阜淮高鐵高低塔混合梁斜拉橋方案研究

張欣欣,陳懷智,王法武

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,上海 200070)

1 工程概況

新建阜陽(yáng)至蒙城至宿州(淮北)城際鐵路位于安徽省北部，自淮宿蚌城際鐵路雙堆集站至鄭阜高鐵阜陽(yáng)西站，新建正線長(zhǎng)度142 km。其中，穎河特大橋位于阜陽(yáng)市境內(nèi)，綜合考慮線路順直程度、車站位置、城鎮(zhèn)規(guī)劃等條件，穎河特大橋在既有商合杭高鐵下游約1.56 km處，以與航道約62°斜交角跨越潁河。

橋址位于淮北沖積平原區(qū)，地勢(shì)整體平坦開(kāi)闊，地處亞熱帶和暖溫帶的過(guò)渡區(qū)域，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。多年平均氣溫15.7 ℃，最熱月平均27.7 ℃，最冷月平均1.7 ℃，極端最低氣溫-20.4 ℃，極端最高氣溫41.4 ℃。沿線覆蓋層以第四系黏性土、粉土和砂土為主，基巖埋深大于90 m。橋址段場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

2 主要設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級(jí)：高速鐵路

(2)正線數(shù)目：雙線

(3)線間距5.0 m

(4)設(shè)計(jì)行車速度：350 km/h

(5)線路平面線型：直線

(6)豎向坡度：平坡

(7)軌道：CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道

(8)設(shè)計(jì)洪水頻率：1/100，檢算洪水頻率1/300

3 橋式方案構(gòu)思

3.1 橋址控制因素分析

潁河特大橋主橋主要控制因素如下。

(1)通航要求：潁河為內(nèi)河Ⅲ級(jí)航道，線路與航道斜交角約62°。最高通航水位為33.76 m，主通航孔凈寬要求158 m，凈高10 m；大里程側(cè)需預(yù)留副通航孔，副通航孔凈寬要求90 m。

(2)防洪要求：為減小橋梁對(duì)河道的影響，根據(jù)行洪及河勢(shì)數(shù)值模擬研究分析結(jié)論，要求主跨跨徑不小于230 m。

(3)線路及車站設(shè)置要求：穎河節(jié)點(diǎn)往大里程側(cè)1.7 km為新建阜陽(yáng)潁泉站、大里程側(cè)2.2 km處下穿商合杭后上跨G105，受縱坡坡率及坡長(zhǎng)限制，軌面高程距離最高通航水位高程不宜大于15.5 m。

3.2 跨度確定

考慮結(jié)構(gòu)寬度及斜交影響，如一跨跨越主、副通航孔，跨度需達(dá)到350 m以上，經(jīng)濟(jì)性差。如在主、副通航孔間設(shè)墩，主孔跨徑為220～230 m，副通航孔跨徑為115 m左右。結(jié)合防洪要求，主跨確定為230 m。同時(shí)，邊跨需跨越防洪堤，并避免在河堤坡腳處設(shè)墩。橋址平面布置如圖1所示。

圖1 潁河特大橋主橋橋址平面布置(單位：m)

3.3 橋高及主梁確定

根據(jù)線路縱坡推算，跨越主通航孔范圍橋梁總體高度需控制在5 m以內(nèi)，扣除軌道結(jié)構(gòu)高度，結(jié)構(gòu)高度不宜高于4 m。因此，該橋需采用低高度橋梁結(jié)構(gòu)，主梁可采用鋼梁、鋼混結(jié)合梁及混凝土梁。

3.4 可采用的橋式方案

結(jié)合近年來(lái)鐵路大跨度橋梁建設(shè)實(shí)踐，200～300 m大跨度橋梁可采用包括拱橋、斜拉橋及組合結(jié)構(gòu)橋梁等[1]。其中，混凝土部分斜拉橋、連續(xù)梁拱等組合加勁結(jié)構(gòu)主梁高度較高，不能滿足凈空要求。采用鋼桁、鋼箱或鋼混結(jié)構(gòu)的低高度梁，且具有較合適的邊中跨比橋型主要為斜拉橋、鋼桁拱組合橋等。

如采用斜拉橋，由于本橋邊中跨比較常規(guī)斜拉橋偏大，小里程側(cè)無(wú)通航要求，孔跨可適當(dāng)減小，故可采用不對(duì)稱雙塔斜拉橋或獨(dú)塔斜拉橋方案。如采用拱橋，可采用連續(xù)鋼桁梁柔性拱橋方案。

結(jié)合上述3個(gè)方面分析構(gòu)思，擬定了3個(gè)方案進(jìn)行比較[2-6]：即高低塔混合梁斜拉橋方案、獨(dú)塔混合梁斜拉橋方案、連續(xù)鋼桁梁柔性拱橋方案。

4 橋式方案設(shè)計(jì)及比選

4.1 方案一：高低塔斜拉橋方案

本方案主橋采用(31+73+230+114+40) m高低塔斜拉橋，半漂浮體系。主梁全長(zhǎng)489.5 m，主跨、大里程邊跨分別跨越主、副通航孔，為滿足梁端轉(zhuǎn)角控制要求設(shè)置輔助墩。主橋立面布置如圖2所示。

圖2 方案一主橋立面布置(單位：m)

主梁由鋼-混結(jié)合梁、混凝土梁及鋼混結(jié)合段三部分組成。主梁全寬18.6 m，梁高3.8 m。結(jié)合梁鋼梁為單箱三室開(kāi)口槽形截面。混凝土箱梁采用單箱三室等高截面。主梁橫斷面如圖3所示。

橋塔采用H形花瓶塔，小里程側(cè)低塔塔高83.4 m，其中，橋面以上塔高58.8 m。大里程側(cè)高塔塔高115.1 m，其中，橋面以上塔高84.8 m。斜拉索采用扇形布置。低塔側(cè)布置18對(duì)拉索，高塔側(cè)布置24對(duì)拉索，橫向雙索面扇形布置。

圖3 方案一主梁橫斷面(單位：m)

采用高低塔斜拉橋結(jié)構(gòu)，可使橋跨布局更為合理經(jīng)濟(jì)，橋梁景觀上也給人以高低錯(cuò)落的印象，外觀新穎。但高低塔結(jié)構(gòu)布置和受力上均不對(duì)稱，等效跨度大于實(shí)際跨度，合理的高低塔剛度匹配及斜拉索規(guī)格等關(guān)鍵參數(shù)選擇是該類型結(jié)構(gòu)研究的重難點(diǎn)。

4.2 方案二：獨(dú)塔斜拉橋方案

本方案主橋采用(30+230+114+41+50) m獨(dú)塔斜拉橋，半漂浮體系。主梁全長(zhǎng)466.5 m，主跨、邊跨分別跨越主、副通航孔，為滿足梁端轉(zhuǎn)角控制要求設(shè)置輔助墩。主橋立面布置如圖4所示。

圖4 方案二主橋立面布置(單位：m)

主梁由鋼-混結(jié)合梁和混凝土箱梁及鋼混結(jié)合段三部分組成。主梁全寬18.6 m，梁高4.0 m。結(jié)合梁鋼梁為單箱三室開(kāi)口槽形截面。混凝土箱梁采用單箱三室等高截面。橋塔采用H形花瓶塔，塔全高155.3 m，橋面以上塔高125 m。斜拉索采用橫向雙索面扇形布置，全橋共36對(duì)拉索。

獨(dú)塔斜拉橋通過(guò)單個(gè)索塔基礎(chǔ)承擔(dān)荷載，對(duì)場(chǎng)地地形、水文條件適應(yīng)性較好。配合鋼混結(jié)構(gòu)主梁，可有效提升跨越能力。但該方案采用漂浮體系，剛度較同等跨度雙塔斜拉橋低，面臨疲勞活載大、動(dòng)力指標(biāo)及剛度要求高的難題[7]。

4.3 方案三：連續(xù)鋼桁梁柔性拱橋方案

主橋采用(35+115+230+115+35) m連續(xù)鋼桁梁柔性拱橋，主梁全長(zhǎng)530 m。主跨、大里程邊跨分別跨越主、副通航孔，主橋立面布置如圖5所示。

圖5 方案三主橋立面布置(單位：m)

主梁采用有豎桿N形三角桁式，節(jié)間長(zhǎng)11.5 m，主桁桁高15 m，橫向采用兩片主桁，主桁中心距15.4 m。縱向平聯(lián)為交叉形布置，采用H形截面桿件，吊桿、弦桿及拱肋的基本截面為箱形截面。拱肋采用二次拋物線形，拱肋矢高46 m，矢跨比為1/5。

連續(xù)鋼桁梁對(duì)地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性較好，跨越能力強(qiáng)、自重輕、建筑高度低，具有較好的景觀效果。但施工過(guò)程合龍難度大、精度要求高，鋼結(jié)構(gòu)用量多，費(fèi)用相對(duì)較高。

4.4 橋式方案綜合比選

從橋梁剛度、工期、施工方案、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等方面對(duì)3個(gè)橋式方案進(jìn)行綜合比選[8]，其中，經(jīng)濟(jì)性按橋長(zhǎng)530 m比選，引橋?yàn)楹?jiǎn)支梁。比選結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 橋式方案綜合比選

由表1可知，方案二主梁豎向剛度較低，方案三邊跨豎向剛度較低，兩個(gè)方案工程造價(jià)較高。綜上，方案一能很好地滿足主副通航孔設(shè)置和低梁高要求，并具有較大的結(jié)構(gòu)剛度，經(jīng)濟(jì)性好。因此，推薦采用(31+73+230+114+40) m高低塔結(jié)合梁斜拉橋方案。

5 推薦方案主梁形式及結(jié)合段位置深化比選

5.1 主梁形式子方案比選

在主梁形式上，鋼混結(jié)合梁或混凝土梁是目前高速鐵路無(wú)砟軌道斜拉橋的主要梁型[9]。混凝土梁斜拉橋經(jīng)濟(jì)性較好，但跨度較大時(shí)，跨中徐變變形控制較困難[10-11]，且施工工期較長(zhǎng)。經(jīng)研究，主跨采用鋼混結(jié)合梁，邊跨采用混凝土梁，能滿足結(jié)構(gòu)剛度要求，無(wú)砟軌道適應(yīng)性好并能有效控制工程投資[12-18]。

混合梁斜拉橋由于主跨結(jié)構(gòu)輕、邊跨結(jié)構(gòu)重，在滿足主跨跨越能力的條件下，盡可能減小邊跨可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合段位置設(shè)置通常分為2種：邊跨錨固跨采用混凝土梁、壓重跨采用鋼梁，或邊跨全部采用混凝土梁，針對(duì)本橋結(jié)構(gòu)受力和經(jīng)濟(jì)性對(duì)結(jié)合段位置進(jìn)行進(jìn)一步研究。在推薦方案跨度確定為(31+73+230+114+40) m的基礎(chǔ)上，調(diào)整主梁結(jié)構(gòu)型式、結(jié)合段位置，提出4個(gè)子方案進(jìn)行比選。

(1)子方案1：230 m和114 m跨采用結(jié)合梁

子方案1即同前文推薦方案，主橋結(jié)構(gòu)采用混合梁斜拉橋，中跨和大里程邊跨采用鋼混結(jié)合梁，其余采用混凝土梁，小里程側(cè)鋼-混分界點(diǎn)位于低塔往跨中方向16.75 m處，大里程側(cè)鋼-混分界點(diǎn)位于輔助墩往高塔方向13.25 m處，主橋立面布置如圖2所示。

(2)子方案2：230 m跨采用結(jié)合梁

主橋結(jié)構(gòu)采用混合梁斜拉橋，中跨采用鋼混結(jié)合梁，其余采用混凝土梁，小里程側(cè)鋼-混分界點(diǎn)位于低塔往跨中方向14.25 m處，大里程側(cè)鋼-混分界點(diǎn)位于高塔往跨中方向23.75 m處，主橋立面布置如圖6所示。

圖6 子方案2主橋立面布置(單位：m)

根據(jù)配跨，大里程側(cè)邊跨跨度較常規(guī)斜拉橋偏大，根據(jù)計(jì)算分析，在恒載作用下，確保主梁彎矩受力較小時(shí)，高塔處于較大的偏心受壓狀態(tài)，高塔向邊跨側(cè)偏轉(zhuǎn)。

(3)子方案3：73，230 m和114 m跨采用結(jié)合梁

主橋結(jié)構(gòu)采用混合梁斜拉橋，中跨和大、小里程邊跨采用鋼混結(jié)合梁，其余采用混凝土梁，鋼-混結(jié)合段位于輔助墩向跨中方向14.25 m(小里程側(cè))和輔助墩向跨中方向23.75 m(大里程側(cè))處，主橋立面布置如圖7所示。

圖7 子方案3主橋立面布置(單位：m)

(4)子方案4：全橋采用結(jié)合梁

主橋結(jié)構(gòu)采用全結(jié)合梁斜拉橋，主梁采用鋼-混結(jié)合梁。根據(jù)計(jì)算，輔助墩處負(fù)反力為-11 000 kN，需設(shè)置壓重混凝土。

對(duì)上述4個(gè)子方案在結(jié)構(gòu)受力、剛度指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行比選，見(jiàn)表2。

綜上，4個(gè)方案豎向剛度指標(biāo)相當(dāng)，從結(jié)構(gòu)受力合理性分析，子方案2大里程邊跨質(zhì)量太大，結(jié)構(gòu)受力較不合理；子方案4輔助墩壓重太大；子方案1和子方案3結(jié)構(gòu)受力更加合理。從經(jīng)濟(jì)性分析，子方案1作為推薦方案。

表2 不同子方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選

5.2 鋼混結(jié)合段不同位置比選

對(duì)于混合梁斜拉橋而言，鋼混結(jié)合段的部位非常重要，主梁剛度和強(qiáng)度在此處產(chǎn)生突變，因而容易產(chǎn)生應(yīng)力集中[19-20]。鋼混結(jié)合段需合理順暢的傳遞綜合作用所產(chǎn)生的內(nèi)力和變形，并使剛度平穩(wěn)過(guò)渡，從而減小或者消除應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且結(jié)合部位還必須具備良好的耐久性和抗疲勞性能。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力、施工設(shè)備能力、經(jīng)濟(jì)性等[21]，進(jìn)一步研究確定合理的鋼混結(jié)合段位置。小里程鋼-混分界點(diǎn)位于主塔往跨中方向，大里程鋼-混分界點(diǎn)位于輔助墩往主塔方向，距離見(jiàn)表3。

表3 鋼混結(jié)合段位置選擇

3個(gè)方案計(jì)算比較結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知：3個(gè)方案主梁剛度變化不大。小里程側(cè)鋼混結(jié)合段位置離橋塔中心進(jìn)入主跨的距離增大時(shí)：①主+附組合下結(jié)合段彎矩顯著減小；②小里程側(cè)主塔處主梁負(fù)彎矩顯著增大，輔助墩處負(fù)彎矩減小，正彎矩增大；③靜活載作用下結(jié)合段豎向位移和轉(zhuǎn)角顯著增大。

大里程側(cè)鋼混結(jié)合段位置離輔助墩中心往橋塔方向距離增大時(shí)：①主+附組合下結(jié)合段彎矩顯著減小；②大里程側(cè)輔助墩處主梁負(fù)彎矩顯著增大，正彎矩顯著減小；③靜活載作用下結(jié)合段彎矩變幅顯著減小；④靜活載作用下結(jié)合段豎向位移和轉(zhuǎn)角顯著增大。

綜合而言，方案1結(jié)合段內(nèi)力太大，方案3主梁在彎矩值偏大，方案2大小里程側(cè)結(jié)合段和主梁內(nèi)力適中。由于主跨位于水上，減小施工難度及對(duì)通航影響，結(jié)合段深入主跨不宜太長(zhǎng)。因此，結(jié)合段位置推薦采用方案2。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)針對(duì)高速鐵路大跨度橋梁剛度變形要求高的特點(diǎn)，提出主跨230 m左右低高度橋梁選型。通過(guò)對(duì)高低塔斜拉橋、獨(dú)塔斜拉橋、連續(xù)鋼桁梁柔性拱橋3種方案進(jìn)行研究，從結(jié)構(gòu)受力性能、剛度變形、施工方案、工程造價(jià)等方面進(jìn)行綜合比選，最終推薦采用高低塔混合梁斜拉橋方案，總體布置合理、滿足受力需求，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和景觀效果。

(2)混合梁斜拉橋可充分發(fā)揮主跨的跨越能力和邊跨的錨固作用，盡可能減小邊跨，獲得較好的經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)本橋主跨與不等邊跨各自受力特征，設(shè)置了不對(duì)稱結(jié)合段位置，能夠降低主跨后期收縮徐變的同時(shí)，提高了整體經(jīng)濟(jì)性。

表4 鋼混結(jié)合段比選

(3)合理設(shè)置結(jié)合段位置是混合梁斜拉橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。鋼混結(jié)合段位置位于主跨，遠(yuǎn)離橋塔中心時(shí)，結(jié)合段彎矩顯著減小，主梁負(fù)彎矩顯著增大，靜活載作用下結(jié)合段豎向位移和轉(zhuǎn)角顯著增大；結(jié)合段位置位于邊跨，遠(yuǎn)離輔助墩中心時(shí)，結(jié)合段彎矩顯著減小，輔助墩處主梁負(fù)彎矩顯著增大，靜活載作用下結(jié)合段豎向位移和轉(zhuǎn)角顯著增大。通過(guò)分析結(jié)合段位置變化對(duì)結(jié)構(gòu)受力和主梁剛度的敏感性，確定合理的結(jié)合段位置，使結(jié)合段和主梁受力更加合理、靜活載響應(yīng)小、施工便利。