宋子威，李喜平，劉智春

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢430063）

懷邵衡鐵路（90+180+90）m矮塔斜拉橋總體設(shè)計

宋子威，李喜平，劉智春

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢430063）

懷（化）邵（陽）衡（陽）鐵路沅江特大橋主橋采用（90+180+90）m矮塔斜拉橋，該橋式方案具有建造經(jīng)濟、造型美觀、施工方便、整體剛度大等優(yōu)點。本文介紹該橋總體設(shè)計、構(gòu)造設(shè)計、施工方法等內(nèi)容并進行了靜力、動力計算分析。計算結(jié)果表明：該橋在施工及運營階段的剛度、強度均滿足設(shè)計規(guī)范要求，橋梁具有良好動力性能，可為類似鐵路橋梁提供參考。

鐵路橋；矮塔斜拉橋；組合結(jié)構(gòu)；橋梁設(shè)計

1　工程概況

沅江特大橋位于湖南省洪江市安江鎮(zhèn)岔頭鄉(xiāng)境內(nèi)，是懷邵衡鐵路上一座重要橋梁。橋址處沅江寬約570 m，河道較順直，水流較緩，橋梁軸線與沅江主河道斜交角度為72°，沅江水深較深，河床面較平緩，最大水深在8.5 m左右。

1.1主要技術(shù)標準

1）線路標準：雙線鐵路，有砟軌道，客貨共線，速度目標值200 km/m，線路為平坡、直線，線間距為5.0 m。

2）活載標準：中-活載。

3）通航標準：規(guī)劃為Ⅳ級航道，雙向通航凈寬≥140 m、通航凈高≥8.0 m。

4）地震效應(yīng)：地震動峰值加速度為0.05g，動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

5）橋梁主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限：100年。

1.2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

橋址處地層主要是粉質(zhì)黏土、卵石土、板巖、泥質(zhì)砂巖，底層為弱風化砂礫巖。

沅江流域面積F=40 350 km2，百年設(shè)計流量Q1%=26 400 m3/s，百年設(shè)計水位H1%=168.15 m，流速V1%=2.45 m/s。線路法線與水流方向夾角為83°。

1.3橋式選擇

受鐵路線路選線控制，懷邵衡鐵路跨沅江橋位法線與航道方向斜交角度達18°；由于斜交角度較大，根據(jù)通航論證要求，沅江特大橋主跨必須一跨跨越沅江雙向航道范圍，根據(jù)橋梁孔跨布置及防洪評價、通航論證要求，沅江特大橋主跨采用（90+180+90）m矮塔斜拉橋。梁體中支點、跨中梁高分別為9.6，5.0 m，分別為主跨的1/18.75和1/36.0；塔、梁固結(jié)，中墩、邊墩頂均設(shè)置縱向活動支座，橋面以上塔高28.0，高跨比1/6.4。立面布置見圖1［1］。

圖1　主橋立面布置（單位：m）

2　主橋設(shè)計

2.1主梁

主梁采用單箱單室直腹板截面（圖2），中支點處梁高9.6 m，高跨比為1/18.75；邊支點及跨中處梁高5.0 m，高跨比為1/36?？缰械雀叨攘憾伍L38.0 m，中間69 m梁底曲線采用二次拋物線變化。

主梁頂板全梁等寬13.6 m，底寬9.4 m。頂板厚42 cm，在中支點附近處加寬至102 cm；底板厚度由中跨5.5 m梁高處的50 cm漸變至中支點附近處120 cm。腹板厚度分60，80，100 cm，并在梁塔墩結(jié)合塊附近一定區(qū)域漸變加厚到120 cm。

全梁共布置橫隔板5道，分別設(shè)在梁的兩端、墩塔梁固結(jié)處及跨中。斜拉索各錨固點主梁箱內(nèi)及前一節(jié)段分別設(shè)置1.6 m高橫梁1道，全梁共計32道。

主梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向預(yù)應(yīng)力束包括頂板懸臂束、腹板下彎束、中跨底板束、邊跨底板束、中跨頂板束、邊跨頂板束?？v向預(yù)應(yīng)力采用低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。箱梁橫向預(yù)應(yīng)力采用5-15.24 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，交錯單端張拉，橫向間距40 cm。豎向預(yù)應(yīng)力筋采用型號為PSB930的預(yù)應(yīng)力用螺紋鋼筋。

2.2橋塔

橋塔采用雙柱式橋塔，橋面以上塔高28.0 m，橋面以上塔的高跨比為1/6.4。為適應(yīng)分絲管索鞍，塔柱采用矩形實體截面，順橋向?qū)?.8 m，橫橋向?qū)?.4 m，斜拉索中心距離線路內(nèi)側(cè)2.0 m，外側(cè)2.4 m。詳見圖3。

2.3斜拉索［2-3］

斜拉索為平行雙索面，采用單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線拉索體系，外套HDPE。斜拉索梁上間距6.0 m，與主梁采用成品錨具形式（圖4），主梁內(nèi)設(shè)置錨固梁，張拉端設(shè)置在梁上。斜拉索在塔端采用分絲管索鞍貫通，間距為1.0 m。斜拉索規(guī)格分55-7φ 5 mm，43-7φ5 mm 2種，端索水平夾角為21.73°，斜拉索（錨固點至橋塔理論交點）最長約76.43 m，最短約41.5 m。斜拉索采用單根張拉，整體調(diào)索。

2.4橋墩與基礎(chǔ)

主墩采用圓端形實體橋墩，墩高分別為20.0， 21.5 m，順橋向為5.0 m，橫橋向為12 m。橋墩基礎(chǔ)采用15φ2.5 m鉆孔樁基礎(chǔ)。順橋向3排，樁間距6.9 m，橫橋向5排，樁間距5.5 m。承臺尺寸為17.8 m× 26.0 m×5.0 m，上設(shè)9.6 m×14.8 m×2.0 m加臺。

圖2　箱梁典型截面（單位：cm）

圖3　橋塔構(gòu)造（單位：m）

圖4　斜拉索錨固示意

3　主橋結(jié)構(gòu)計算

3.1靜力分析［4］

本橋建立空間有限元模型，主梁、橋塔、橋墩、承臺及樁基礎(chǔ)均采用梁單元模擬，利用一般支承、彈性連接、主從連接等邊界單元模擬了橋梁塔墩梁固結(jié)、索梁連接、邊墩支座邊界條件。樁-土結(jié)構(gòu)采用施加相應(yīng)剛度矩陣的方法模擬。施工階段分析中，考慮掛籃和濕重，將預(yù)應(yīng)力索作為等代荷載施加于梁體，計入收縮徐變及預(yù)應(yīng)力損失對結(jié)構(gòu)受力的影響。所建立的有限元模型如圖5所示。

3.1.1主梁檢算（表1）

檢算施工和運營階段主梁的強度、抗裂性、應(yīng)力及變形。施工階段主梁最大壓應(yīng)力15.4 MPa；運營階段，最不利荷載作用下主力工況主梁最大壓應(yīng)力14.59 MPa，最小壓應(yīng)力0.83 MPa；主力+附加力工況下主梁最大壓應(yīng)力15.18 MPa，最小壓應(yīng)力0.55 MPa，最大主壓應(yīng)力16.0 MPa，最大主拉應(yīng)力2.98 MPa。主力工況下截面最小強度為2.33，主力+附加力工況下截面最小強度為2.27。最小抗裂安全系數(shù)為1.49，混凝土最大剪應(yīng)力為4.0 MPa。

主跨跨中最大靜活載撓度143.6 mm，為主跨的1/1 253.5，梁端轉(zhuǎn)角為1.52‰。主梁在搖擺力+橫向風力作用下的橫向水平撓度為24.1 mm，撓跨比為1/11 935.4。以上檢算結(jié)果均滿足規(guī)范要求［5-7］。

3.1.2斜拉索檢算

斜拉索最大活載應(yīng)力幅為74.6 MPa，為中跨邊索。斜拉索在主力工況下最大拉應(yīng)力為824.8 MPa，最小安全系數(shù)為2.25；在主力+附加力工況下最大拉應(yīng)力為845 MPa，最小安全系數(shù)為2.20。

計算該橋的豎向荷載分擔比，成橋之前由設(shè)計確定。成橋之后，二期恒載、活載的豎向荷載分配則是按照結(jié)構(gòu)剛度來分配。成橋狀態(tài)下斜拉索分擔的二期恒載比例為37.7%，分擔活載比例為19.2%。由此可見斜拉索在施工階段和成橋狀態(tài)對主梁均有一定幫扶作用，可在一定程度上降低梁高。

圖5　整體計算有限元模型

表1　主梁應(yīng)力與抗裂、強度安全系數(shù)MPa

3.2動力分析

3.2.1自振特性

采用有限元軟件建立動力分析模型，前10階自振頻率及振型特點見表2。

表2　沅江特大橋主橋前10階代表性振型

3.2.2車橋耦合振動分析

采用空間有限元方法建立其車-橋動力分析模型，對該橋CRH2，CRH3動車組及C80貨車作用下的車橋空間耦合振動進行了分析并評價了該橋的動力性能以及列車運行安全性與平穩(wěn)性，主橋在CRH2與CRH3動車組以速度140～300 km/h、C80貨車以速度60～120 km/h通行時，行車安全性和乘坐舒適性滿足要求，其動力性能符合要求。

4　主橋施工步驟

采用掛籃懸臂澆筑法，施工過程中充分利用斜拉索，滯后一個懸臂節(jié)段張拉斜拉索。先合龍邊跨，后合龍中跨。邊跨無索區(qū)邊直段及零號塊采用支架現(xiàn)澆施工，上塔柱采用爬模（滑模）法施工。梁段采用懸臂灌注法施工，主梁合龍后張拉梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力，施工橋面和附屬工程，調(diào)整至斜拉索設(shè)計索力，通車運營。

5　結(jié)語

部分斜拉橋以主梁受力為主，主塔斜拉索輔助受力，相對梁式橋整體受力和變形均有顯著改善，可提供較大的豎向剛度，適用于高速鐵路橋梁。斜拉索可在懸臂澆筑過程中起加勁作用，成橋時又可與主梁共同受力，永臨結(jié)合，較連續(xù)梁柔性拱橋式方案節(jié)約臨時鋼支撐約1 200 t，取得良好經(jīng)濟效果。

［1］中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司.新建懷邵衡鐵路沅江特大橋施工圖［Z］.武漢：中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，2014.

［2］高飛，陳淮，陳崢.矮塔斜拉橋的施工控制研究［J］.鐵道建筑，2008（4）：1-3.

［3］李文獻，宋強，覃巍巍，等.矮塔斜拉橋中交叉抗滑鍵的研究及應(yīng)用［J］.橋梁建設(shè)，2012，42（6）：92-97.

［4］張運波，孫立偉.矮塔斜拉橋運營過程中的結(jié)構(gòu)仿真分析［J］.鐵道建筑，2014（7）：1-3.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土及預(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.

［7］中華人民共和國鐵道部.TB 10621—2014高速鐵路設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2015.

Overall Design of（90+180+90）m Cable-stayed Bridge with Low Tower on Huaihua-Shaoyang-Hengyang Railway

SONG Ziwei，LI Xiping，LIU Zhichun
（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430063，China）

T he main bridge of Yuanjiang Bridge on Huaihua-Shaoyang-Hengyang railway is designed as（90+ 180+90）m cable-stayed bridge with lowtower.T his bridge design has advantages of economy，aesthetics，convenient construction and high stiffness.In this paper，the global and detailing design，and the construction method were introduced，and the behaviors under static and dynamic loads were analyzed.T he results show that the stiffness and strength at the construction and service stages meet the requirements of design code，and the bridge has good dynamic properties.

Railway bridge；Cable-stayed bridge with low tower；Hybrid structure；Bridge design

U445.2

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.02

1003-1995（2016）09-0006-04

（責任審編孟慶伶）

2016-03-07；

2016-06-15

中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司科研基金（2013K07）

宋子威（1984—），男，高級工程師，碩士。