劉濤

（中國鐵路設計集團有限公司，天津市 300251）

1 工程概況

四平市東豐路路上跨鐵路立交橋，為四平市城區(qū)南部貫穿城市東西方向的交通性主干路，道路在四平火車站南側(cè)跨越鐵路，自西向東依次跨過既有鐵路編組站、京哈鐵路上下行、規(guī)劃四梅線，共15條鐵路，道路與鐵路接近正交。

跨鐵路立交主橋結(jié)構形式采用獨塔單索面混合梁斜拉橋，跨徑布置為90 m+169 m，全長259 m，橋面總寬36 m。結(jié)構采用塔-梁-墩全固結(jié)體系，橋塔高75 m，為減少施工期間對鐵路運營安全的影響，斜拉橋設計采用轉(zhuǎn)體法施工。主橋立面布置見圖1。

圖1 主橋立面布置（單位：m）

2 主要技術標準

（1）道路等級：城市主干路。

（2）設計車速：50 km/h。

（3）橋梁設計荷載：跨鐵路孔1.3×城A級。

（4）橋梁寬度：雙向6車道，全寬 36 m（含拉索區(qū)）。

（5）橋梁結(jié)構的設計使用年限：100 a。

（6）橋區(qū)抗震設防烈度：6度，地震動峰值加速度0.05 g。

3 橋梁設計[1-3]

3.1 結(jié)構體系

為適應轉(zhuǎn)體施工的要求，斜拉橋結(jié)構采用塔-梁-墩全固結(jié)體系，由于采用轉(zhuǎn)體施工，在邊跨處不再設置輔助墩。

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3.2 主梁

主跨跨鐵路15股道，跨徑達到169 m，為適應施工要求，橋梁轉(zhuǎn)體過程中應形成自平衡體系。設計時對主梁采用鋼梁、混凝土梁和鋼-混凝土混合梁進行了比選：當采用2-169 m混凝土梁斜拉橋，轉(zhuǎn)體重量近5萬t，如此大的噸位給施工帶來較大困難；而采用2-169 m鋼梁斜拉橋，轉(zhuǎn)體重量僅2.5萬t，但工程造價較高；采用混合梁斜拉橋，可以用較小跨徑的混凝土梁來平衡主跨的鋼梁，跨徑為90 m+169 m，轉(zhuǎn)體重量與鋼梁相同，在經(jīng)濟性上甚至優(yōu)于混凝土梁。

斜拉橋邊跨全部采用預應力混凝土箱梁，跨鐵路主跨大部分采用了鋼箱梁，在主跨位置鋼箱梁和預應力混凝土箱梁連接處采用了鋼-混凝土結(jié)合段進行連接。主梁設計中心線處梁高為3.4 m，梁頂設1.5%的雙向坡，梁底水平。其中鋼箱梁全長157.5 m，預應力混凝土箱梁全長101.5 m，鋼-混凝土結(jié)合段設在主跨側(cè)，距橋塔中心11.5 m。

主梁全寬36 m，中心處梁高為3.4 m，梁頂設1.5%的雙向坡，梁底水平，主梁橫斷面布置見圖2。

圖2 主梁橫斷面（單位：m）

（1）鋼箱梁

鋼結(jié)構采用Q345qE，局部受力較大區(qū)段采用Q390qE，采用單箱7室斷面。標準段頂板厚16 mm，除局部范圍內(nèi)采用板式加勁外，其余均采用U型加勁肋加勁。標準段底板厚14 mm，除局部范圍內(nèi)采用板式加勁外，其余段均采用U型加勁肋加勁。全橋共設置8道腹板，其中錨腹板厚25 mm，標準段中腹板厚14 mm，并設置縱向及橫向加勁肋。橫隔板一般段厚度均為14 mm，拉索對應位置加強到20 mm，中支點、邊支點位置加強到28 mm。橫隔板標準間距為3 m，橫隔板需設置自身的縱、橫向加勁。鋼箱梁在12#墩外側(cè)支座最小反力較小，為防止出現(xiàn)梁端翹起及墩柱偏心受壓，考慮在中間4個箱室順橋向3 m范圍灌注壓重混凝土。

（2）預應力混凝土箱梁

預應力混凝土箱梁采用等截面預應力箱梁，采用 C50混凝土。頂板厚 0.3～0.6 m，底板厚0.25～0.6 m，腹板厚40～90 cm。墩位處及拉索區(qū)均設置橫梁，橫梁采用預應力混凝土結(jié)構。

（3）鋼-混凝土結(jié)合段

3.3 橋塔

斜拉橋主塔是主要的承重構件。主梁部分恒載及活載等作用均通過斜拉索傳遞到主塔，再由塔梁下部的基礎承受。橋塔全高75 m，塔身采用鋼-混凝土組合結(jié)構。主塔的外包鋼殼和鋼筋混凝土通過剪力釘組合成為整體而共同發(fā)揮作用，充分發(fā)揮了兩種材料的受力優(yōu)勢，它具有強度高、剛度大、延性好等特點。外包鋼殼在施工時既作為永久的受力結(jié)構又作為澆筑混凝土時的模板之用，在施工時節(jié)約模板及減少臨時結(jié)構、減少支模工序和縮短施工周期加快施工進度。

主塔橫斷面采用變截面橢圓形設計，其中塔腳截面長軸尺寸為7.3m，短軸尺寸為3.8m；塔頂截面長軸尺寸為9.709m，短軸尺寸為8m。鋼結(jié)構采用Q345qE材質(zhì)，下塔段外壁板厚度為25 mm，中塔段外壁板厚度為20 mm，上塔段外壁板厚度為12 mm，在塔壁內(nèi)側(cè)分別設置縱向及橫向水平加勁肋及剪力釘。

塔腳錨固段是索塔設計的關鍵部位，塔壁伸入梁體長度3 m，設置一定數(shù)量肋板，肋板開有圓孔，穿過鋼筋與混凝土包裹在一起，形成鋼筋混凝土柱剪力鍵。主塔利用鋼筋混凝土柱剪力鍵以及塔腳的底座形成傳力的主要構件，同時深入梁體的塔壁板內(nèi)外均設置了剪力釘作為輔助傳力元件。根據(jù)受力需要，塔腳位置還布置了一定數(shù)量的預應力鋼棒。

塔梁結(jié)合區(qū)立面見圖3。

圖3 塔梁結(jié)合區(qū)立面圖（單位：mm）

3.4 斜拉索及錨固體系

本橋斜拉索采用單索面雙排索布置，錨固區(qū)位于中央隔離帶。塔上斜拉索與主塔交點在豎直方向間距為2.1 m。主梁上水平方向索距為12 m（鋼梁段）及6 m(混凝土梁段)，斜拉索通過鋼錨箱與鋼梁連接，在混凝土梁底通過混凝土錨塊錨固。

水平索距由主塔中心左起為15m+11×6m+9 m，主塔一側(cè)無索區(qū)為15 m，邊墩無索區(qū)長度為9 m；水平索距由主塔中心右起為20 m+11×12 m+17 m，主塔一側(cè)無索區(qū)為20 m，邊墩無索區(qū)長度為17 m。全橋共有斜拉索24對、共48根。斜拉索采用單層PE防護單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線斜拉索體系，單根鋼絞線直徑15.2 mm，公稱抗拉強度1 860 MPa。

拉索采用鋼絞線拉索群錨體系（見圖4）。拉索與鋼箱梁的連接采用鋼錨箱構造形式，在混凝土梁上設置錨塊進行錨固。斜拉索在塔上的錨固方式采用新型拉索錨固體系，采用了基于分絲管索鞍的交叉錨固體系，該體系應用于實體橋塔具有以下優(yōu)點：（1）解決了傳統(tǒng)交叉錨體系構造復雜的問題；（2）徹底解決了拉索的抗滑問題；（3）可實現(xiàn)不同規(guī)格拉索的對錨；（4）可進行單根鋼絞線換索，檢測和維護方便快捷。

圖4 塔上新型拉索錨固體系

3.5 施工技術

為減少施工對鐵路運營的干擾，確保橋梁施工期間鐵路運營的安全，斜拉橋采用轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體部分跨徑布置為145 m+78 m=223 m。設計轉(zhuǎn)體總重量W為255 000 kN。作為轉(zhuǎn)體施工的關鍵結(jié)構，轉(zhuǎn)體支座設計承載能力350 000 kN，直徑為5 100 mm，高度為470 mm。轉(zhuǎn)體選用兩套600噸級以上連續(xù)牽引系統(tǒng)形成水平旋轉(zhuǎn)力偶，通過拽拉錨固且纏繞于直徑1 300 cm的轉(zhuǎn)臺周圍上的22s15.2鋼絞線，使得轉(zhuǎn)動體系轉(zhuǎn)動。

施工時，首先順鐵路采用支架拼裝（澆注）梁體，梁體、橋塔完成后拆除支架。然后對轉(zhuǎn)體結(jié)構進行稱重、配重，確保轉(zhuǎn)體結(jié)構平衡后進行轉(zhuǎn)體作業(yè)。最后施工20 m后焊段鋼梁以及12 m后澆段預應力混凝土箱梁，調(diào)整全橋索力，完成主橋施工。由于兩側(cè)跨徑相差較大，混合梁斜拉橋設計時需通過認真計算，并通過橋塔梁兩側(cè)防撞護欄、橋面鋪裝施工來確保轉(zhuǎn)體時橋體的平衡，必要時可設置縱向的偏心。

4 結(jié)構計算[4-6]

4.1 模型的建立

使用Midas Civil 2015對橋梁進行結(jié)構分析，建立整體模型（見圖5），按橋梁施工順序模擬施工流程。在模型中，主梁及橋塔的模擬均采用梁單元，斜拉索的模擬采用只收拉桁架單元，拉索與主梁、索塔之間的連接采用剛臂連接，主墩與塔、梁固結(jié)，連接處采用共節(jié)點的方式以模擬結(jié)構的固結(jié)狀態(tài)。全橋共分為542個單元，576個節(jié)點。

圖5 主橋有限元模型

4.2 靜力計算

經(jīng)計算，在施工過程中，鋼主梁最大壓應力為40.0 MPa，最大拉應力為5.0 MPa；預應力混凝土主梁最大拉應力為0.3 MPa，最大壓應力為9.9 MPa。

在運營階段，預應力混凝土主梁上、下緣不出現(xiàn)拉應力，短期組合下最小壓應力為0.67 MPa，標準組合下最大壓應力12.3 MPa。鋼主梁上緣最大壓應力為107 MPa，最大拉應力為34 MPa；下緣最大壓應力為115 MPa，最大拉應力為137 MPa。主塔等效鋼板最大正應力為124.2 MPa，最大剪應力為6.8 MPa。成橋狀態(tài)，主塔縱橋向最大位移86 mm，汽車荷載作用下鋼梁跨中最大下?lián)蠟?35.6 mm，混凝土梁跨中最大下?lián)蠟?1.7 mm。

4.3 整體穩(wěn)定性驗算

根據(jù)斜拉橋規(guī)范要求，斜拉橋彈性屈曲的結(jié)構穩(wěn)定安全系數(shù)應不小于4.0。本橋第一階彈性屈曲穩(wěn)定特征值為12.85，失穩(wěn)方向為主塔橫向失穩(wěn)，滿足規(guī)范要求。

4.4 抗震計算

考慮相鄰兩聯(lián)引橋的作用效應以及裝圖作用效應，建立抗震計算模型進行驗算。經(jīng)計算，在E1地震作用下橋墩、主塔均處于彈性工作范圍內(nèi)；在E2地震作用下橋墩、主塔均處于彈性工作范圍內(nèi)，強度滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

四平市某市政路上跨鐵路立交橋結(jié)構形式采用獨塔單索面混合梁斜拉橋，跨徑布置為90 m+169 m，全長259 m。該橋的設計有以下幾個特點：

（1）混合梁斜拉橋首次采用轉(zhuǎn)體施工方法，為道路跨鐵路提供了新的設計思路和理念。

（2）斜拉索在塔上的錨固方式采用鋼絞線在塔上通過集束鋼管貫通（索鞍）的新型錨固方式，改善了橋塔受力。

（3）主梁寬度與其長度相比明顯較寬，采用單索面作為主梁的支撐體系，且不設置輔助墩，空間受力效應明顯，因此主梁在偏載作用下的扭轉(zhuǎn)受力行為，包括扭轉(zhuǎn)對主梁縱、橫向受力的耦合影響，值得深入分析。

（4）橋塔外形采用橢圓形變截面鋼-混凝土組合結(jié)構，研究表明鋼混組合結(jié)構與鋼筋混凝土結(jié)構相比經(jīng)濟性效果顯著。