) m高低塔部分斜拉橋方案[2-4]及布置為(33+242+143+44+29) m混合梁獨塔斜拉橋方案[5-7]。現就兩種橋型方案分別進行介紹，并作對比分析。

2.1 部分斜拉橋方案

高低塔部分斜拉橋方案孔跨布置為(78+242+139+36) m，全橋立面布置如圖2所示。小里程側橋面以上塔高39 m，大里程側橋面以上塔高60 m。橋梁主梁采用預應力變高單箱雙室混凝土箱梁。高塔側中支點梁高12 m，低塔側中支點梁高10 m，跨中及邊支點梁高6 m。斜拉索采用單絲涂覆環氧涂層鋼絞線拉索體系，外套HDPE，空間雙索面體系，全橋共設21對斜拉索，其中，低塔側7對，高塔側14對。

圖2 (78+242+139+36) m高低塔部分斜拉橋方案總體布置(單位：cm)

2.2 獨塔斜拉橋方案

獨塔混合梁斜拉橋方案主橋跨度為(33+242+143+44+29) m，其總體布置如圖3所示。大橋主梁采用雙主梁結構形式，梁高4.6 m。主梁第1、4、5孔為分離式雙箱單室預應力混凝土箱梁，在主梁第2、3孔靠近邊墩的區域設置鋼-混過渡段，第2孔及第3孔中間則為分離式雙箱單室鋼箱梁[8]，如圖3所示。鋼結構橋面系為正交異性板橋面，采用V形加勁肋，鋼橫梁標準間距3.0 m。主塔為鋼筋混凝土結構，橋面以上塔高127 m，斜拉索采用fpk=1 670 MPa的平行鋼絲拉索，主要規格為PES7-199～PES7-337，為空間雙索面形式，立面上每塔兩側共15對索，全橋共計60根斜拉索。

圖3 (33+242+143+44+29) m混合梁獨塔斜拉橋方案總體布置(單位：cm)

2.3 方案對比

運用“橋梁博士”軟件建立兩種橋式方案的空間有限元模型，并對各施工階段及運營階段進行計算分析。兩種橋式方案的綜合比較如表1所示。需要說明的是，線路在深圳水庫附近的縱斷面不受橋梁結構高度控制，兩種橋型方案雖梁高差異大，但對線路整體影響并不突出，因此，在橋型對比中暫不考慮兩種方案對總體方案的影響。由表1可知，部分斜拉橋方案技術成熟，在結構剛度、工程投資、施工難度、運營維護等方面具有優勢[8-9]。獨塔斜拉橋方案技術可行，在景觀效應、施工工期等方面具有優勢，但施工工藝相對較復雜，主橋結構剛度相對較低，需通過車橋耦合分析進一步驗算其行車舒適性及安全性[10]。經過綜合比選，最終選擇高低塔部分斜拉橋方案作為深圳水庫特大橋主橋的推薦方案。

表1 深圳水庫特大橋橋式方案比較

3 技術分析

為進一步優化橋梁結構，對于推薦的部分斜拉橋方案，在結構體系、主梁高度、橋墩形式、雙肢薄壁墩間距及橋塔高度等方面進行技術分析。

3.1 結構體系

部分斜拉橋的結構體系主要有剛構體系(塔梁墩固結)與剛構連續梁體系(塔梁固結或塔墩固結)[11-12]。為分析不同結構體系的特點，本節以推薦的方案為原型，對剛構體系部分斜拉橋與剛構連續梁體系部分斜拉橋進行計算分析。兩種體系的區別主要在于低塔側墩梁的連接方式有所差異，兩種體系塔梁間均設為固結，剛構體系的墩梁為固結，而剛構連續梁體系墩梁間設活動支座。

分別建立兩種體系橋梁的空間有限元分析模型，得到運營階段下兩種體系的靜活載撓度曲線，如圖4所示，并給出兩種體系下主梁的靜活載撓度、梁端轉角及樁身最大豎向力，如表2所示。由圖4、表2可知，兩種方案的剛度差異比較明顯，其中，剛構體系的靜活載撓度與梁端轉角均較小，這是符合預期的，與剛構連續梁體系相比，剛構體系的剛度毋庸置疑是最大的；然而，從兩種體系基礎的受力對比情況來看，剛構體系下樁基礎在主力+附加力組合時的受力更大，需增大樁基礎配置，增加工程造價。因此，綜合兩種體系計算結果來看，剛構連續梁體系的優勢更明顯。

圖4 不同結構體系橋梁跨中靜活載撓度對比

3.2 梁高

梁體高度是影響橋梁結構剛度及強度的關鍵因素[13]，為研究其對結構靜力計算的影響規律，保持其他條件不變，將橋梁跨中及邊支點的梁高分別取為5.5，6，6.5 m，得到橋梁跨中的剛度結果如表3所示。由表3可見，隨著梁高增加，橋梁結構撓度及梁端轉角幾乎呈線性減小趨勢，梁體剛度顯著增大，而跨中徐變變形則不斷增加。該橋梁需鋪設無砟軌道，對梁端轉角的限制較為嚴格，梁高5.5 m時梁端轉角已然超出規范限值。梁高為6.5 m時，其徐變已超出20 mm限值，且較梁高6 m相比，其梁體混凝土用量及自重也會相應增加。因此，跨中及邊支點的梁高按6 m設計。

表3 不同梁高時橋梁剛度對比

3.3 橋墩形式

對于部分斜拉橋而言，橋墩結構主要有實心墩，雙肢薄壁墩等結構形式[14]。現以推薦的部分斜拉橋方案為基礎，研究橋墩結構形式對橋梁靜力分析結果的影響。保持其他條件一致，高塔側主墩分別采用實心墩與雙肢薄壁墩，通過計算分析，不同橋墩形式下橋梁結構剛度對比情況如表4所示。

表4 不同橋墩型式時橋梁剛度對比

由表4可知，實體墩橋梁的靜活載撓度與梁端轉角均較大，橋梁整體剛度偏小，且實體墩的基礎剛性角難以滿足規范要求[15]，需增加承臺配筋量。此外，表5還給出了實體墩與雙肢薄壁墩的混凝土用量對比情況，可以看出，采用實心墩時，下部結構混凝土用量比用雙肢薄壁墩時多20.4%，故實心墩應用于本橋的經濟性較差，雙肢薄壁墩的適用性更強。

表5 不同橋墩形式時混凝土用量對比 m3

3.4 雙肢薄壁墩間距

以往關于薄壁墩間距的研究中，大多是針對連續剛構橋體系[16-17]。為研究這一因素對部分斜拉橋的影響，保持其他參數不變，取薄壁墩間距分別為7.5，8.5，9.5 m，輸出主力工況下橋梁樁基礎樁身最大豎向力及承臺頂彎矩的計算結果，如表6所示。根據表6可知，隨著雙肢薄壁墩間距增加，橋梁樁基礎的樁身最大豎向力和承臺頂彎矩不斷增大，而軸力呈減小趨勢，但變化幅度較小。這是由于上部結構的荷載是固定的，間距拉大時，主墩中心線越遠離主塔中心線，由上部結構傳至下部結構的路徑會加長，則軸力越小，但兩薄壁墩關于承臺中心的彎矩會逐漸增大。結合人字形橋塔底部的間距，最終取雙肢薄壁墩中心間距為7.5 m。

表6 雙肢薄壁墩間距對基礎內力影響

3.5 橋塔高度

在其他參數不變的情況下，取大里程側橋塔的高度分別為50，60，70 m(主梁以上部分)，計算不同橋塔高度下橋梁主梁內力及位移結果，分別如表7、表8所示。由表7、表8可以看出，隨著橋塔高度增加，主梁的內力、靜活載撓度、徐變及梁端轉角顯著減小，幾乎呈線性趨勢，這也說明橋塔高度的增加會使得結構剛度明顯提高[18-20]。綜合經濟性與技術性指標，最終取高塔側塔高60 m，低塔側塔高39 m。

表7 橋塔高度對橋梁結構內力影響 MN·m

表8 橋塔高度對橋梁結構剛度影響

4 主橋設計

經過方案比選，確定了剛構連續梁體系部分斜拉橋為推薦方案，現就該方案的設計細節及主要計算結果進行介紹。

4.1 主梁

大橋主梁采用混凝土強度等級C55直腹板單箱雙室截面，梁體各控制截面梁高分別為：邊跨直線段及中跨跨中截面最低點處梁高6.0 m，高塔處主梁梁高12.0 m，低塔處主梁梁高10.0 m，梁高均按1.5次拋物線變化。全橋主墩處、輔助墩處、邊墩處及中跨跨中處設置橫隔梁，此外，全梁共設40道半橫梁，高2.8 m，寬0.8～1.0 m，位置與斜拉索下錨固端位置一一對應。橋梁跨中箱梁斷面如圖5所示。

圖5 主梁典型箱形斷面(單位：cm)

4.2 主塔

大橋采用直立式橋塔，縱向為“人”字形，塔柱采用矩形實體截面，四周設置0.4 m倒角，橋塔自下而上由2根塔柱逐漸合并為1根塔柱。大里程側橋塔在上塔柱區域設置橫梁，增強兩塔柱的聯系。材料方面，主梁往上1 m范圍內塔柱采用C55混凝土，其余部分則采用C50混凝土。小里程側橋塔立面構造如圖6所示。

圖6 低塔構造(單位：cm)

4.3 主墩與基礎

主墩采用雙薄壁墩。墩高19.0 m，墩頂2.0 m范圍采用C55混凝土，其余墩身部分采用C50混凝土。主墩墩身標準段為矩形截面，沿橋縱向寬2.8 m，橫橋向寬15.8 m，四角倒角0.4 m×0.4 m，兩實心薄壁墩中心距7.2 m。主墩下部3 m范圍加寬，線形變化：順橋向寬由2.8 m變化至4.8 m，橫橋向寬由15.8 m變化至17.8 m。主墩基礎采用30-φ2.0 m樁基礎，布置形式為5(順橋向)×6(橫橋向)行列式。承臺則采用階梯式，上層承臺尺寸為15.2 m(長)×21 m(寬)×1.5 m(高)，底層承臺尺寸為25.6 m×31.1 m×4.5 m。

4.4 斜拉索

斜拉索采用單絲涂覆環氧涂層鋼絞線拉索體系，外套HDPE，空間雙索面體系。高塔一側斜拉索梁上間距9.0 m，低塔一側斜拉索不對稱布置，跨中側斜拉索梁上間距8.0 m，梁端側間距8.0 m及6.0 m。主梁內設置錨固梁，張拉端設置在梁上。斜拉索在塔端采用分絲管索鞍貫通，間距為1.5 m。

4.5 主要計算結果

主梁在運營階段的應力及安全系數計算結果分別如表9、表10所示。主梁相關位移計算結果在技術分析章節已經羅列，此處不再贅述。至于斜拉索，經統計，斜拉索安全系數在主力工況下最小為2.5，在主力加附加力工況下最小為2.43。拉索的最大應力幅為85.3 MPa。由此可見，主橋各項指標均在規范要求的限值以內，且留有一定富余，主體結構安全可靠。

表9 運營階段主梁混凝土應力結果 MPa

表10 運營階段主梁相關安全系數

5 結語

以深汕鐵路深圳水庫特大橋為工程背景，先對比了高低塔部分斜拉橋與獨塔斜拉橋兩種橋式方案，并以高低塔部分斜拉橋方案為基礎，研究了結構體系、橋墩形式、薄壁墩間距及橋塔高度等因素對橋梁結構內力及位移的影響。并詳細介紹了高低塔部分斜拉橋方案的設計細節，為同類型的鐵路橋梁設計建造提供參考。通過分析得到如下主要結論。

(1)與獨塔混合梁斜拉橋相比，高低塔部分斜拉橋方案在結構剛度、工程投資、施工難度、運營維護等方面具有優勢。

(2)在部分斜拉橋方案中，剛構連續體系搭配雙肢薄壁墩能夠優化橋梁下部結構受力，且經濟性良好。

(3)其他條件不變時，增加梁高與橋塔高度會顯著提高結構剛度，在結構設計時，可結合經濟性指標合理確定。

(4)綜合而言，高低塔部分斜拉橋結構是一種合理可靠的結構體系，尤其適用于控制點密集、橋位選擇受限的區域。