張 海,吳大宏

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300142)

1 項目背景

以津保鐵路子牙河特大橋主橋為研究背景，對鐵路矮塔斜拉橋的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進行研究。該橋位于天津市，主要為跨越既有西青路及規(guī)劃西青路而設(shè)。津保雙線及津保動車線跨越西青道立交橋共有6條鐵路線，以兩座(84+56+32) m三線鐵路曲線矮塔斜拉橋跨越，兩座橋里程對應(yīng)，結(jié)構(gòu)形式相同。該橋設(shè)計速度160 km/h，主橋全長172.7 m，橋高30余m。本橋建成之后，將成為我國第一座三線鐵路曲線矮塔斜拉橋。如圖1所示。

圖1 津保矮塔斜拉橋布置(單位：m)

矮塔斜拉橋是國際上一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)，是介于剛性的連續(xù)梁橋與柔性的斜拉橋之間的一種剛?cè)嵯酀臉蛐?。矮塔斜拉橋利用主梁受彎、受壓和拉索受拉共同承受荷載[5]。索對主梁起體外預(yù)應(yīng)力的加強作用，當(dāng)梁體剛度較大，承載力大時，可適當(dāng)減少斜拉索；當(dāng)梁體柔弱、承載力較小時，可適當(dāng)增加斜拉索。矮塔斜拉橋與連續(xù)梁相比具有結(jié)構(gòu)新穎、跨越能力大、施工簡單、經(jīng)濟等優(yōu)點；與斜拉橋相比具有施工方便、節(jié)省材料、主梁剛度大等優(yōu)點[1]。

2 結(jié)構(gòu)尺寸

本橋曲線上梁曲梁曲做布置，主梁全長172.4 m，計算跨度(82.85+56+31.55) m，主塔塔、墩、梁固結(jié)，梁頂面以上全高20.0 m，采用實心截面。斜拉索橫向雙索面布置，立面扇形布置，每個索塔設(shè)8對斜拉索，塔上索距0.7 m，梁上索距6 m。

箱梁截面采用單箱4室、變截面斜腹板形式。中支點截面梁高6.0 m，跨中等高段梁高3.8 m，梁底下緣按圓曲線變化。箱梁頂寬23 m，底寬跨中等高段18.2 m、中支點16.0 m。全聯(lián)在端支點、中支點、輔助墩頂、斜拉索錨固點處共設(shè)置21個橫隔板，以提高主梁截面的橫向剛度。主梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系：主梁頂、底板及腹板內(nèi)布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，橫梁內(nèi)設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，斜拉索梁上錨固區(qū)、主梁邊腹板內(nèi)設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力筋。

3 結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 縱向鋼束布置

本橋梁部分析采用橋梁專用軟件BSAS建立全橋平面模型對各施工階段及運營階段進行計算分析，節(jié)點總數(shù)120，單元總數(shù)135，計算模型見圖2。計算荷載包括：恒載(結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、基礎(chǔ)變位等)、活載(列車活載、搖擺力、牽引或制動力、鋼軌力等)、附加力(風(fēng)力、溫度力)、特殊荷載(列車脫軌荷載、運架梁荷載、地震力等)。

圖2 全橋平面有限元模型

通過梁部的整體分析，確定合理的結(jié)構(gòu)尺寸及縱向鋼束布置是該橋平面分析的要點。本橋縱向鋼束布置的關(guān)鍵點位于輔助墩處，輔助墩處的鋼束布置根據(jù)該橋的受力特點可能采用兩種布置形式：方案1，當(dāng)輔助墩支座沉降0.005 m時，輔助墩處主梁在主力作用下主要承受負彎矩(圖3)，鋼束宜從梁上部通過；方案2，當(dāng)輔助墩支座沉降0.01 m時，輔助墩處主梁在主力作用下正彎矩值大于負彎矩值(圖4)，鋼束宜從梁底部通過。通過計算結(jié)果的分析可以看出，輔助墩基礎(chǔ)沉降取值是否合理直接影響到鋼束的布置方案。為對結(jié)構(gòu)進行合理的分析計算，本橋通過樁基計算，輔助墩基礎(chǔ)沉降為0.003 m，遠遠小于0.01 m，設(shè)計時采用基礎(chǔ)沉降0.005 m，因而本橋采用縱向鋼束從梁上部通過的形式進行布置。

圖3 方案1彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

圖4 方案2彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

截面結(jié)構(gòu)尺寸及鋼束布置確定后，對橋梁結(jié)構(gòu)進行靜力分析，主力及主力+附加力作用下各項計算指標(biāo)如表1所示，均滿足鐵路相關(guān)規(guī)范要求[2]，滿足鐵路的運行安全要求。

表1 運營階段主梁計算結(jié)果

橋梁結(jié)構(gòu)在靜活載及溫度荷載的組合作用下的撓度結(jié)果如表2所示，也滿足結(jié)構(gòu)的剛度要求。

表2 靜活載作用下的撓度

3.2 支座布置方案

本橋橋面寬度較大，支座的布置方式對橋梁結(jié)構(gòu)的影響較為明顯。方案設(shè)計時確定采用2支座體系或3支座體系，如圖5所示。為對2支座及3支座體系進行合理選擇，本次研究采用有限元軟件MIDAS_FEA建立了全橋空間模型[12]，梁部采用板單元，橋墩及橋塔采用梁單元，空間板單元模型如圖6所示，其中3支座體系計算結(jié)果見表3。

圖5 支座布置方案(單位：cm)

圖6 空間板單元模型

根據(jù)對計算結(jié)果的分析，3支座體系每個橋墩上3個支座分配的反力不均勻，在主力工況及恒載情況下，中支座分配的反力比例最大僅為21%。相比而言，兩支座體系時2個支座的反力分配基本一致，外支座略大于內(nèi)支座。對3支座體系還分析了支座間距及梁部彈性模量對支座受力分配的影響，經(jīng)分析，支座間距對支座反力影響較大，支座間距越大，中支點分配的反力越大；而彈性模量對支座反力分配基本無影響。

表3 三支座作用下豎向支反力

另外，通過對該橋梁部板單元應(yīng)力云分析，3支座體系僅對優(yōu)化底板橫向應(yīng)力有一定的效果，對頂?shù)装蹇v向應(yīng)力分布及頂板橫向應(yīng)力分布均無明顯效果。

根據(jù)以上的分析結(jié)果確定該橋采用兩支座體系。

3.3 塔上錨固方案

橋塔鞍座是矮塔斜拉橋的重要組成部分，索鞍區(qū)是矮塔斜拉橋的一個關(guān)鍵傳力部位[10]。國內(nèi)外現(xiàn)有矮塔斜拉橋拉索體系多采用內(nèi)、外管鞍座結(jié)構(gòu)，拉索整體通過塔上內(nèi)管后，灌注高強環(huán)氧砂漿，利用環(huán)氧砂漿的粘結(jié)力，增加抗兩側(cè)拉索拉力差能力即抗滑力，然后對稱錨固于主、邊跨上。本橋索鞍采用分絲管形式，每根斜拉索對應(yīng)1個分絲管索鞍，分絲管為多根的鋼管組焊而成，每根分絲管僅穿1根鋼絞線，以便于拉索單根張拉及更換，索鞍的斜拉索出口處設(shè)置抗滑錨板，以防止成橋后鋼絞線滑動。采用分絲技術(shù)后，能有效解決拉索張拉后鋼絞線間會相互擠壓、打絞及環(huán)氧砂漿的握裹面積減少，鞍座內(nèi)受力狀況差的問題[5]。根據(jù)平面模型的計算結(jié)果，該橋的最大不平衡索力為693 kN(主+附作用下)，遠小于塔上斜拉索環(huán)氧砂漿抗滑移裝置設(shè)計的2 000 kN不平衡索力抗滑要求，安全系數(shù)大于3.0，分絲管索鞍兩側(cè)環(huán)氧砂漿抗滑移裝置具有足夠的安全性。

4 細部分析

為更好地分析索梁錨固區(qū)及墩底的受力特點，以便指導(dǎo)該橋的施工圖設(shè)計，利用大型有限元軟件MIDAS FEA對這些區(qū)域進行了局部應(yīng)力分析。

4.1 梁上拉索錨固區(qū)

斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)區(qū)域受力集中、構(gòu)造復(fù)雜，是控制設(shè)計的關(guān)鍵部位，該部位設(shè)計應(yīng)盡量避免對主梁的削弱，并避免有較大的應(yīng)力集中[6，11]。本次研究在平面分析基礎(chǔ)上選取主跨拉索索力最大的一節(jié)箱梁，利用有限元軟件MIDAS FEA對索梁錨固區(qū)建立空間有限元模型。空間模型取梁段的一半進行計算，約束采用一端固結(jié)，側(cè)面約束橫橋向位移及扭轉(zhuǎn)的方式。索梁錨固局部分析模型見圖7，索梁錨固區(qū)第一主應(yīng)力云圖見圖8。

圖7 索梁錨固局部分析模型

圖8 索梁錨固區(qū)第一主應(yīng)力云圖

經(jīng)分析，錨固區(qū)在最不利工況下主應(yīng)力較大的區(qū)域位于主梁與齒塊的臨界區(qū)域，其余位置應(yīng)力可以均勻傳遞，能夠達到傳力明確并使強大的集中力迅速分散并變得均勻的目的。另外，根據(jù)錨固區(qū)的應(yīng)力分布特點，設(shè)計中需對應(yīng)力集中區(qū)域采取鋼筋加密、設(shè)置防崩鋼筋等措施進行加強處理。

4.2 主墩墩底局部分析

本橋主墩設(shè)計是一大亮點，橋墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主塔塔、墩、梁固結(jié)。塔墩橫橋向采用上大下小圓曲線變寬的結(jié)構(gòu)形式，中間鏤空，與優(yōu)美的橋型結(jié)合看起來圓潤、柔和，更加符合人們的審美觀。然而，鏤空的橋墩設(shè)計使得墩底實體段與鏤空段交界處存在較大的橫向劈裂力，為對該處進行更加合理的設(shè)計，截取墩底以上13.5 m段橋墩進行局部分析，為避免約束方式的影響，在墩底下模擬了承臺及5 m長樁長，樁底固結(jié)處理。墩底模型見圖9，Syy方向應(yīng)力剖面見圖10。

圖9 墩底模型

圖10 Syy方向應(yīng)力剖面

通過計算分析，墩底鏤空引起拉應(yīng)力較大區(qū)域主要分布在圓弧下0.5 m左右，Syy方向應(yīng)力為3～4 MPa。為消除該部分拉應(yīng)力，可采用張拉橫向預(yù)應(yīng)力束或采用普通鋼筋局部加強的方式進行處理，經(jīng)分析，因結(jié)構(gòu)截面尺寸較大，張拉橫向預(yù)應(yīng)力束不能有效解決橫向劈裂力，最終確定采用普通鋼筋加強的方式進行處理。

5 結(jié)論

結(jié)合津保矮塔斜拉橋的設(shè)計，提出了矮塔斜拉橋設(shè)計的一些設(shè)計思路及設(shè)計要點。結(jié)論如下：(1)矮塔斜拉橋作為一種剛?cè)岵臉蛐?，能夠滿足鐵路行車的安全與舒適性要求，橋梁在施工階段及運營階段的應(yīng)力及撓度均能滿足相關(guān)規(guī)范的要求；(2)輔助墩處的縱向鋼束布置應(yīng)根據(jù)實際的支座沉降進行計算；(3)橋面較寬時可采用三支座體系或二支座體系，對于本橋從支座的有效利用來講更適合采用二支座體系；(4)索鞍分絲管技術(shù)能有效解決拉索張拉后鋼絞線間會相互擠壓、打絞及環(huán)氧砂漿的握裹面積減少，鞍座內(nèi)受力狀況差的問題，更適用于斜拉橋設(shè)計；(5)索梁錨固區(qū)受力集中，結(jié)構(gòu)設(shè)計需達到傳力明確，使強大的集中力迅速分散變得均勻的目的。

[1] 陳從春，周海智，肖汝誠.矮塔斜拉橋研究的新進展[J].世界橋梁，2006(1)：70-73．

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005．

[3] 王暉，項貽強.梯形多室箱梁橫向內(nèi)力計算方法研究[J].公路交通科技，2007(1)：83-86．

[4] 鄭震，郭金瓊.箱形梁橋橫向內(nèi)力計算的計算機方法[J].福州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1995，23(1)：60-65．

[5] 陳興沖.高速鐵路特殊橋梁新結(jié)構(gòu)和新工藝技術(shù)-(64.6+115+115+64.6) m矮塔斜拉橋索鞍節(jié)段模型試驗研究報告[R].天津：2010．

[6] 陳偉慶.斜拉橋鋼箱梁索梁錨固區(qū)靜力模型試驗應(yīng)力分析研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2000．

[7] 范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001．

[8] 項海帆等.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京：人民交通出版社，2001．

[9] 李人憲.有限元法基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2002．

[10] 林元培.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，1995．

[11] 沈桂平.斜拉索鋼箱梁錨固區(qū)空間應(yīng)力分析[J].橋梁建設(shè)，1997(1)：36-40．

[12] 陸光閭，胡匡璋，吳訊,等.斜拉橋整體空間分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，1998(2)：23-25．