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        懷邵衡鐵路跨資江獨(dú)塔混合梁斜拉橋方案設(shè)計研究

        2014-05-09 08:26:02曹忠強(qiáng)
        交通科技 2014年3期
        關(guān)鍵詞:活載鋼混橋塔

        曹忠強(qiáng)

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

        新建懷邵衡鐵路是連通懷化至衡陽的I級客貨共線雙線鐵路。資水既有VI航道,規(guī)劃為IV級,單孔雙向通航凈寬90 m,通航凈高8 m,橋梁軸線與航道方向夾角為75°。參考國內(nèi)外大跨度鐵路橋梁的設(shè)計經(jīng)驗(yàn),在滿足防洪、通航要求的前提下,提出以32 m+230 m+91 m+48 m+40 m獨(dú)塔混合梁斜拉橋跨越資江方案,見圖1。

        圖1 混合梁獨(dú)塔斜拉橋方案立面布置圖(單位:c m)

        1 橋式構(gòu)思

        混合梁斜拉橋主跨采用鋼梁以減輕自重、增大跨越能力,邊跨采用混凝土梁進(jìn)行配重、并提高邊跨剛度,充分發(fā)揮了鋼和混凝土2種材料的優(yōu)勢[1]。本方案以230 m主跨跨越資江,是獨(dú)塔混合梁斜拉橋首次應(yīng)用于國內(nèi)鐵路項(xiàng)目。全橋共設(shè)34對斜拉索,采用半漂浮體系。主梁采用流線型箱型截面,主跨大部分為鋼箱梁,余采用外型輪廓完全相同的混凝土截面,梁高3.5 m,典型主梁截面見圖2,圖3?;炷量缭O(shè)置2個支墩以減小主梁彎矩。

        圖2 混凝土梁標(biāo)準(zhǔn)橫截面布置圖

        圖3 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫截面布置圖(單位:mm)

        2 主橋方案分析研究

        2.1 鋼混結(jié)合段位置的確定

        斜拉橋理想的恒載狀態(tài)是:主梁恒載彎矩接近剛性支承連續(xù)梁的彎矩,索塔恒載彎矩接近于0[2]。為了達(dá)到這一理想目標(biāo),邊跨和中跨的梁重需要處于一定的平衡狀態(tài)。調(diào)整邊中跨長度比、改變混凝土梁截面和鋼箱梁截面重量之比、改變鋼混結(jié)合段位置都可以使梁重達(dá)到平衡。具體到本橋,在主梁截面基本確定、孔跨布置受控防洪和通航要求的背景下,合理確定鋼混結(jié)合段位置是達(dá)到結(jié)構(gòu)理想恒載狀態(tài)的最佳方法。預(yù)應(yīng)力混凝土梁與鋼梁的連接位置宜選擇在彎矩和剪力均較小的區(qū)域,并盡量遠(yuǎn)離斜拉索錨固區(qū)域,一般設(shè)在橋塔附近[3]。

        本橋合理鋼混結(jié)合段位置的確定遵循以下原則:①邊跨梁重平衡中跨梁重,即恒載狀態(tài)下,邊跨不出現(xiàn)負(fù)反力;②恒載+中跨滿布荷載作用下,邊跨支座開始出現(xiàn)負(fù)反力。經(jīng)計算分析,為滿足原則①,鋼混結(jié)合段位置可設(shè)置在橋塔江側(cè)42 m或岸側(cè)31 m;對于原則②,在江跨滿布活載作用下,邊跨全混凝土設(shè)計岸跨支座仍出現(xiàn)10 000 k N負(fù)反力。這說明在現(xiàn)有的β值及邊跨長度條件下,邊跨梁重?zé)o法達(dá)到原則②劃定的上限。為保證邊跨梁重,可采取提高β值、增大邊跨長度及邊跨壓重等方式進(jìn)行調(diào)整。本橋設(shè)計采用邊跨混凝土壓重方案。

        實(shí)際上,當(dāng)邊跨略重于中跨時,設(shè)計中仍可保持邊跨索力與中跨索力平衡,以保證索塔恒載彎矩為0,邊跨超出的重量可由輔助墩平衡;當(dāng)邊跨略輕于中跨時,可采用邊跨壓重或設(shè)置拉力墩的方法平衡中跨。從這個意義上說,合理鋼混結(jié)合段位置是一個范圍的概念。本方案由原則①確定的范圍為橋塔江側(cè)42 m至岸側(cè)31 m。一般來說,混凝土梁段宜盡量伸入中跨,以降低工程造價,但也不宜伸入過長,以免造成邊跨主梁、斜拉索的受力不合理,同時使得構(gòu)造處理難度太大[4]。本設(shè)計最終采用鋼混結(jié)合段位置為江側(cè)距橋塔中心15 m。

        2.2 結(jié)構(gòu)豎向剛度分析研究

        結(jié)構(gòu)的剛度往往是鐵路橋梁設(shè)計中控制性的因素。影響斜拉橋豎向剛度的因素有梁高、斜拉索面積、橋塔縱向剛度等因素。本文在保持其他因素不變的基礎(chǔ)上,分析研究結(jié)構(gòu)剛度對每個因素的敏感性,以期合理地控制結(jié)構(gòu)豎向剛度。

        (1)梁高的改變對斜拉橋結(jié)構(gòu)的豎向剛度影響不大,一般不超過20%。另一方面,梁高雖對結(jié)構(gòu)剛度的直接影響不是很顯著,梁重的變化卻間接決定了斜拉索的面積和應(yīng)力,從而決定了斜拉索折減后的有效剛度。故須綜合考慮斜拉索的因素,確定合理的梁高。

        (2)改變斜拉索的面積。通過觀察主梁最大豎向位移的相應(yīng)變化,研究結(jié)構(gòu)剛度與斜拉索面積間的關(guān)系。為方便起見,全橋斜拉索采用同一面積。分別選取斜拉索面積151,187,223,265,301,349,409 mm2,得主梁在活載作用下最大豎向撓度,見圖4。

        圖4 主梁最大活載撓度與斜拉索面積關(guān)系圖

        圖5 主梁最大活載撓度與單根斜拉索面積改變關(guān)系圖

        (3)橋塔的縱向剛度由橋塔的縱橋向長度和塔高2個因素決定。保持其他因素不變,分別計算1,2,4,8倍橋塔縱向剛度下結(jié)構(gòu)的豎向位移。經(jīng)計算分析,當(dāng)橋塔縱向剛度由1倍增至8倍時,主梁活載作用下最大位移由325 mm下降至300 mm,即結(jié)構(gòu)豎向剛度增加了8%。增大橋塔縱向剛度對結(jié)構(gòu)豎向剛度的影響很小。

        為分析塔高變化對結(jié)構(gòu)豎向剛度的影響,保證其他因素不變,分別計算塔高100,110,120,130,140 m時主梁活載最大位移。計算結(jié)果表明,當(dāng)塔高由100 m增加至140 m時,主梁最大位移由341 mm下降至277 mm,即結(jié)構(gòu)豎向剛度增加23%。增加橋塔高度可在一定程度上提高結(jié)構(gòu)豎向剛度,同時斜拉索的疲勞應(yīng)力幅也相應(yīng)由163 MPa減小至134 MPa。

        綜合以上幾點(diǎn)可知:增大結(jié)構(gòu)豎向剛度的最有效途徑是增大斜拉索的面積,增大江側(cè)M9及其附近斜拉索效果尤其顯著;增加主梁高度和橋塔高度均可在一定程度上增大結(jié)構(gòu)剛度,需綜合結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)性、美觀性等方面因素合理取值;增大橋塔縱向剛度對結(jié)構(gòu)豎向剛度影響很小。

        3 結(jié)語

        本文通過“重量平衡原則”,以“邊跨梁重平衡中跨梁重”和“邊跨梁重平衡中跨梁重+滿布活載”假定計算得混凝土梁長的下限和上限,以此確定鋼混結(jié)合段合理位置;通過分析影響剛度的各個因素,明確斜拉索面積是影響結(jié)構(gòu)剛度的第一要素,并對每根斜拉索的效應(yīng)進(jìn)行深化分析。梁高和塔高可在一定程度上影響結(jié)構(gòu)豎向剛度,橋塔縱向剛度影響很小。

        由圖4可見,增加斜拉索面積是提高結(jié)構(gòu)豎向剛度的有效途徑,每mm2斜拉索面積的增加可減少約1.2 mm的主梁活載位移。因此,有必要對斜拉索因素進(jìn)行深入分析。江側(cè)斜拉索由塔根向江側(cè)依次編號為M1~M17,向岸側(cè)依次編號S1~S17,保證其他斜拉索面積不變,分別將每根斜拉索面積由151 mm2增至409 mm2,得相應(yīng)主梁最大活載位移見圖5。顯然,增大M9及其相鄰的斜拉索面積對結(jié)構(gòu)的豎向剛度影響最為顯著。

        [1] 劉 高,唐 亮,譚 皓,等.混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合部的合理位置[J].公路交通科技,2010(6):52-57.

        [2] 徐利平.混合梁斜拉橋的邊中跨合理比例[J].上海公路,2002(4):28-30.

        [3] 王治均,李三珍.混合梁斜拉橋主梁鋼混結(jié)合段設(shè)計[J].公路交通技術(shù),2010(4):46-48.

        [4] 盧桂臣,鄒宏華.混合式斜拉橋鋼混結(jié)合段的優(yōu)化研究[J].中外公路,2006(3):153-156.

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