尹書(shū)軍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁設(shè)計(jì)研究院，武漢　430063)

?

懷邵衡鐵路沅江特大橋主橋設(shè)計(jì)

尹書(shū)軍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁設(shè)計(jì)研究院，武漢430063)

懷邵衡鐵路沅江特大橋主橋?yàn)榘崩觿胚B續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)，跨徑為(90+180+90) m，采用塔、梁固結(jié)體系，綜述該橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算。主梁采用單箱單室變截面混凝土箱梁；橋塔采用雙柱式橋塔，塔高28 m；斜拉索為空間雙索面體系，扇形布置。采用MIDAS Civil2006及BDAP程序?qū)υ摌蜻M(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，結(jié)果表明：該橋靜力、穩(wěn)定及動(dòng)力特性均滿(mǎn)足要求。

鐵路橋；連續(xù)梁；橋塔；斜拉索；設(shè)計(jì)；靜力分析；動(dòng)力響應(yīng)

1　工程概況

懷邵衡鐵路沅江特大橋在懷化市洪江市安江鎮(zhèn)跨越沅江，線路與河流交角為72°，橋位附近河道較順直，河道在離橋不遠(yuǎn)處逐漸變寬，且河灘范圍變寬。橋軸法線方向與沅江河道水流方向斜交角度為18°。橋址處上游匯水面積F=40 350 km2，設(shè)計(jì)流量Q1%=26 400 m3/s，設(shè)計(jì)水位H1%=168.15 m，設(shè)計(jì)流速V1%=2.08 m/s。沅江既有航道等級(jí)為Ⅴ級(jí)，遠(yuǎn)期規(guī)劃為Ⅳ級(jí)航道，雙向通航凈寬不小于90 m、通航凈高不小于8.0 m，最高通航水位為162.44 m、最低通航水位為150.50 m。橋址區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，地震基本加速度為0.05g。

主橋結(jié)構(gòu)高度、跨度主要受沅江百年水位、通航、防洪以及安江車(chē)站填土高控制，初步設(shè)計(jì)階段主跨采用了(68+3×136+68) m連續(xù)梁拱方案，(102+2×180+102) m連續(xù)鋼桁梁，(90+180+90) m矮塔斜拉加勁連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)3個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比。因鐵路與河道斜交角度大于5°，航道主管部門(mén)要求主跨一跨跨越通航全部水域；而《湖南省涉河橋梁水利技術(shù)規(guī)定》中要求涉河橋墩阻水率應(yīng)控制在4%～5%，這就要求盡量減少水中橋墩；綜合通航、防洪以及經(jīng)濟(jì)性要求，施工圖主跨最終采用(90+180+90) m矮塔斜拉[1-2]加勁連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　懷邵衡鐵路沅江特大橋主橋立面布置(單位:cm)

2　主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級(jí)為客貨共線、雙線、有砟軌道鐵路；(2)設(shè)計(jì)旅客列車(chē)行車(chē)速度為200 km/h；(3)設(shè)計(jì)荷載為中-活載；(4)主橋位于直線、平坡線路上；(5)線間距為5.0 m。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋采用(90.8+180+90.8) m矮塔斜拉加勁連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)[3-5]，全長(zhǎng)361.6 m，橋面寬13.6 m，線路中心線距離擋砟墻內(nèi)側(cè)2.23 m。

3.1主梁

單箱單室、直腹板箱形截面，結(jié)構(gòu)受力明確、自重輕、豎向高度大，施工相對(duì)簡(jiǎn)單。本橋?yàn)殡p線鐵路橋，由于主跨跨徑大，雙線活載、二期恒載相對(duì)較大，為滿(mǎn)足橋梁豎、橫向剛度要求同時(shí)減少主梁圬工，選擇單箱單室截面。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)[6]，中支點(diǎn)處梁高9.6 m，高跨比為1/18.75；邊支點(diǎn)及中跨中處梁高5.0 m，高跨比為1/36。中跨中等高度梁平段長(zhǎng)38.0 m；中間69 m為變高度梁，梁底曲線采用二次拋物線。主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見(jiàn)圖2。

圖2　主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位:cm)

主梁頂板寬度為13.6 m，箱梁頂板厚42 cm，底板寬9.4 m，底板厚度由中跨處的50 cm漸變至中支點(diǎn)附近處120 cm，支點(diǎn)局部加厚。箱梁腹板厚度分60、80、100 cm三種，并在梁墩(塔)結(jié)合塊附近一定區(qū)域漸變加厚。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、跨中。斜拉索各錨固點(diǎn)主梁箱內(nèi)及前一節(jié)段分別設(shè)置1.6m高橫梁1道，全梁共計(jì)32道。

3.2橋塔[7]

本橋構(gòu)思以連續(xù)梁為主體承重結(jié)構(gòu)，連續(xù)箱梁和索塔相固結(jié)，斜拉索穿過(guò)索塔上的索鞍類(lèi)似預(yù)應(yīng)力混凝土梁的體外索而不像斜拉索，索鞍相當(dāng)于體外索的轉(zhuǎn)向點(diǎn)，索的應(yīng)力幅和一般斜拉橋的拉索相比大幅減少，因而可以不考慮疲勞而提高容許拉力值，這些拉力對(duì)梁體除了提供水平壓力外，其豎向分力還減少了梁的有效自重，降低了梁高。一般常規(guī)斜拉橋索塔在梁面以上高為跨度的1/5～1/4.55，為盡量減少索塔高，使結(jié)構(gòu)受力類(lèi)似矮塔斜拉橋，考慮橋址處景觀要求，橋面以上橋塔高取28 m，索塔高跨比為1/6.43。結(jié)合橋面布置要求，橋塔采用雙柱式橋塔形式、矩形實(shí)體截面，順橋向?qū)?.8 m，橫橋向?qū)?.4 m，中間設(shè)置寬度120 cm、深20 cm挖槽。

3.3斜拉索[8]

本橋?yàn)榘崩觿胚B續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)采用單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線拉索、分絲管配套索鞍。分絲管索鞍配備有抗滑鍵，有利于施工過(guò)程中抗滑移，且具備成橋后單根換索條件；單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線拉索位單根涂覆環(huán)氧涂層，再外包有環(huán)氧涂層，抗腐蝕、耐久性較好。

主橋斜拉索采用單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線拉索體系，外套HDPE，空間雙索面體系。斜拉索梁上間距6.0 m，與主梁采用成品梁端錨具形式，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)格分為55-7φ5 mm、43-7φ5 mm兩種，端索水平夾角為21.73°，斜拉索(錨固點(diǎn)至橋塔理論交點(diǎn))最長(zhǎng)約76.43 m，最短約41.5 m，采用單根張拉。

3.4錨固方式

主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，單箱單室截面，鐵路雙線位于箱梁中間，斜拉索須布置在箱梁翼緣板兩側(cè)，錨固位置設(shè)置加勁橫梁，具體見(jiàn)圖3。

圖3　索梁錨固布置

4　結(jié)構(gòu)分析

4.1靜力分析[9-12]

采用MIDAS2006計(jì)算軟件進(jìn)行施工階段和運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)靜力分析，采用BSAS軟件進(jìn)行了校核。計(jì)算中考慮自重、預(yù)應(yīng)力、活載、支座不均勻沉降、溫度以及施工臨時(shí)荷載等，并考慮了施工過(guò)程中體系轉(zhuǎn)換的影響。其中根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，合龍溫度取21 ℃；體系升降溫采用±20 ℃；主梁頂板日照溫差+5 ℃；斜拉索與混凝土主梁、塔柱結(jié)構(gòu)溫差采用±15 ℃；橋塔受側(cè)向日照影響，塔身左右側(cè)溫差取±5 ℃；支座不均勻沉降按2 cm考慮。

4.1.1主梁

主梁采用懸臂澆筑法施工，先合龍邊跨，再合龍中跨。為避免端支點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)反力支座，在邊跨端部設(shè)9.8 m長(zhǎng)橫隔板。按照最不利組合進(jìn)行檢算，檢算結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，主梁各截面應(yīng)力均能滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

表1　主梁應(yīng)力、強(qiáng)度檢算結(jié)果

中跨最大靜活載撓度為143.6 mm，為主跨的1/1 253.5，梁端轉(zhuǎn)角為為1.51‰；主梁在搖擺力+橫向風(fēng)力作用下的橫向水平撓度為24.1 mm，撓跨比為1/11 935.4；后期徐變[5]邊跨上拱2.38 mm，中跨上拱20.8 mm。

4.1.2斜拉索

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+附工況下最大拉應(yīng)力為845 MPa，最小安全系數(shù)為2.20。

4.1.3索塔

橋塔為小偏心受壓構(gòu)件形式，混凝土主力最大壓應(yīng)力為5.73 MPa，鋼筋應(yīng)力為56.82 MPa；主+附最大壓應(yīng)力為6.13 MPa，鋼筋應(yīng)力為68.82 MPa。

4.1.4索梁錨固體系[13]

采用ANSYS有限元軟件對(duì)索梁錨固區(qū)進(jìn)行受力分析。計(jì)算結(jié)果可知，斜拉索的拉力，首先由錨固塊承擔(dān)，錨固塊體為局部承壓構(gòu)件，腹板與錨固塊直接相連，承受較大拉力，錨固梁主要起到傳遞力，使全截面共同受力的作用。

索梁錨固區(qū)在錨固塊處主拉應(yīng)力較大，但主要在錨固塊表面，沿深度方向發(fā)展不大，此處布置普通鋼筋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；索梁錨固區(qū)局部承壓除去套筒周邊小范圍區(qū)域，最大主壓應(yīng)力均小于錨固區(qū)局部的容許壓應(yīng)力29.12 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.2動(dòng)力分析[14]

采用橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析程序BDAP，建立全橋動(dòng)力分析模型，對(duì)橋梁空間自振特性及車(chē)橋耦合動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算與分析。

(1)橋梁動(dòng)力特性計(jì)算。橋梁前7階自振頻率、振型主要特點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2　橋梁前7階自振頻率、振型主要特點(diǎn)匯總

(2)車(chē)橋耦合動(dòng)力相應(yīng)分析：對(duì)C80貨車(chē)以速度60～120 km/h及CRH2、CRH3動(dòng)車(chē)組以140～300 km/h通過(guò)時(shí)，車(chē)輛的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以?xún)?nèi)，列車(chē)的豎、橫向加速度值均小于規(guī)范限值，列車(chē)安全性滿(mǎn)足要求。

沅江特大橋在CRH2、CRH3動(dòng)車(chē)組以速度140～275 km/h通過(guò)時(shí)，動(dòng)力、拖車(chē)的豎向、橫向運(yùn)行平穩(wěn)性

均達(dá)到“優(yōu)”；C80貨車(chē)以速度60～120 km/h通過(guò)時(shí)，重車(chē)和空車(chē)的豎向和橫向運(yùn)行平穩(wěn)性均達(dá)到“優(yōu)”。

5　結(jié)語(yǔ)

(1)矮塔斜拉加勁連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)受力特征主要介于連續(xù)梁與矮塔斜拉橋之間，主要以主梁受力為主，斜拉索類(lèi)似連續(xù)梁的體外索，橋塔實(shí)際上是體外索的轉(zhuǎn)向塊。

(2)矮塔斜拉加勁連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)，由于采用矮塔斜拉加勁有效地降低了橋梁梁部建筑高度，增加了橋梁通透性，梁體輕巧、結(jié)構(gòu)新穎；同時(shí)又降低了線路縱斷面，減少了投資[15]。

(3)矮塔斜拉加勁連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)受力性能優(yōu)越，兼有連續(xù)梁和斜拉橋特點(diǎn)，其較大的剛度適用于鐵路橋梁的需要，提高了大跨度混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用途徑。

[1]何新平.矮塔斜拉橋的設(shè)計(jì)[J].公路交通科技，2004(4)：66-68.

[2]王伯惠.斜拉橋結(jié)構(gòu)發(fā)展和中國(guó)經(jīng)驗(yàn)(上冊(cè))[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3]王立峰，王子強(qiáng)，劉龍.大跨度矮塔斜拉橋溫度效應(yīng)分析[J].中外公路，2013(5):123-126.

[4]施新欣.矮塔斜拉橋的優(yōu)選設(shè)計(jì)方法[J].結(jié)構(gòu)工程師，2013(3):11-15.

[5]徐洪權(quán).矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)受力特性研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[6]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.3—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(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[7]劉文會(huì)，李雁，田鵬，等.矮塔斜拉橋橋塔高優(yōu)化分析[J].公路交通科技，2009(10)：82-86.

[8]王立峰，王子強(qiáng)，劉龍.大跨度矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析[J].中外公路，2013(3)：118-121.

[9]黃汪勝.大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁矮塔斜拉加固布索方式研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[10]何博文，王晟，顏東煌，陳星燁.矮塔斜拉橋索力與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力參數(shù)敏感性分析[J].中外公路，2015(1)：130-133.

[11]陳從春.混凝土矮塔斜拉橋經(jīng)濟(jì)特性研究[J].公路工程，2014(2)：132-134.

[12]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[13]周效國(guó)，鄒新祥，李年維.矮塔斜拉橋索梁錨固區(qū)空間有限元分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2014(4)：71-73.

[14]馬潤(rùn)平，衛(wèi)軍，高宗余.大跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋后期下?lián)显蚍治鯷J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2007(5)：51-54.

[15]徐岳，王亞君，萬(wàn)振江.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2000.

Design of the Main Bridge of Yuanjiang Extra Large Bridge on Huaihua-Shaoyang-Hengyang Railway

YIN Shu-jun

(Bridge Engineering Research and Design Institute， China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

The main bridge of Yuanjiang extra-long bridge is a low tower cable-stayed continuous beam composite structure on Huaihua-Shaoyang-Hengyang railway with span (90+180+90 m). The bridge is of fixed tower-beam system. This paper summarizes the design and calculation of superstructure. The beam is a concrete single cell box girder with varied section. The bridge towers are double-column and 28m high. The stay cable is a space double cable plane system in sector arrangement. The MIDAS Civil2006 and BDAP software are used for structure analysis of the main bridge. The results show that the static and dynamic performances of the bridge meet the requirements．

Railway bridge; Continuous beam; Bridge tower; Stay cable; Design; Static analysis; Dynamic response

2016-02-20；

2016-03-18

尹書(shū)軍(1978—)，男，高級(jí)工程師，2002年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，工學(xué)學(xué)士；2008年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，工程碩士，E-mail：574549087@qq.com。

1004-2954(2016)09-0068-03

U442.5+3

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.015