池黃高速鐵路大跨度多塔矮塔斜拉橋總體設(shè)計(jì)

陳懷智 張欣欣

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

高速鐵路修建跨度200 m 橋梁時(shí)混凝土橋是優(yōu)先考慮的橋型。常用橋式主要有連續(xù)剛構(gòu)、梁-拱組合結(jié)構(gòu)、矮塔斜拉橋等。連續(xù)剛構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資節(jié)約，但跨越能力受限，一般不超過200 m。連續(xù)梁（剛構(gòu)）-拱組合橋受力特點(diǎn)是自重由梁體承擔(dān)，主跨的二期恒載和活載由梁和加勁拱共同承擔(dān)，拱對(duì)結(jié)構(gòu)的加勁作用大大提高了梁體的豎向剛度。矮塔斜拉橋在自重作用下，拉索的主動(dòng)索力可以平衡大部分荷載，二期恒載、活載等后期荷載由拉索和主梁共同承擔(dān)，矮塔斜拉橋具有建造較經(jīng)濟(jì)、造型美觀、整體剛度大等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。目前，梁-拱組合結(jié)構(gòu)、矮塔斜拉橋是200 ～250 m 跨度高速鐵路混凝土橋梁的常用橋型。本文以池黃鐵路太平湖特大橋主橋?yàn)檠芯繉?duì)象，針對(duì)庫區(qū)深水及水位變動(dòng)特點(diǎn)和基礎(chǔ)覆蓋層薄、長(zhǎng)聯(lián)結(jié)構(gòu)次內(nèi)力突出等問題，從橋梁選型、總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化、施工方案等方面進(jìn)行研究，以期解決高速鐵路深水大跨橋梁長(zhǎng)聯(lián)結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計(jì)施工問題。

1 工程概況與主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

新建池黃鐵路位于安徽省南部山區(qū)，途經(jīng)兩山（九華山、黃山）一湖（太平湖）并于黃山市黃山區(qū)境內(nèi)自北向南跨越太平湖下游。庫區(qū)百年一遇設(shè)計(jì)水位120.65 m，常水位110 m，常水位時(shí)水面寬720 m。太平湖常年通航，定級(jí)Ⅵ級(jí)航道，通航限界要求為40 m（寬）×6.0 m（高）。最高通航水位117.15 m。

橋址位于構(gòu)造低山區(qū)，屬黃山衍生山體。地層巖性主要有：第四系全新統(tǒng)種植土、黏性土，上更新統(tǒng)坡殘積黏性土、礫砂、碎石土、卵石土及泥盆系五通組石英砂巖、砂巖和砂質(zhì)頁巖。場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為6度，地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，特征周期為0.25 s。

池黃鐵路為設(shè)計(jì)行車速度350 km∕h 高速鐵路；正線數(shù)目為雙線；線間距5.0 m；線路平面為直線；縱坡為1‰；設(shè)計(jì)活載為ZK活載。

2 橋式方案選擇

2.1 控制因素

①水深。該橋處于典型深水庫區(qū)，常水位水深達(dá)35～40 m，基礎(chǔ)施工難度及風(fēng)險(xiǎn)大。②通航。該處船只數(shù)量多，航跡線紊亂，船撞風(fēng)險(xiǎn)高。③環(huán)保與景觀。太平湖為Ⅱ類水源保護(hù)區(qū)，須要充分考慮與“兩山一湖”的協(xié)調(diào)性，設(shè)計(jì)應(yīng)采用更為輕量化的大跨度橋梁跨越，盡量減少施工對(duì)水體的影響。

2.2 主跨和橋型

由于通航凈寬不受限制，跨度采用32 m 以上即可滿足，但橋址處湖面寬約720 m，且水深較深，應(yīng)盡量減少水中墩個(gè)數(shù)，以減少下部結(jié)構(gòu)工程費(fèi)用和施工周期。同時(shí)采用混凝土主梁，減少養(yǎng)護(hù)工作量?；诩夹g(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便、造型美觀的原則，為滿足無砟軌道鋪設(shè)要求，對(duì)比（48 + 118 + 2 ×228 + 118 + 48）m 矮塔斜拉橋（方案Ⅰ）、（118 + 2 ×228 + 118）m 連續(xù)剛構(gòu)拱橋（方案Ⅱ）、（70 + 4 ×150 +70）m 連續(xù)剛構(gòu)橋（方案Ⅲ）三種方案。由于不同橋型主邊跨長(zhǎng)度配比不同，主橋長(zhǎng)分別為788、692、740 m，兩側(cè)配跨采用24 m 或32 m 簡(jiǎn)支梁，特大橋總長(zhǎng)約920 m，橋梁立面布置見圖1。橋型方案對(duì)比見表1。

圖1 三種方案橋梁立面布置（單位：m）

表1 橋型方案對(duì)比

根據(jù)鐵路大跨度混凝土梁修建經(jīng)驗(yàn)，跨度在180～220 m 時(shí)連續(xù)剛構(gòu)橋最經(jīng)濟(jì)，其次為部分斜拉橋，連續(xù)剛構(gòu)拱橋的造價(jià)最高。跨度在220～275 m 時(shí)部分斜拉橋比連續(xù)剛構(gòu)拱橋的造價(jià)低，且隨跨度增加優(yōu)勢(shì)更明顯。由表1可知：三種方案均能滿足功能要求，方案Ⅱ需要施工完連續(xù)剛構(gòu)后再安裝拱肋，施工工期長(zhǎng)、施工難度大，且造價(jià)高；方案Ⅲ深水基礎(chǔ)數(shù)量多，景觀較差。方案Ⅰ主梁采用懸臂施工，斜拉索作為主梁加勁與主梁同步施工，可承擔(dān)主梁施工階段和成橋階段的荷載，有效降低主梁結(jié)構(gòu)高度，經(jīng)濟(jì)性較好，結(jié)構(gòu)剛度大，因此采用方案Ⅰ。

3 結(jié)構(gòu)體系

多塔矮塔斜拉橋常用的結(jié)構(gòu)體系主要有四種［3］：①塔墩梁固結(jié)體系?？梢暺錇橹髁壕哂卸帱c(diǎn)彈性支撐的剛構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度大，避免設(shè)置大噸位支座，施工時(shí)不需要臨時(shí)固結(jié)措施，但不能釋放體系溫度力。②塔梁固結(jié)、塔墩分離體系?？梢暺錇橹髁壕哂袕椥灾蔚倪B續(xù)梁，用橋墩代替承受較大彎矩的橋塔下塔柱部分，結(jié)構(gòu)的體系溫度力能得到有效釋放。③半漂浮體系。該體系塔墩固結(jié)，主梁在塔墩橫梁上設(shè)置豎向支撐，支座均為活動(dòng)支座，主梁縱向無固定約束。④中塔固結(jié)、邊塔支撐體系，即為中塔采用塔墩梁固結(jié)，邊塔塔梁固結(jié)，墩上設(shè)置豎向支撐，在縱向固定約束的情況下，可以釋放體系溫度力。

為有效控制高速鐵路大跨度結(jié)構(gòu)橋梁梁端轉(zhuǎn)角，分析外伸跨對(duì)主梁豎向剛度和梁端轉(zhuǎn)角的影響。不同結(jié)構(gòu)體系矮塔斜拉橋主梁結(jié)構(gòu)變形和承臺(tái)底縱橋向彎矩分別見表2、表3。

表2 不同結(jié)構(gòu)體系矮塔斜拉橋主梁結(jié)構(gòu)變形

表3 不同結(jié)構(gòu)體系矮塔斜拉橋承臺(tái)底縱橋向彎矩

由表2 可知，四種結(jié)構(gòu)體系中塔墩梁固結(jié)體系結(jié)構(gòu)剛度最大。不設(shè)置外伸跨時(shí)，塔梁固結(jié)、塔墩分離體系和半漂浮體系結(jié)構(gòu)的梁端轉(zhuǎn)角大于1‰rad，不滿足TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，僅塔墩梁固結(jié)體系梁端轉(zhuǎn)角滿足規(guī)范。設(shè)置外伸跨后，各個(gè)體系主梁靜活載撓度相差不超過10%。然而，梁端轉(zhuǎn)角計(jì)算值差別較大，對(duì)于中塔固結(jié)、邊塔支撐體系，梁端轉(zhuǎn)角從1.35‰降低至0.22‰。因此，邊跨設(shè)置一定長(zhǎng)度的外伸跨對(duì)主梁豎向撓度影響不大，但可以大幅改善梁端轉(zhuǎn)角，滿足高速鐵路行車要求。

由表3可知：雖然塔墩梁固結(jié)體系結(jié)構(gòu)剛度較大，但在主力、主力+附加力作用下，中塔、邊塔承臺(tái)底彎矩較大，受收縮徐變、溫度等附加力累加影響邊塔承臺(tái)底彎矩更大。該橋自由樁較長(zhǎng)，經(jīng)計(jì)算分析樁基受力不合理，故不能采用塔墩梁固結(jié)體系。

由于方案6—方案8中梁端轉(zhuǎn)角均滿足規(guī)范要求，但方案8 豎向剛度最大，方案6 比方案8 多設(shè)置1 處支座，方案7 無縱向約束，主梁縱向位移大，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)不利。綜合靜活載撓跨比、橋塔和基礎(chǔ)彎矩等因素，推薦采用方案8。該體系靜活載撓跨比相對(duì)較大，下部結(jié)構(gòu)受力更合理，設(shè)置外伸跨后可以滿足梁端轉(zhuǎn)角的要求。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 構(gòu)造設(shè)計(jì)

1）主梁

主梁截面為單箱雙室直腹板截面，中支點(diǎn)和跨中梁高為 12.0、6.0 m，分別為主跨的 1∕19 和1∕38，梁底下緣按二次拋物線變化。箱梁頂寬14.1 m，底寬11.5 m，中支點(diǎn)處局部變寬為18.1 m。頂板厚50 cm，腹板厚為50、60、90 cm，底板厚由跨中的45 cm 按拋物線變化至中支點(diǎn)的120 cm，中支點(diǎn)局部加厚至250 cm。主梁橫截面見圖2。

圖2 主梁橫截面（單位：cm）

全橋共設(shè)9 道橫隔梁，邊中塔支點(diǎn)處橫隔梁厚7 m，次邊墩支點(diǎn)處橫隔梁厚2 m。中塔支座橫橋向中心距為8.5 m，邊墩及次邊墩支座橫橋向中心距為9.3 m。

斜拉索錨固于腹板外側(cè)，錨固區(qū)設(shè)1 道寬0.8 m、高1.8 m的錨固橫梁。

2）橋塔

三個(gè)橋塔均采用直立式橋塔。橋面以上塔高47.2 m，最上排斜拉索理論錨固點(diǎn)距離橋面35 m。塔柱采用矩形截面。橫橋向?qū)?.6 m，橋面以上20 m 范圍內(nèi)縱橋向塔身寬度圓曲線按5～8 m 變化，內(nèi)側(cè)設(shè)15 cm × 15 cm 切角，外側(cè)設(shè) 30 cm × 30 cm 切角，外側(cè)中間部位設(shè)置深度為30 cm的凹槽。

3）斜拉索

斜拉索采用單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線，防護(hù)采用熱擠壓HDPE 護(hù)套。每個(gè)橋塔設(shè)置9 對(duì)斜拉索，橫向雙索面布置，塔上索間距為1.2 m，梁上索間距為8 m。斜拉索通過索鞍構(gòu)造從索塔內(nèi)通過，兩側(cè)對(duì)稱錨固于梁體。斜拉索規(guī)格有AT-55、AT-61、AT-73、AT-91，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值均為1 860 MPa。

4）橋墩與基礎(chǔ)

中塔下部為剛構(gòu)墩，尺寸為15.4 m（橫橋向）×6.5 m（縱橋向）×18.0 m（高），承臺(tái)尺寸為29.0 m×17.0 m×6.5 m?；A(chǔ)采用15 根直徑3.0 m 的鉆孔灌注樁，按柱樁設(shè)計(jì)。

邊塔下部為矩形實(shí)體墩，尺寸為15.4 m（橫橋向）×6.5 m（縱橋向）×16.5 m（高），承臺(tái)尺寸為23.0 m× 17.0 m ×6.5 m?；A(chǔ)采用 12 根直徑 3.0 m 的鉆孔灌注樁，按柱樁設(shè)計(jì)。

次邊墩采用圓端形實(shí)體墩，尺寸為13.0 m（橫橋向）×4.5 m（縱橋向）×22.0 m（高），承臺(tái)尺寸為15.4 m×9.0 m×3.0 m?；A(chǔ)采用14 根直徑1.5 m 的鉆孔灌注樁，按柱樁設(shè)計(jì)。

邊墩采用圓端形實(shí)體墩尺寸為14.0 m（橫橋向）×4.5 m（縱橋向）×16.0 m（高），承臺(tái)尺寸為14.6 m×9.4 m×3.0 m?；A(chǔ)采用11根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁，按柱樁設(shè)計(jì)。

4.2 靜力分析

采用MIDAS∕Civil建立模型進(jìn)行計(jì)算分析。主梁、橋塔、中墩、基礎(chǔ)均采用梁?jiǎn)卧M，樁土相互作用采用土彈簧模擬，邊塔處主梁支撐采用一般彈性支撐。主梁計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 主梁計(jì)算結(jié)果

主力作用下斜拉索最大應(yīng)力為692 MPa；主力+附加力組合作用下斜拉索最大應(yīng)力為721.3 MPa，最小安全系數(shù)為2.58，斜拉索最大應(yīng)力幅為73.3 MPa。斜拉索承擔(dān)荷載的比例為12.85%，索梁荷載比為0.147。結(jié)合表4可知，主梁剛度、應(yīng)力和強(qiáng)度，斜拉索應(yīng)力均滿足規(guī)范［4-5］要求。

4.3 動(dòng)力分析

4.3.1 自振特性

前10 階自振頻率及振型特征見表5?？芍孩儆捎谶叾詹捎每v向活動(dòng)支座，因此全橋縱飄為最早出現(xiàn)的振型。②由于豎向有斜拉索支撐，成橋狀態(tài)橋梁結(jié)構(gòu)的前10階振型主梁均未出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)豎彎頻率與扭轉(zhuǎn)頻率均較高，說明主梁豎向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好。

表5 前10階自振頻率及振型特征

4.3.2 抗震設(shè)計(jì)

采用非線性時(shí)程反應(yīng)進(jìn)行抗震分析。主橋在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，混凝土應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。罕遇地震作用下橋墩、橋塔和基礎(chǔ)均基本處于彈性狀態(tài)，樁基強(qiáng)度檢算結(jié)果見表6。可知，樁基縱橋向和橫橋向彎矩均小于等效屈服彎矩，滿足GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，說明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安全可靠。

表6 罕遇地震組合作用下樁基強(qiáng)度檢算結(jié)果 kN·m

4.3.3 車橋耦合振動(dòng)分析

對(duì)三塔矮塔斜拉橋進(jìn)行車橋耦合振動(dòng)分析。計(jì)算CRH380BL 型車通過橋梁時(shí)的車橋系統(tǒng)空間動(dòng)力響應(yīng)。當(dāng)列車以250～420 km∕h 的速度單線通行且不考慮橋面附加不平順時(shí)，脫軌系數(shù)最大值為0.306，減載率最大值為0.535，車體橫向加速度最大值為0.808 m∕s2，車體垂向加速度最大值為 1.2 m∕s2，橫向輪軌力最大值為15.59 kN，橋梁垂向加速度最大值為0.097 m∕s2，橋梁橫向加速度最大值為 0.039 m∕s2，乘坐舒適度達(dá)到良好以上，各項(xiàng)動(dòng)力性能指標(biāo)均滿足TB 10621—2014要求。

5 施工方案

橋址區(qū)北岸以山坡為主，有較多的樹木，無通道；橋址南岸有村莊分布，村莊后面為山坡，村莊交通條件較差。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，提出全棧橋方案和水上施工兩種方案。全棧橋施工方案設(shè)置鋼棧橋長(zhǎng)780 m，寬8 m，3個(gè)主塔橋墩設(shè)置3 座固定鉆孔鋼平臺(tái)。水上施工則在距離橋址約8.6 km 滄溪村設(shè)一座碼頭，水上設(shè)置浮式棧橋694 m，3個(gè)主塔橋墩設(shè)置3 座固定鉆孔鋼平臺(tái)。施工方案對(duì)比見表7。

表7 施工方案對(duì)比

由表7可知：由于庫區(qū)水位變動(dòng)較大，采用水上施工方案造價(jià)高，施工便利性差，且采用浮式平臺(tái)和浮式棧橋?qū)κ┕び绊戄^大。采用全棧橋方案施工工期較長(zhǎng)，但施工便利性更好，經(jīng)濟(jì)性好。綜合比較，采用全棧橋施工方案。目前，現(xiàn)場(chǎng)已按該方案順利實(shí)施。

6 結(jié)論

1）多塔部分斜拉橋采用中塔固結(jié)、邊塔支撐體系，既能保證橋梁整體剛度，又能有效減小收縮徐變和溫度力影響，可以有效改善梁墩受力條件。

2）大跨度矮塔斜拉橋通過增設(shè)外伸跨的方式減小梁端轉(zhuǎn)角，可以滿足高速鐵路行車對(duì)橋梁的剛度要求。

3）深水庫區(qū)橋梁方案應(yīng)充分考慮水中基礎(chǔ)施工對(duì)工期及造價(jià)的影響，綜合考慮運(yùn)輸條件，本工程采用全棧橋方案，施工便利性和經(jīng)濟(jì)性均較好。