黃納新

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063)

1　橋梁概況

珠海市區(qū)至珠海機(jī)場城際鐵路與金海高速公路并行跨越磨刀門水道和泥灣門水道出?？冢瑪M公鐵合建金海特大橋。橋位處磨刀門水道水面開闊，橋區(qū)河段為內(nèi)河Ⅰ級航道，通行3 000 t級海輪，要求通航凈寬不小于340 m，凈高不小于28 m，最高通航水位2.72 m。城際鐵路為雙線，線間距4.2 m，有碴軌道，設(shè)計行車速度160 km/h，設(shè)計活載為ZC活載。金海高速公路為雙向六車道，橋面寬2×16.25 m，設(shè)計行車速度100 km/h，設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級。

結(jié)合現(xiàn)場建設(shè)條件，經(jīng)過多階段設(shè)計研究，金海特大橋跨磨刀門水道主橋最后確定采用(2×56+110+480+110+2×56) m混合梁斜拉橋，公鐵同層合建，鐵路布置在公路橋幅中央，橋面總寬43.5 m，主橋長926.0 m，主橋效果如圖1。

圖1　金海特大橋主橋效果

2　橋式方案選擇

金海特大橋為公鐵兩用橋，其主橋主跨480 m，宜采用斜拉橋。斜拉橋按主梁梁型可分為鋼桁梁斜拉橋、鋼箱梁斜拉橋、混合梁斜拉橋等。公鐵兩用橋按橋面布置形式可分為公鐵分層合建和公鐵同層合建。目前國內(nèi)已建和在建的大跨度公鐵兩用斜拉橋如表1，表中均為公鐵分層合建的鋼桁梁斜拉橋，尚無公鐵同層合建的鋼箱梁和混合梁斜拉橋。為了確定金海特大橋主橋合理的橋式方案，設(shè)計中選取了兩種方案進(jìn)行分析比較。

2.1　鋼桁梁斜拉橋方案

橋跨布置為(66+186+480+186+66) m，鋼桁梁采用N形桁式，桁高15.5 m，節(jié)間長度13.2 m，鋼桁梁全長986.0 m。橋塔采用雙柱花瓶形混凝土結(jié)構(gòu)，塔柱總高184.0 m。橋塔兩側(cè)各設(shè)16對斜拉索，按雙索面扇形布置，順橋向索距13.2 m。立面布置如圖2。

表1　國內(nèi)大跨度公鐵兩用斜拉橋列表

公路與鐵路分層布置，公路布置在鋼桁梁上層，鐵路布置在下層，因公路與鐵路橋面寬度懸殊，鋼桁梁橫向采用兩片主桁，主桁豎直，桁間距16.0 m；主桁外側(cè)設(shè)置兩副桁，副桁橫向傾斜，其上弦桁間距35.0 m，鋼桁梁橫斷面成倒梯形(如圖3)。主桁和副桁采用焊接整體節(jié)點，桿件在節(jié)點外采用高強(qiáng)度螺栓拼接，上層和下層橋面板均采用正交異性板鋼橋面結(jié)構(gòu)。該方案鋼桁梁所需鋼材總量約3.8萬t，每延米鋼桁梁用鋼量38.5 t。

圖2　鋼桁梁斜拉橋立面布置(單位：m)

圖3　鋼桁梁橫斷面(單位：m)

2.2　混合梁斜拉橋方案

橋跨布置為(2×56+110+480+110+2×56) m，主梁480 m中跨和110 m邊跨采用鋼箱梁，鋼箱梁梁長675.0 m；兩端2×56 m邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁長250.5 m。橋塔采用雙柱花瓶形混凝土結(jié)構(gòu)，塔柱總高184.0 m。橋塔兩側(cè)各設(shè)19對斜拉索，按雙索面扇形布置，順橋向索距8.0～13.2 m。立面布置如圖4。

公路與鐵路同層布置，鐵路布置在公路橋幅中央，橋面總寬43.5 m。鋼箱梁采用魚腹式雙箱截面，最大箱高3.4 m。對應(yīng)各吊點處，鋼箱梁順橋向每隔12.0 m設(shè)一道箱形橫梁，橫梁跨中梁高5.0 m。鋼箱梁橫斷面如圖5，混凝土箱梁外形輪廓同鋼箱梁。該方案鋼箱梁所需鋼材總量約2.2萬t，每延米鋼箱梁用鋼量32.6 t。

圖4　鋼箱梁斜拉橋立面布置(單位：m)

圖5　鋼箱梁橫斷面(單位：m)

2.3　綜合比選

混合梁方案公鐵同層合建，橋面較寬，比鋼桁梁方案寬出8.5 m。鋼桁梁方案公鐵分層合建，公路設(shè)計高程較混合梁方案高出12 m，在一定程度上會增加公路引橋建設(shè)規(guī)模，且合建與分建的過渡較復(fù)雜。

鋼桁梁方案的主跨豎向剛度略大于混合梁方案。混合梁方案的橋面寬，主梁橫向剛度大，且主梁輪廓為扁平流線型，其空氣動力穩(wěn)定性較好[1]。

鋼桁梁方案構(gòu)件種類繁多，制造和安裝工藝復(fù)雜，維修養(yǎng)護(hù)工作量大?；旌狭悍桨傅匿撓淞罕阌诰S修養(yǎng)護(hù)。

混合梁方案兩端主梁采用混凝土箱梁，不需要壓重和設(shè)置拉力支座，主橋橋長比鋼桁梁方案縮短了60.5 m，鋼梁長縮短了311 m。

混合梁方案每延米鋼梁用鋼量比鋼桁梁方案節(jié)省約15.3%，全橋鋼梁總用鋼量減少約1.6萬t，在工程造價方面占絕對優(yōu)勢。

綜合上述比較，推薦金海特大橋主橋采用公鐵同層合建的混合梁斜拉橋方案。

3　輔助墩的設(shè)置

為保證列車運行安全性和旅客乘坐舒適性，根據(jù)“鐵路橋規(guī)”規(guī)定，該橋在列車和汽車活載的作用下，要求主梁跨中豎向撓度不大于L/750，梁端豎向轉(zhuǎn)角不大于2‰。金海特大橋采用主跨為480 m的混合梁斜拉橋，其豎向剛度控制是設(shè)計中的技術(shù)關(guān)鍵。

斜拉橋的豎向剛度與主梁梁高、塔高、斜拉索面積、輔助墩設(shè)置等因素有關(guān)，其中輔助墩的作用尤為重要，邊跨設(shè)置輔助墩可以明顯改善邊跨內(nèi)力和撓度，當(dāng)橋塔剛度不大時，輔助墩約束了橋塔的變形，可減小中跨內(nèi)力和撓度[2]。

在金海特大混合梁斜拉橋的豎向剛度研究中，選取了多種輔助墩設(shè)置形式進(jìn)行計算分析，計算結(jié)果見表2，表中l(wèi)為邊墩至橋塔的距離。

表2　不同輔助墩與活載作用下橋梁位移對比

從表2結(jié)果可以看出：邊跨設(shè)置輔助墩可顯著減小活載作用下的塔頂水平位移、中跨豎向撓度和梁端豎向轉(zhuǎn)角。當(dāng)邊跨設(shè)一個輔助墩，設(shè)在距邊墩0.25l～0.50l范圍時，中跨豎向撓度均滿足要求，且差異較??；隨著輔助墩距邊墩距離加大，梁端豎向轉(zhuǎn)角急劇加大，只有設(shè)在距邊墩0.25l～0.35l范圍時，梁端豎向轉(zhuǎn)角才滿足要求。邊跨設(shè)兩個輔助墩對中跨豎向撓度的影響比設(shè)一個輔助墩略好，差異在10%以內(nèi)。

此外，該橋邊墩至輔助墩范圍的主梁為混凝土箱梁?；炷料淞鹤灾剌^大，斜拉索只分擔(dān)了其恒載的60%左右，混凝土箱梁仍存在較大的彎矩。為減小彎矩，混凝土箱梁宜采用較小跨度。從中跨豎向撓度、梁端豎向轉(zhuǎn)角、混凝土箱梁彎矩等方面綜合考慮，當(dāng)邊跨只設(shè)一個輔助墩時，宜設(shè)在距邊墩0.25l～0.30l左右。

為了縮短鋼梁長度，降低工程造價，最后確定兩端采用2×56 m混凝土箱梁，兩個輔助墩設(shè)在距邊墩0.25l、0.50l處，其豎向剛度也較好。

4　混凝土箱梁與鋼箱梁分界部位的選擇

金海特大橋混合梁斜拉橋的主梁由混凝土箱梁和鋼箱梁兩部分組成，其分界處需要設(shè)置鋼混結(jié)合段。鋼混結(jié)合段用來實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)之間力的傳遞，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造、傳力途徑和應(yīng)力狀況極為復(fù)雜，國內(nèi)橋梁設(shè)計規(guī)范缺乏關(guān)于鋼混結(jié)合段受力與傳力機(jī)理的闡述和相關(guān)條文規(guī)定[3]，鋼混結(jié)合段是該橋主梁設(shè)計的難點之一?；炷料淞号c鋼箱梁分界位置不同，則鋼混結(jié)合段的應(yīng)力狀況不同，從結(jié)構(gòu)受力方面考慮，分界位置應(yīng)設(shè)在主梁彎矩和剪力均較小的區(qū)域[4]。從方便施工角度，則宜設(shè)在橋墩旁。在金海特大橋設(shè)計中，按設(shè)在輔助墩以外4.5 m處和12.5 m處兩種情況進(jìn)行了計算，計算結(jié)果見表3，表中內(nèi)力和應(yīng)力為主+附組合結(jié)果，位移為活載作用下結(jié)果。

表3　不同分界位置時主梁內(nèi)力、應(yīng)力及位移對比

兩種情況下中跨主梁的應(yīng)力和撓度幾乎沒有變化，分界處與輔助墩附近區(qū)域主梁的彎矩變化比較明顯。設(shè)在輔助墩以外4.5 m處時，分界處鋼箱梁的彎矩和正應(yīng)力較大，正應(yīng)力達(dá)159 MPa(第一體系應(yīng)力)。設(shè)在輔助墩以外12.5 m處時，輔助墩處混凝土箱梁的彎矩增大了21%，但分界處鋼箱梁的彎矩和正應(yīng)力明顯減小，正應(yīng)力降低到了117 MPa，另外，懸出輔助墩以外的混凝土箱梁可在墩旁托架上澆筑，施工也較方便。兩種情況下主梁彎矩最小的部位都在輔助墩以外23 m左右，若將分界位置移至該部位，會使輔助墩處混凝土箱梁的彎矩過大，而且澆筑輔助墩以外的混凝土箱梁時需要在水中設(shè)置臨時墩，加大了施工難度。

綜合上述分析，金海特大橋混凝土箱梁與鋼箱梁的分界部位宜設(shè)在輔助墩以外12.5 m左右。

5　結(jié)論

金海特大橋主橋由于公路車道多、鐵路正線少，兩者橋面寬度懸殊，采用公鐵同層合建的混合梁斜拉橋方案，其鋼材用量最省，造價最經(jīng)濟(jì)。

混合梁斜拉橋方案的邊跨只設(shè)一個輔助墩時，宜設(shè)在距邊墩0.25l～0.30l左右。邊跨設(shè)兩個輔助墩對中跨豎向撓度的影響比設(shè)一個輔助墩略好，差異在10%以內(nèi)。

該橋混凝土箱梁與鋼箱梁的分界部位宜設(shè)在輔助墩以外12.5 m左右，該部位鋼箱梁的彎矩和正應(yīng)力相對較小，有利于鋼混結(jié)合段設(shè)計，施工也較方便。

[1]裴岷山，徐利平，張喜剛.蘇通大橋主航道橋橋型方案研究[J].橋梁建設(shè)，2005(6)

[2]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001

[3]張仲先，黃采萍，徐海鷹.混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段傳力機(jī)理研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010(5)

[4]陳海兵，曾國良，陳明芳.混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段的局部應(yīng)力分析[J].公路工程，2009(12)