陳名歡

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

1 工程概況

新建鄭州至萬州鐵路河南段聯(lián)絡(luò)線特大橋為(32+138+138+32)m預(yù)應(yīng)力混凝土獨塔斜拉橋，跨鄭西高鐵。該橋為塔墩梁固結(jié)體系，為減小施工期間對既有鐵路運營的影響，主梁平行于既有線路支架現(xiàn)澆，然后平轉(zhuǎn)主梁至設(shè)計線位，再澆筑合龍段。

本橋橋位與鄭西高鐵斜交角度為17°，平面位于曲線半徑R=1 400 m曲線上，線路縱坡為29.1‰。為避免由于曲線引起的橋面加寬，梁部采用曲梁曲做形式。橋址平面示意如圖1所示。

圖1 橋址平面示意

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

線路情況：單線鐵路，有砟軌道。

設(shè)計速度：160 km/h。

設(shè)計活載：ZK活載。

線路信息：本橋平面位于曲線半徑R=1 400 m曲線，線路縱坡29.1‰。

橫向布置：橋面全寬11.0 m，斜拉索錨固在箱內(nèi)頂板梗斜下緣，橫向布置如圖2所示。

圖2 橋面橫向布置示意(單位：cm)

橋下凈空：橋下跨越既有鄭西高鐵，斜交角度為17°；梁底至鄭西高鐵軌頂最小距離為10 m，檢查小車高度控制在梁底以下1.5 m范圍之內(nèi)。

地震基本烈度：地震動峰值加速度為0.1g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s(地震基本烈度為7度)。

不均勻沉降：索塔基礎(chǔ)不均勻沉降按2.5 cm考慮，其他按1.5 cm考慮。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本橋跨越鄭西客專及省道，綜合考慮經(jīng)濟、安全、美觀，滿足功能性要求，合理的跨度及減小橋梁施工對既有線路的影響，采用(32+138+138+32) m預(yù)應(yīng)力混凝土獨塔斜拉橋[1-2]，全長341.5 m，先平行與鄭西客專支架現(xiàn)澆，再轉(zhuǎn)體至設(shè)計線位[3-4]。橋梁總體布置如圖3所示。

圖3 橋梁立面布置(單位：cm)

3.1 主梁

混凝土箱梁采用單箱雙室等高截面，截面全寬11 m，中跨中心處梁高2.5 m，邊跨中心處梁高3.0 m。普通截面分標(biāo)準(zhǔn)橫截面和加厚橫截面、隔板截面3種截面。標(biāo)準(zhǔn)橫截面頂板厚度為25 cm，底板厚度為30 cm，中腹板厚30 cm，斜底板厚25 cm；加厚橫截面頂板厚度為30 cm，底板厚度為30 cm，中腹板厚30 cm，斜底板厚30 cm；支點隔板截面頂板厚度為60 cm，底板厚度為60 cm，中腹板厚90 cm，斜底板厚60 cm，主梁標(biāo)準(zhǔn)橫截面如圖4所示。

圖4 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫截面(單位：cm)

底板在4 m范圍內(nèi)上抬1.39 m以減小風(fēng)阻力。拉索處設(shè)橫梁，橫梁厚度為0.5 m。主梁兩端底板上設(shè)進(jìn)人孔，每個箱室均設(shè)檢查孔，便于在箱內(nèi)對索梁錨固塊等進(jìn)行檢查與換索。底板上設(shè)截水槽、泄水孔，邊腹板與中腹板上設(shè)通氣孔。主梁采用C55混凝土，縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用標(biāo)準(zhǔn)強度fpk=1 860 MPa、φj15.2 mm高強度低松弛鋼絞線。

3.2 索塔及基礎(chǔ)

索塔采用鉆石型，橋面以上索塔采用倒“Y”形，橋面以下塔柱為獨柱型。塔底以上索塔全高為86.0 m，橋面以上塔高61.0 m，橋面以下塔高25.0 m，橋面以上塔的高跨比為1/2.262。索塔縱向?qū)挾葮蛎嬉陨现了斁鶠? m，橋面以下由6 m線性加寬至塔底10 m，索塔四角設(shè)30 cm×30 cm倒角。

上塔柱斜拉索錨固區(qū)橫橋向?qū)挾葹?.2 m，縱橋向6.0 m，采用單箱單室截面，順橋向壁厚1.0 m，橫橋向壁厚0.8 m。索塔錨固區(qū)設(shè)置縱、橫向預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋，“#”字形布置。中塔柱為兩分離式傾斜塔柱，傾斜度1∶7.7054。單箱單室截面，每柱橫橋向?qū)挾葹?.2 m，順橋向壁厚0.8 m，橫橋向壁厚0.9 m。下塔柱采用獨柱式。單箱單室截面，橫向?qū)挾扔?6.8 m漸變至13 m，順橋向尺寸由上端6.0 m漸變至10.0 m，順橋向壁厚1.0 m、橫橋向壁厚為1.5 m，底部設(shè)置3.5 m實體段。

中塔柱與下塔柱在塔梁交接處與主梁固結(jié)，組成塔墩梁固結(jié)體系，該區(qū)域采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，配置φs15.2 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨固于索塔外側(cè)壁上；索塔錨固采用側(cè)壁式錨固。橋塔布置及構(gòu)造如圖5所示。

圖5 橋塔布置及構(gòu)造(單位：cm)

地質(zhì)為第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q/4al+pl/)和上更新統(tǒng)沖洪積層(Q/3al+pl/)，主要地層為粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂和礫砂等。基礎(chǔ)采用21根φ2.20 m的鉆孔灌注樁，按摩擦樁設(shè)計，樁長99 m，最大沉降16.8 mm，縱、橫橋向剛度為4 670.0 kN/cm。

3.3 斜拉索

斜拉索采用符合《斜拉橋熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索技術(shù)條件》(GB/T18365—2001)、《橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲》(GBT 17101-2008)要求，公稱直徑φ7 mm，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強度1670 MPa、成品拉索彈性模量E=2.0×105MPa的Ⅱ級松弛鍍鋅平行鋼絲拉索。拉索空間雙索面體系，扇形布置，采用PES(C)7-151、PES(C)7-187、PES(C)7-211、PES(C)7-223、PES(C)7-241五種規(guī)格，全橋共22對拉索，斜拉索梁上間距12 m，塔上索距(錨點豎向間距)1.8～3.0 m。索梁采用齒塊錨固形式，拉索與索塔采用內(nèi)置式齒塊的錨固方式，張拉端設(shè)置在塔內(nèi)，斜拉索在梁端設(shè)外置式阻尼器以抑制風(fēng)雨振，并在其下端2.5 m高的范圍內(nèi)外包不銹鋼管。

3.4 轉(zhuǎn)動體系

轉(zhuǎn)動球鉸采用成套產(chǎn)品，其豎向承載力165 000 kN，橫向設(shè)置0.841 m偏心。球鉸主要由上球鉸、下球鉸、滑動摩擦板、銷軸、骨架組成。下轉(zhuǎn)盤施工時預(yù)埋球鉸、滑道定位骨架，下球鉸、滑道準(zhǔn)確定位后，澆筑下盤后澆混凝土。球鉸安裝須保證球冠水平，中心立管垂直。設(shè)計起轉(zhuǎn)牽引力為2×2 082.0 kN，設(shè)計轉(zhuǎn)動牽引力為2×1 249.1 kN。

3.5 主橋施工步驟

本橋下塔柱采用支架現(xiàn)澆施工，爬模施工中、上塔柱。索塔施工結(jié)束，沿鄭西客專進(jìn)行主梁現(xiàn)澆施工。先進(jìn)行主跨預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉，第一次調(diào)整索力至設(shè)計預(yù)訂狀態(tài)使梁體脫模，在合適的時機進(jìn)行主跨轉(zhuǎn)體并落梁；然后張拉邊跨預(yù)應(yīng)力鋼束，調(diào)整主梁與副主跨對齊，進(jìn)行中跨合龍施工；最后拆除邊跨支架，張拉剩余預(yù)應(yīng)力鋼束補張斜拉索。待橋面工程及附屬工程施工完畢，第二次調(diào)整成橋索力。

4 主橋結(jié)構(gòu)計算

4.1 有限元模型

圖6 主橋有限元模型

本橋采用Midas/Civil建立空間模型，進(jìn)行施工階段及運營階段分析，計算荷載包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件及附屬設(shè)備自重、預(yù)加力、收縮徐變、支座不均勻沉降、列車活載、列車豎向動力作用、離心力、橫向搖擺力、體系溫度、局部溫差等荷載；充分考慮結(jié)構(gòu)非線性效應(yīng)，斜拉索按Ernst公式考慮拉索垂度引起的彈性模量修正。主梁、索塔采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。本模型節(jié)點共282個，梁單元113個，桁架單元44個。主橋有限元模型如圖6所示。

4.2 荷載組合

(1)施工階段荷載組合

結(jié)構(gòu)自重+預(yù)應(yīng)力+收縮徐變+施工荷載。

(2)運營階段荷載組合

主力：恒載；恒載+活載(豎向活載、搖擺力)。

主力+附加力：恒載+活載+附加力(制動力、風(fēng)力、整體溫度、頂板溫度)。

4.3 主梁變形檢算

ZK靜活載作用下，單線靜活載撓度為103.1 mm，溫度撓度為25.2 mm。ZK靜活載撓度+0.5倍溫度荷載撓度為115.8 mm，撓跨比1/1 192；0.63倍靜活載撓度+全部溫度荷載撓度為90.2 mm，撓跨比1/1 530。

在靜活載作用下，梁體的豎向撓度滿足規(guī)范要求，不大于計算跨度的1/1 000；梁端轉(zhuǎn)角為-0.652‰rad，滿足規(guī)范要求不大于2‰rad；在搖擺力作用下，邊跨最大橫向位移為0.135 mm，跨中最大橫向位移為0.584 mm；在離心力作用下，邊跨最大橫向位移為0.371 mm，跨中最大橫向位移為3.085 mm；在風(fēng)力作用下，邊跨最大橫向位移為0.149 mm，跨中最大橫向位移為0.605 mm；在溫度力作用下，邊跨最大橫向位移為1.176 mm，跨中最大橫向位移為1.262 mm；在列車橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度變化的作用下，梁體最大水平位移5.536 mm，小于梁體計算跨度的1/4 000。考慮成橋運營1 500 d，徐變位移為-17.99 mm，滿足規(guī)范要求。

4.4 主梁及索塔受力檢算

按照《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》，主梁運營階段法向壓應(yīng)力、拉應(yīng)力、剪應(yīng)力、主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力檢算如表1所示，各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求[5-7]。

表1 運營階段主梁檢算結(jié)果

運營階段各鋼束最大拉應(yīng)力比σy/Ryj為0.588，滿足規(guī)范要求；ZK活載作用下鋼絞線最大應(yīng)力幅為65.1 MPa，小于140 MPa的容許值，疲勞荷載作用下鋼絞線應(yīng)力幅值滿足規(guī)范要求。

橋塔下塔柱及上塔柱受力均較小，中塔柱主力工況混凝土最大壓應(yīng)力為5.85 MPa，裂縫寬度為0.00 mm，鋼筋應(yīng)力為13.8 MPa；中塔柱主力+附加力工況混凝土最大壓應(yīng)力為6.09 MPa，裂縫寬度為0.01 mm，鋼筋應(yīng)力為16.47 MPa，混凝土應(yīng)力、裂縫寬度、鋼筋應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

4.5 斜拉索受力檢算

斜拉索除要求有較大的靜力安全系數(shù)外，還要求具有足夠的疲勞抗力[8-9]。本橋斜拉索強度安全系數(shù)不小于2.5；考慮斜拉索垂度變化、主梁撓度以及風(fēng)致震動引起的斜拉索撓曲力，跨中斜拉索疲勞活載應(yīng)力幅設(shè)計允許值取131 MPa，全橋斜拉索疲勞活載應(yīng)力幅按不大于130 MPa考慮；應(yīng)力變幅不超過250 MPa。斜拉索成橋應(yīng)力如圖7所示，應(yīng)力幅及應(yīng)力變幅如圖8所示。

圖7 斜拉索成橋應(yīng)力

圖8 斜拉索應(yīng)力幅及應(yīng)力變幅

由圖7、圖8可知，斜拉索最小安全系數(shù)為3.02，應(yīng)力幅為110.8 MPa小于130 MPa，應(yīng)力變幅為176.3 MPa小于250 MPa，斜拉索的安全系數(shù)、應(yīng)力幅、應(yīng)力變幅均滿足要求。施工階段，斜拉索安全系數(shù)最小值為3.54，滿足施工階段受力要求。

斜拉橋運營一定年限后，根據(jù)實際受力將會涉及換索，此時橋梁需滿足單線限速通行要求。與此同時，列車正常通行下斜拉索突然失效(斷裂)時，也要確保結(jié)構(gòu)和列車行車安全[10]。本設(shè)計考慮斜拉索斷索及換索特殊工況，其中斷索荷載組合：恒載+活載(單線列車正常行車)；換索荷載組合：恒載+活載(單側(cè)限速通行)。最不利荷載組合下，索塔及主梁應(yīng)力如表2所示，混凝土主梁和索塔的正應(yīng)力均在規(guī)范容許值范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。各種斷索工況下，斜拉索最小強度安全系數(shù)為2.8，大于安全系數(shù)2.5，均滿足要求。

表2 換索最不利組合下索塔及主梁應(yīng)力 MPa

注：表中應(yīng)力以拉為正，以壓為負(fù)。

4.6 索塔錨固實體分析

獨塔斜拉橋索塔錨固區(qū)受力復(fù)雜，為全橋受力關(guān)鍵位置，其構(gòu)造、配筋及受力特點與矮塔斜拉橋差異明顯[11-13]，對該部分進(jìn)行專門的優(yōu)化設(shè)計，采用MIDAS/FEA，建立索塔錨固區(qū)實體模型。依據(jù)圣維南原理，截取塔頂以下44.8 m范圍進(jìn)行實體有限元模型分析，從而避免邊界影響錨固區(qū)截面應(yīng)力分布和應(yīng)力結(jié)果的真實性。橋塔采用實體單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼束采用一維鋼筋單元模擬。空間有限元模型共89 471個節(jié)點，394 800個單元。整體坐標(biāo)系順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，有限元模型及縱橫向螺紋鋼束如圖9、圖10所示。

索塔錨固區(qū)實體計算分別考慮主+附+寒潮、主+附+日照、換索+寒潮、換索+日照這四種工況對應(yīng)的無預(yù)應(yīng)力狀態(tài)、有預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力分析、橫向應(yīng)力分析、最大主應(yīng)力、鋸齒塊局部應(yīng)力分析等幾種情況。計算分析對換索時機、錨固區(qū)域優(yōu)化設(shè)計、預(yù)應(yīng)力及普通鋼筋配置提供較強的理論及實踐依據(jù)，有效改善結(jié)構(gòu)受力，構(gòu)造合理，結(jié)構(gòu)安全可靠。

圖9 橋塔有限元模型

圖10 縱橫向螺紋鋼束布置

4.7 主橋穩(wěn)定性分析

本橋在施工難度大，涉及復(fù)雜的體系轉(zhuǎn)換，且跨越鄭西高鐵，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題突出。因此，開展主體結(jié)構(gòu)施工過程及成橋穩(wěn)定分析具有重要的理論及實踐意義[14-15]。施工期結(jié)構(gòu)失穩(wěn)狀況如表3所示；施工階段彈性屈曲失穩(wěn)狀況如在各計算工況下，結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定系數(shù)均遠(yuǎn)大于《公路斜拉橋設(shè)計規(guī)范》和《公路斜拉橋設(shè)計細(xì)則》中斜拉橋彈性穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)大于4的要求。穩(wěn)定系數(shù)整體表現(xiàn)為下降的趨勢，施工階段的最小穩(wěn)定系數(shù)發(fā)生于轉(zhuǎn)體階段，此時穩(wěn)定系數(shù)為36.5，本施工階段1階屈曲模態(tài)表現(xiàn)為主梁豎向彎曲。

在施工階段，結(jié)構(gòu)在無風(fēng)和有風(fēng)時，結(jié)構(gòu)的彈性穩(wěn)定系數(shù)變化很小，順橋向風(fēng)荷載作用下與無風(fēng)狀態(tài)下彈性穩(wěn)定系數(shù)基本一致，橫橋向風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的彈性穩(wěn)定系數(shù)有所減少，減小幅度均在2%以內(nèi)。

表3 施工階段1階彈性屈曲失穩(wěn)模態(tài)結(jié)果

在運營階段，在各計算工況下，結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定系數(shù)均遠(yuǎn)大于《公路斜拉橋設(shè)計規(guī)范》和《公路斜拉橋設(shè)計細(xì)則》中斜拉橋彈性穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)大于4的要求，安全富裕量大，如表4所示。

表4 運營階段彈性屈曲失穩(wěn)模態(tài)結(jié)果

在運營狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)在無風(fēng)和有風(fēng)時，彈性穩(wěn)定系數(shù)幾乎不變或者變化很小，減小幅度均在1%以內(nèi)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性主要是由恒載和列車荷載的分布形式?jīng)Q定。

5 動力分析

5.1 自振特性計算

采用Midas/Civil建立主橋動力有限元模型，將二期恒載轉(zhuǎn)換為質(zhì)量，主橋前10階自振頻率及振型如表5所示。

表5 主橋前10階自振頻率及振型特征

5.2 車橋耦合計算

高速鐵路有較高的行車舒適性要求，橋梁剛度控制，對變形要求較高。對本橋車橋耦合分析，模型計算了CRH3、E500通過橋梁時車橋系統(tǒng)空間動力響應(yīng)，列車編組及計算工況如表6所示[16]。

表6 列車編組計算工況

當(dāng)CRH3、E500以120～180 km/h速度通過該橋時，在計算工況下，橋梁的動力響應(yīng)均在容許值以內(nèi)，列車行車安全性滿足要求；列車豎、橫向振動加速度滿足限值要求；當(dāng)CRH3、E500以120～180 km/h(橋梁設(shè)計速度段)通過該橋時，列車乘坐舒適性均能夠達(dá)到“優(yōu)秀”標(biāo)準(zhǔn)，以180 km/h(檢算速度)通過該橋時，列車乘坐舒適性為“良好”標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 主橋抗震分析

本橋采用反應(yīng)譜和時程反應(yīng)進(jìn)行抗震分析，經(jīng)分析采用0.2g抗震支座，各項指標(biāo)均滿足《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，安全可靠。

6 結(jié)論

(1)采用(32+138+138+32) m獨塔斜拉橋形式，先平行于既有鐵路支架現(xiàn)澆主梁，再轉(zhuǎn)體至施工線位，最大限度減小對橋下既有高鐵的影響，保障凈空。

(2)本橋為大縱坡彎橋，整體受力、線形控制應(yīng)充分考慮縱坡、曲線半徑等結(jié)構(gòu)空間效應(yīng)和斜拉索的非線性和松弛等影響。

(3)高鐵獨塔斜拉橋與矮塔斜拉橋在結(jié)構(gòu)布置及受力性能方面呈現(xiàn)較大差異，對其設(shè)計需充分考慮二者力學(xué)行為特性；對于獨塔斜拉橋索塔細(xì)部及配筋優(yōu)化設(shè)計明顯改善結(jié)構(gòu)受力，為施工期及后期換索結(jié)構(gòu)受力合理提供有力保障。

(4)客運專線為保障行車舒適性，要求結(jié)構(gòu)剛度大，變形小。本橋結(jié)構(gòu)受力合理，剛度大，兼顧常規(guī)斜拉橋跨越能力優(yōu)勢的同時，能適應(yīng)客運專線大跨橋梁的發(fā)展需要，增大了該結(jié)構(gòu)體系的工程應(yīng)用范圍。

[1] 曾甲華，劉智春，陳裕民，等.轉(zhuǎn)體施工鋼箱梁獨塔斜拉橋設(shè)計[J].世界橋梁，2016，44(4)：11-15.

[2] 李巍，石振武，姜洪偉，等.寒區(qū)獨塔斜拉橋支架施工控制過程仿真分析[J].中外公路，2015，35(1)：122-125.

[3] 嚴(yán)國敏.現(xiàn)代斜拉橋[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1999.

[4] 張文才.轉(zhuǎn)體斜拉橋轉(zhuǎn)體體系施工技術(shù)與造價分析[J].鐵路工程造價管理，2010(11)：25-31.

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—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] 朱志營，齊成龍.鐵路橋梁正常使用極限狀態(tài)可靠度校準(zhǔn)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2015，59(1)：80-83.

[8] 劉士林，王似舜.斜拉橋設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2006.

[9] 殷志祥，高哲，馮瑤.車輛荷載作用下斜拉索疲勞可靠度分析[J].工業(yè)建筑，2017，47(6)：163-167.

[10] 張乃樂.大跨度鐵路斜拉橋換索方案設(shè)計與受力性能分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2017，61(4)：79-82.

[11] 尹書軍.懷邵衡鐵路沅江特大橋主橋設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2016，60(9)：68-70，78.

[12] 魯志強，陳松.大跨鐵路斜拉橋索塔環(huán)向預(yù)應(yīng)力布束方案計算比較研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2012(4)：74-79.

[13] 葉華文，李翠娟，徐勛，等.獨斜塔斜拉橋預(yù)應(yīng)力索塔錨固區(qū)模型試驗研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2014，49(1)：52-58.

[14] 吳大宏，王立中，張帥，等.津保矮塔斜拉橋空間分析研究[J].鐵道工程學(xué)報，2013，30(4)：56-60，119.

[15] 鄧曉光，盧志芳，李倩.三塔斜拉橋主梁節(jié)段施工非線性穩(wěn)定性分析[J].橋梁建設(shè)，2015，45(2)：116-121.

[16] 宋子威，楊利衛(wèi)，王德志.福平鐵路烏龍江(144+288+144)m部分斜拉橋主橋設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2017，61(11)：42-46.