某高速鐵路雙塔雙索面矮塔斜拉橋設計研究

胡志冰

（河南交投民沈高速公路有限公司，河南鄭州 450016）

0 引言

矮塔斜拉橋是介于連續梁（剛構）橋和斜拉橋之間的一種新橋型。矮塔斜拉橋的橋塔不高，梁高也僅為連續梁橋的一半，既具有斜拉橋纖細柔美、高大宏偉的特點，又克服了連續梁橋的笨重和壓迫感，且具有上下結構協調的美感。由Christian Menn 設計并建于1981 年的瑞士甘特（Ganter）大橋，是矮塔斜拉橋的雛形。2000 年我國建成第一座矮塔斜拉橋——蕪湖公鐵兩用大橋。2011 年在京滬高速鐵路天津樞紐，設計并建成了一座三塔四跨預應力混凝土矮塔斜拉橋，是我國第一座高速鐵路預應力混凝土矮塔斜拉橋。隨著我國高速鐵路的飛速發展，加之矮塔斜拉橋具有施工方便、剛度大、抗震性能優、美學形態好等特點，使得矮塔斜拉橋成為高速鐵路橋型的重要選擇。

1 工程概況

該高速鐵路雙塔雙索面矮塔斜拉橋跨度為（75+110+75）m，位于直線雙線250km/h 無砟軌道客運專線上，線間距5.0m，列車荷載采用ZK 活載，主橋寬度16.0m[1.00m（人行道）+1.50m（索塔）+3.00m（至線路中心）+5.00m（雙線中心距）+3.00m（至線路中心）+1.50m（索塔）+1.00m（人行道）]，該橋索塔支撐采用塔梁墩固結形式。設計主梁為塔根處無索區長度為18m，跨中部分為14m，邊跨部分是27m，各跨有索區長度都以30m 對稱布置，全橋孔跨布置圖如圖1所示[1-5]。

圖1 全橋孔跨布置圖（單位：cm）

2 結構設計

2.1 主梁

該橋主梁采用的橫截面形式為預應力混凝土單箱雙室的截面形式（見圖2），主墩支點處梁高5.5m，跨中斷面梁高3m，梁高按二次拋物線變化，箱梁頂寬16m，箱梁底寬14m；箱梁腹板直立設置，厚度由支點處1.0m 按一次線性漸變至跨中范圍0.4m。頂板厚度一般為0.3m，底板厚度由支點處0.5m 按二次拋物線漸變至跨中范圍0.25m。斜拉索布置在腹板。主梁除支點處設橫隔板外，每根拉索錨固點處均設有橫隔板，間距5.0m 左右[6]。

圖2 主梁截面圖（單位：cm）

2.2 橋塔

橋塔采用單柱型鋼筋混凝土結構（見圖3），梁頂面以上高13m。橋塔形式采用鋼筋混凝土矩形實心截面，外輪廓作倒角、凹槽等處理，以增加結構的美學特性[7]。

圖3 橋塔結構圖（單位：cm）

2.3 斜拉索

為充分利用矮塔的高度，發揮斜拉索對梁體的豎向支承作用及斜拉索的最佳景觀效果，該橋采用扇形雙索面雙排索。由于矮塔斜拉橋主梁的剛度較大，結構受力時，以主梁為主，拉索為輔，同時為了方便施工，該設計采用的主梁上索距為5m，每個橋塔設7 對斜拉索，斜拉索在塔上的索距設為0.8m。斜拉索采用平行鋼絞線，由37 根直徑15.2mm 鍍鋅鋼絞線或環氧涂層鋼絞線平行、緊密排列集束而成，鋼絞線的標準強度可達1860MPa。每根鋼絞線外包熱擠壓黑色PE 管，索體外套白色或彩色HDPE 管，形成多層防腐保護體系[8]。

3 結構計算

采用Midas Civil 軟件對結構進行空間有限元分析，梁、塔、墩采用梁單元模擬，斜拉索采用索單元模擬，橋墩、梁、塔三體為固結，采用剛性連接。索的作用點與主梁采用彈性連接中的剛性連接進行連接，全橋共劃分184 個節點、177 個單元，梁體采用C50 混凝土，橋塔、橋墩采用C40 混凝土。該橋整體有限元模型如圖4 所示。按照規范要求在恒載（自重、二期恒載、混凝土收縮及徐變、預應力、基礎變位等）、活載、附加力（溫度力）等荷載組合作用下，從各施工步驟到運營階段對橋梁結構進行了全面檢算[9]。

圖4 成橋有限元模型

3.1 主梁截面應力計算

根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》（TB 10002.3—2005）6.3.10條規定：運營荷載作用下正截面混凝土壓應力（扣除全部預應力損失后）應符合下列規定。

其一，主力組合作用時：σc≤0.50fc＝0.5×33.5＝16.75MPa。

其二，主力+附加力組合作用時：σc≤0.55fc＝0.55×33.5＝18.425MPa。

根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》（TB 10002.3—2005）6.3.7 條規定：在運營荷載作用下，混凝土的最大剪應力應符合公式要求。τc≤0.17fc＝0.17×33.5＝5.695MPa。

根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》（TB 10002.3—2005）6.3.9 條規定：對不允許出現拉應力的構件，按抗裂計算的主拉應力應符合下式要求：σtp≤fct＝3.1MPa，主壓應力應符合下式要求：σcp≤0.60fc＝0.6×33.5＝20.1MPa。

在各種可能的荷載組合下，主梁各截面的應力檢算結果見表1。

表1 主梁在荷載組合作用下的應力檢算結果匯總表 單位：MPa

由表1 可知，該橋在荷載組合作用下的主梁的正應力、主應力、剪應力均滿足規范要求。

3.2 主梁剛度計算

根據《高速鐵路設計規范》（TB 10621—2014）7.3.2 條規定，梁體的豎向變形、變位限值應符合下列規定：該次設計的列車速度為250km/h 相應的邊跨的豎向撓度不應大于0.6 倍的L/1400，中跨的豎向撓度不應大于0.6 倍的L/1000。梁體豎向撓度見表2，從表2 可知主梁的剛度滿足規范要求[10]。

表2 豎向撓度驗算表 單位：mm

3.3 斜拉索檢算

3.3.1 斜拉索的組合應力檢算

計算斜拉索組合應力按容許應力法進行檢算，具體檢算條件為：

σmax≤[σ]=0.6Ry=0.6×1860=1116MPa（1）式（1）中：σmax為斜拉索的最大組合應力（正常使用極限狀態的應力計算組合工況）。設計中要求對每根斜拉索均進行應力強度檢算。結果見表3。

表3 運營階段斜拉索最大應力表 單位：MPa

由表3 可知斜拉索的最大拉應力發生在C4’上，斜拉索組合應力最大值為：σmax=649.28MPa≤0.6fpk=1116MPa，斜拉索的拉應力滿足要求。

3.3.2 疲勞檢算

《高速鐵路設計規范》（TB 10621—2014）未對斜拉索疲勞強度檢算提出明確要求。設計中的斜拉索疲勞檢算方法為：要求斜拉索的疲勞應力幅度小于50MPa，即公式：斜拉索的疲勞應力幅度＝最大活載應力-最小活載應力，結果參見表4。

表4 運營階段斜拉索最大應力幅檢算

表4（續）

運營階段斜拉索最大活載應力幅出現在C4’索上，其值為42.38MPa＜[△σ]＝50MPa，故斜拉索疲勞滿足要求。

4 結語

采用（75+110+75）m 雙塔雙索面矮塔斜拉橋，增加了結構的剛度，提高了施工的便利性，優化了橋梁美感。通過對該橋主梁截面的正應力、主應力、剪應力、剛度進行檢算，各項應力指標均滿足設計規范的要求。對該橋斜拉索進行強度和疲勞檢算的結果，各項指標亦滿足設計規范的要求。通過對該雙塔雙索面矮塔斜拉橋進行設計計算，為后續的高速鐵路矮塔斜拉橋設計提供參考。