跨鐵路部分斜拉橋設計

劉望春

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200000）

1 部分斜拉橋簡述

部分斜拉橋是介于斜拉橋和梁式橋中間的一種橋型。與斜拉橋相比，部分斜拉橋主梁具有較大的剛度，同時斜拉索對主梁具有彈性支承作用，豎向外荷載由主梁和斜拉索共同承擔，以梁的受彎、受壓和索的受拉來承受豎向荷載作用。索對具有一定剛度的主梁起加勁作用，可以理解為真正意義上的彈性支承連續梁橋。每根索皆為一個彈性支承，使主梁所受彎矩與無斜拉索作用的連續梁相比得以減小。

部分斜拉橋塔高較矮，拉索傾角較小，拉索為主梁提供較大的軸向力。并且拉索盡可能密集地通過塔柱的上部區域，塔上不設錨固端。一般塔高可取主跨的1/8～1/12。以梁為主，索為輔，梁體高度大約是同跨徑梁式橋的1/2 倍或斜拉橋的2 倍。梁上無索區較之一般斜拉橋要長，還有較明顯的塔旁無索區段。部分斜拉橋適用跨徑宜選擇在100m ～200m 之間，如果采用組合梁或復合梁，則跨徑可達300m。

2 概述

濱湖路延長線上跨京廣鐵路節點工程，根據鐵路現場建設條件，該工程節點位于京廣鐵路灄口站出站咽喉區，鐵路共有9 股道，鐵路運營繁忙，跨越處鐵路路基寬度約60m；新建工程采用雙向六車道城市主干道標準，外側需增設3m 非機動車及人行道。考慮鐵路安全保護區及施工期既有鐵路運營安全，該工程最終采用100+100m 轉體部分斜拉橋橋式方案，平行鐵路側支架現澆89+89m 梁體，平面轉體就位后支架現澆合龍。轉體重量22500 噸。橋型立面布置如圖1。

圖1 跨鐵路橋型布置圖

3 結構設計

3.1 主要技術標準

（1）道路等級：城市主干路

（2）設計車速：60km/h

（3）橋面寬度：34.5m。0.5m 防撞護欄+3m 人行道及非機動車道+11.75m 機動車道+0.5m 防撞護欄+3m索塔+0.5m 防撞護欄+11.75m 機動車道+3m 人行道及非機動車道+0.5m 防撞護欄。

（4）設計基準期：100年

（5）設計安全等級：一級，結構重要性系數1.1

（6）設計汽車荷載：城-A 級，活載放大1.3 倍

（7）抗震設防標準：地震動峰值加速度0.05g，對應烈度6 度。

（8）環境類別：Ⅰ類

3.2 結構設計

3.2.1 主梁

采用單箱五室等寬變高斜腹板截面，斜率不變。塔、墩、梁固結，塔梁固結處梁高6.5m，跨中梁高3.5m；箱梁頂板寬34.5m，底板寬17.0m ～21.201m，兩側翼緣懸臂長4.75m，箱梁頂板厚度28cm，底板厚30 ～75cm；邊腹板厚45cm，邊室對應的中腹板厚45cm，最里面兩個中腹板厚50cm。支點處均設置橫隔梁，其中端橫梁厚2.0m，中橫梁厚6.8m。

圖2 主梁立面圖

圖3 主梁橫斷圖

3.2.2 主梁預應力及節段劃分

主橋箱梁采用三向預應力體系，按全預應力構件設計。縱向預應力鋼束布置在箱梁腹板、頂板及底板上，鋼束采用19-φs15.2 及17-φs15.2 低松弛高強度預應力鋼絞線，除梁端處設置為固定端外，其余均為張拉端。采用群錨體系，由金屬波紋管制孔，橫梁按部分預應力A 類構件設計。其中端橫梁及中橫梁預應力采用19-φs15.2 低松弛高強度預應力鋼絞線，索區橫梁預應力采用17-φs15.2 低松弛高強度預應力鋼絞線，采用群錨體系，由金屬波紋管制孔，兩端張拉。橋面板按部分預應力A 類構件設計。橋面板橫向預應力采用4-φs15.2 低松弛高強度預應力鋼絞線，采用扁錨體系，由金屬波紋管制孔，兩端張拉。主梁共分17 個節段，其中0 號塊長度為12.8m，主塔往交接墩側分別為12m+12.5m+3x16m+10.5m+2m（合攏段）+8.9m（支架現澆段）。

圖4 主梁鋼束圖

3.2.3 斜拉索

斜拉索為單索面，布置在中央分隔帶上。拉索采用雙排索，全橋共設置28 對斜拉索，兩排索的橫向間距為1.0m，斜拉索塔上間距為1.0m，梁上間距為4.0m。拉索在塔上通過轉向索鞍錨固于混凝土箱梁內，拉索采用梁內兩端張拉。斜拉索采用熱鍍鋅鋼絞線OVMAT-37和OVMAT-43 兩種規格，公稱直徑15.2mm，抗拉強度標準值1860Mpa，彈性模量1.95×105Mpa，松弛率≤0.025。

3.2.4 主塔

下塔柱采用箱型截面，下塔柱尺寸為10.0m（橫橋向）×6.8m（順橋向）；上塔柱為矩形實心截面，橫橋向尺寸為3.0m，順橋向尺寸為5.0m，橋塔橋面以上高度為25.0m。

3.2.5 基礎

承臺由于轉體需要，設置為兩級，上承臺尺寸為12.0m（橫橋向）×12.0m（順橋向）×3.5m（厚度），下承臺尺寸為18.7m（橫橋向）×18.7m（順橋向）×3.5m（厚度）。基礎采用25 根Φ1.6m 鉆孔灌注樁。

3.3 施工方案

采用支架現澆+平面轉體的方法施工。其主要施工流程如下：

（1）施工主橋基礎及上下轉盤并安裝轉體系統，上下轉盤臨時鎖定固結；施工交接墩。

（2）施工下塔柱。

（3）在主墩旁搭設支架，預壓后施工1#節段，待混凝土強度達到90%，彈性模量均達到100%后，張拉預應力鋼束。

（4）順京廣鐵路依次澆筑2 ～7#節段，每節段混凝土強度達到90%，彈性模量均達到100%后，方可張拉各節段預應力鋼束。

（5）同步施工上塔柱，待混凝土強度達到90%，彈性模量達到100%后，張拉斜拉索。施工轉體梁段橋面外側鋼防落物墻。

（6）將轉體梁段（89+89）m 同步順時針方向轉體91°至成橋位置，主要步驟如下：①對轉體結構進行縱橫稱重，實測其重心位置，必要時進行配重，使全部轉體結構重量主要由中心球鉸承擔；②對轉體結構觀測、檢測2 小時以上。調試牽引系統，清理潤滑環道，拆除有礙平轉的障礙物，在平轉就位處設置限位卡梁，阻止撐腳到位后繼續往前走。根據鐵路確定的轉體作業時間對轉體結構進行試轉，確定轉體的各項參數。③根據鐵路確定的轉體作業時間，啟動千斤頂轉動體系，進行正式轉體，速度0.018 ～0.02rad/m，一次轉體就位。④轉體最后階段采用點動，確保轉體結構精確就位。轉體角度共91°轉體作業時間約79 分鐘。

（7）轉體到位后，調整梁體線形，封固轉體系統上、下盤。

（8）在32#墩和34#墩旁搭設支架，澆筑墩頂支架現澆段。

（9）施工合攏段勁性骨架，澆筑合攏段，待混凝土強度及彈性模量均達到100%后張拉預應力鋼束。

（10）施工內側防撞墻、人行道板、中央鋼防撞護欄、伸縮縫等剩余橋面系及附屬工程。

轉體施工過程中，應進行監控量測并根據施工安全需要可考慮在主墩附近設置附加臨時滑道，具體位置由施工單位根據施工實際情況確定并征得設計單位同意后實施。

在施工期間要及時對承臺、墩身的沉降及鐵路設施實施必要的安全監控工作。轉體時對風速的要求是不大于8m/s，轉體分為試轉和正式轉體兩次進行。

4 計算分析

采用有限元軟件MIDAS/CIVIL 建立全橋空間模型。全橋共168 個節點，167 個單元。其中上部梁體共112單元，上塔柱共19 個單元，下塔柱共6 個單元，上承臺1 個單元，下承臺1 個單元，拉索共28 個桁架單元。主梁及主塔采用梁單元模擬，拉索采用桁架單元模擬。塔、墩、梁固結采用共節點來模擬。

圖5 結構離散模型

表1

其中：T1 為轉體前支架拆除之后斜拉索軸力值（kN）,T2 為邊跨合龍時斜拉索軸力值（kN），T3 為成橋完成收縮徐變完成后斜拉索軸力值（kN），T4 為運營期間活載作用下斜拉索最大軸力值（kN）。

根據以上表格數據，轉體前斜拉索提供豎向力占恒載比值為19%，合龍后斜拉索提供豎向力占恒載比值為16%，梁體完成收縮徐變后斜拉索提供豎向力占恒載比值為12%。運營期間斜拉索提供的活載豎向力占比僅為活載總反力值的3%，主要還是由梁體承擔。

查閱同等跨度梁式橋結構，100+100 梁式橋采用變高度連續梁時，中支點梁高需11m，斜拉橋梁高需3.0m。部分斜拉橋中支點梁高采用6.5m，在結構高度上相比梁式橋降低了一半，同時有效地保證了主梁剛度，斜拉索采用一次張拉，降低了施工難度同時減小了下部結構的負擔。經分析，該工程設置邊索角度21°左右，控制斜拉索占恒載比例20%以內是合理的。

5 結論

伴隨著鐵路路網的逐步完善，雖然路網通達性日趨完善，同時也對地方城市道路的切割日益加劇，交通建設條件控制因素逐步增多，跨越鐵路橋梁的跨度也逐步加大，為減少城市建設對鐵路運營的影響，轉體施工工法也因其耗時少得到了大量運用，部分斜拉橋結構形式因其跨度的適應性和主梁結構的輕盈性成了涉鐵工程中經常采用的結構形式。通過本工程的實際運用，采用部分斜拉橋結構形式，有效降低了梁高，在減輕下部結構負擔的同時，有效降低了整體橋梁規模的長度，大大降低工程造價。充分體現了部分斜拉橋在中等跨度橋梁轉體施工的優勢，為后續類似工程提供了寶貴的工程經驗。