佛山東平水道公軌兩用斜拉橋結構設計及關鍵技術研究

尹春燕

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

東平水道斜拉橋為佛山市南海區軌道交通試驗段和平東大道、長江路建設市政工程共同跨越東平水道而建的公軌兩用特大橋梁。根據通航論證要求，東平水道斜拉橋采用主跨260 m一孔跨越東平水道，實景如圖1所示。

圖1 東平水道斜拉橋實景

2 設計標準

2.1 軌道交通標準

無砟軌道，雙線，線間距4.4 m；最高行駛速度70 km/h；輕軌車輛活載為1輛“5+2”模塊車輛編組[1-2]。

2.2 公路標準

城市-A級道路，雙向六車道，最高行駛速度60 km/h。

3 建設條件

3.1 工程地質

地層有第四系全新統人工堆積層、第四系殘積層、白堊系泥質粉砂巖。

3.2 水文

東平水道是北江主要支流，橋位處為Ⅱ級通航航道，現狀水面寬約180 m，百年水位H1/100=4.704 m(國家85高程)。

3.3 氣象

年平均氣溫22.7 ℃，最冷和最熱月平均氣溫14 ℃和29 ℃；極端最高和最低氣溫39 ℃和-2 ℃，相對濕度76%。

3.4 地震基本烈度

地震設防烈度為7度，動峰值加速度為0.1g。

4 結構設計

4.1 總體設計

4.1.1 結構體系

根據橋址處地質水文條件及通航要求，主橋采用獨塔鋼-混混合主梁斜拉橋，孔跨布置為(35+260+51.5+66+62.5) m，主橋全長475 m，如圖2所示。

圖2 全橋立面布置(單位：m)

為降低公路路面高程，縮短公路引橋長度，橋上公路和軌道交通同層布置，橋上橫斷面為：雙線軌道交通+六車道公路+兩側人行道，橋面總寬46.5 m；主橋鋼箱梁和混凝土梁橋面布置分別如圖3、圖4所示。

圖3 鋼箱梁橋面布置(單位：cm)

圖4 混凝土梁橋面布置(單位：cm)

主橋采用墩塔梁固結體系，增加體系剛度，改善結構受力，省去超大噸位支座的設置。為解決大跨斜拉橋梁端轉角不易滿足要求的問題，在主跨側設置1孔35 m鋼箱梁輔助跨，將鋼梁側梁端轉角控制在3‰以內，從而滿足了軌道交通無砟軌道受力要求[3-5]。

4.1.2 主梁

主梁采用等高度鋼-混凝土混合梁，主跨和邊跨分別采用鋼箱梁和混凝土箱梁。

(1)鋼箱梁

主跨采用整體性強、抗風性好、線條流暢的扁平分離式鋼箱梁，分離式鋼箱梁間由密布橫梁連接。鋼箱梁中腹板高3.3 m，橋寬46.5 m，箱寬39.6 m。鋼梁頂板和底板厚分別為16 mm和14 mm；在支點附近頂、底板均加厚至22 mm。頂、底板和外側邊腹板均采用U肋加勁；中腹板和內腹板采用I形肋加勁；鋼梁標準段9.0 m長，質量約200 t，施工時采用2臺吊重1 300 kN的橋面吊機進行吊裝[1]。

鋼箱梁采用3 m一道橫隔板，鋼板厚10 mm，拉索處橫隔板加厚至14 mm，支點位置橫梁厚度根據計算需要適當加厚。除靠近橫梁側外腹板采用Q345qD-Z25鋼外，其余鋼梁采用Q345qD鋼。

根據東平水道斜拉橋所處的氣候條件，并參考國內外條件相近橋梁的成功經驗，提出防腐涂裝體系，見表1。

表1 鋼箱梁防腐涂裝

(2)混凝土梁

邊跨和輔助跨采用預應力混凝土PK截面箱梁，箱體之間由間距3 m橫梁連接?；炷亮阂话憬孛骓敗⒌装搴?.35 m，內邊腹板厚1.3 m，外邊腹板厚0.3 m，中腹板厚0.4 m。有索處橫隔板厚0.4 m，無索處橫隔板厚0.3 m?；炷亮翰捎脻M布支架施工，主梁采用C55混凝土。

(3)鋼-混結合段

結合段設在主跨鋼梁側，鋼混結合面距離主塔中心約18 m。采用“鋼包混凝土”結構，在鋼梁端部的格室內澆筑混凝土，通過端承板、PBL剪力鍵和鋼混結合面的摩擦力傳遞內力[6-8]，鋼混結合段構造如圖5所示。

圖5 主梁鋼-混結合段構造(單位：cm)

4.1.3 主塔

主塔為混凝土塔，橫橋向為“A”字形，主塔造型源于“南海先行”中的“先”字，且字母“A”在24個字母中排列第一，蘊涵了南海人奮發向上和永爭第一的精神，同時為南海的未來建設起到了帶頭作用。

橋面以上塔高和橋面以下塔高分別為124.8 m和22.0 m，總塔高146.8 m。主塔可劃分為3個部分，分別是下塔柱、中塔柱、上塔柱。下塔柱采用混凝土實體截面，橫橋向分為2個單塔柱，單塔柱橫橋向寬由2.7 m線性變化至4.5 m，順橋向長由12 m增大至16.5 m；中塔柱采用混凝土空心截面，橫橋向分為2個單塔柱，在離橋面41.98 m處匯合于一處，匯合處橫梁高3.0 m；上塔柱采用空心矩形截面，為抵消斜拉索對上塔柱塔壁的拉力，在上塔柱塔壁內布置U形和短直預應力束。主塔采用爬模施工[9-11]。主塔結構見圖6。

圖6 主塔結構(單位：cm)

4.1.4 斜拉索

斜拉索為平行鋼絲成品索，抗拉強度1 670 MPa，最大絲數253，最小絲數127，全橋共52對斜拉索，采用冷鑄錨。鋼箱梁側錨固間距為9 m，混凝土箱梁側錨固間距為6 m，塔上錨固間距為2 m。斜拉索張拉端設在主塔內，梁上為固定端。

4.1.5 斜拉索錨固

因軌道交通對剛度要求高，斜拉索橫橋向錨固在公路和軌道交通之間的區域。

鋼主梁采用鋼錨箱錨固，混凝土梁錨固于中腹板底部齒塊上；主塔采用齒塊錨固。

4.1.6 下部結構

輔助墩和邊墩采用實體花瓶式橋墩；主塔基礎采用30根φ2.5 m鉆孔灌注嵌巖樁。

4.2 設計指標

4.2.1 計算模型

全橋整體計算采用魚骨梁模型，結構分析軟件采用Midas Civil，斜拉索采用桁架單元，鋼主梁、混凝土主梁、橋塔和橋墩均采用梁單元，消隱模型如圖7所示。

圖7 東平水道橋有限元消隱模型

4.2.2 主梁變形

主跨在靜活載工況下，最大豎向位移為272 mm(向下)，撓跨比為1/950；主梁梁端最大轉角為0.31‰，均滿足規范要求。

混凝土梁徐變上拱值為2.4 mm，小于GB 50157—2013《地鐵設計規范》限值10 mm。

4.2.3 鋼梁應力

主力工況，鋼梁最大拉應力和最小壓應力分別為-194.2 MPa和180.9 MPa；主+附加力工況，鋼梁最大拉應力和最大壓應力分別為220.4 MPa和219.8 MPa；滿足規范要求。

4.2.4 混凝土梁應力

主力工況，混凝土梁最大和最小壓應力分別為17.6 MPa和1.0 MPa；主+附加力工況，混凝土梁最大和最小壓應力分別為18.0 MPa和0.2 MPa；主梁全截面受壓，滿足要求。

4.2.5 主塔應力

主力工況，主塔全截面受壓；主+附加力工況，各角點均出現了不同大小的拉應力，最大名義拉應力為1.3 MPa。通過配置普通鋼筋，控制主塔裂縫，使其滿足規范要求。

4.2.6 斜拉索應力

斜拉索最大索應力為622.7 MPa，安全系數為2.68；斜拉索最大應力幅為143.6 MPa；均滿足規范要求。

4.2.7 動力特性

橋梁自振頻率是結構動力分析的基礎，本橋成橋狀態的頻率和振型主要特點見表2。

表2 成橋狀態動力特性

本橋跨度較大，主跨自重較輕，但由于結構布置較合理，第4階鋼主梁才出現扭轉變形，表明主梁的扭轉剛度較大，第4階振型如圖8所示。

圖8 第4階振型

4.2.8 抗震分析

根據本橋特點，制定了抗震設防目標，多遇地震工況，主梁、主塔、斜拉索、支座和主塔基礎均處于彈性工作，不發生損壞；罕遇地震工況，主梁可發生局部破壞，主塔基本處于彈性狀態，斜拉索彈性工作不損壞，支座剪力銷剪斷，防落梁發揮作用，主塔基礎主筋接近屈服狀態。

抗震分析采用Midas Civil建立空間有限元模型，主梁、索塔、橋墩、承臺及樁基采用梁單元模擬，斜拉索用桁架單元模擬。墩上支座約束按實際設置，樁基樁長范圍內采用土彈簧對樁基節點的水平方向進行約束，樁底固結約束，如圖9所示。

圖9 東平水道橋抗震計算消隱模型

主塔主筋采用φ32 mm雙筋布置，間距15 cm，在罕遇地震工況，混凝土和鋼筋均處于彈性范圍，各項指標均滿足《地鐵設計規范》要求。

5 關鍵技術研究

5.1 豎向剛度限值研究

《地鐵設計規范》對中小跨度橋梁的豎向剛度給出了限值要求，對于大跨斜拉橋未規定，故中小跨度橋梁的剛度限值不能適用于斜拉橋。

大跨斜拉橋要將豎向剛度控制在地鐵規范的范圍較困難，統計已建成的公鐵兩用橋設計剛度(表3)可看出，公鐵兩用斜拉橋豎向剛度均小于地鐵規范對橋梁的規定值，斜拉橋撓度一般為L/450～L/600(L為橋梁跨度)[3]，且橋梁運行情況較好。因此，根據國內外經驗，東平橋結構豎向撓度限值取L/600?！犊鐤|平水道特大橋主橋風車線橋耦合動力仿真分析報告》[12-13]證實了結構豎向撓度限值取值的合理性。

表3 已建成的大跨度鐵路橋梁豎向剛度[14]

5.2 鋼橋面板受力分析

鋼箱梁正交異性橋面板應力是由3個體系應力組合而成。第一體系是采用全橋整體計算而得，第二和第三體系是采用實體分析計算而得[15]。鋼橋面板計算應力見表4。

從表4可知：鋼橋面正交異性板二、三體系應力占比重很大，設計時不能忽略。初設階段可參考同類鋼梁截面的第二、三體系應力作為設計依據，此時，鋼材容許應力也可相應提高[16-17]。

表4 鋼橋面板應力 MPa

5.3 主梁剪力滯系數分析

剪力滯效應的研究主要是針對主梁以彎曲為主的簡支梁、連續梁或懸臂梁結構；相對于有多個彈性支撐，同時承受軸壓和彎矩的斜拉橋主梁剪力滯效應研究甚少[18-20]。

為研究斜拉橋主梁有效寬度取值問題，采用有限元計算，鋼箱和混凝土主梁分別采用板單元和實體單元進行模擬，計算鋼梁和混凝土梁剪力滯系數，并與根據日本規范、中國鐵路和公路規范計算的剪力滯系數進行對比，如表5、表6所示。

表5 鋼主梁剪力滯系數

表6 混凝土主梁剪力滯系數

從表5、表6可知：根據各種計算理論，剪力滯系數相差較大，主要原因是日本《道路橋示方書·同解說》、JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》和TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》中主梁有效寬度計算方法是以受彎為主的簡支、懸臂或連續梁體系結構的研究成果，對于斜拉橋并不完全合適。

斜拉橋剪力小，剪力滯后效應影響不大。對于混凝土梁側橋墩處剪力滯系數約為1.4，中跨跨中處剪力滯系數約為1.2。

6 專題研究

為確保東平水道斜拉橋建設的安全，在大橋初設完成后，對下列問題進行了專門研究。

6.1 車-線-橋耦合振動分析

列車以車速60～100 km/h通過東平水道橋時，橋梁動力性能滿足《地鐵設計規范》要求，列車運行安全有保證，乘坐舒適性均達到優；公路及人群荷載引起的橋面線形變化對地鐵車輛行車安全性及舒適性影響較小，偏載作用下車輛運行安全性及舒適性滿足要求；車輛經過主橋與引橋連接處牛腿構造時，車體豎向振動加速度均勻，車輛運行平穩性良好。

6.2 風-車-線-橋耦合振動分析

當橋面平均風速不超過25 m/s時，列車均可以60～100 km/h速度運行，橋梁及車輛動力性能良好；當橋面平均風速達到30 m/s時，列車可按80 km/h運行；當橋面風速超過30 m/s時，應封閉交通。

6.3 節段和全橋模型風洞試驗

全橋模型風洞試驗如圖10所示，結論如下。

(1)主梁截面具備氣動穩定的必要條件。

(2)東平橋的成橋和施工狀態從-3°～+3°時的顫振臨界風速均高于JTG/T 3360—01—2018《公路橋梁抗風設計規范》規定的顫振檢驗風速，說明本橋的顫振穩定性滿足要求。

(3)成橋狀態，主梁觀測到有豎彎渦振或扭轉渦振發生，其在常遇風速下渦振振幅小于規范容許值；在大于11級風作用下，有振幅大于規范要求的渦振發生，由于該風速發生概率很小，且該風速下橋上已不允許行車和行人，因而，可認為東平水道大橋的成橋狀態渦振性能滿足要求。

圖10 風洞試驗現場照片

7 結語

佛山東平水道斜拉橋為公、軌同層布置，橋面總寬46.5 m，其跨度和橋面寬均位于國內同類橋梁前列。為此，對該橋的結構形式、設計關鍵技術和動力性能進行了深入研究，針對性地采取了有效措施，保證了本橋結構安全、可靠。大橋于2014年開工，2019年建成，在設計和施工過程中采用了多項技術創新，可供設計同行借鑒。