周岳武

（中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300308）

1 工程概況

潁上特大橋主橋為商合杭高鐵重點、難點和控制性工程，采用（94.2+220+94.2）m 矮塔斜拉橋跨越潁河。橋位處于安徽省西北部的潁上縣境內(nèi)，淮北平原南部，西北與阜陽市區(qū)相連。橋址處河道彎曲，寬約370 m，其中主槽寬度約220 m，河堤為土堤，堤上邊 坡有片石鋪砌，兩側(cè)河岸大堤邊灘內(nèi)種有樹木和植被。

跨越潁河地段由河漫灘及河床組成，地形平坦開 闊，略有起伏。地層局部覆蓋第四系全新統(tǒng)人工堆積層填筑土及素填土，各地層主要為粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、粉砂、細(xì)砂及中砂，基本承載力120～400 kPa。歷年各月極端最高氣溫和極端最低氣溫分別為41.4、-20.4 ℃；歷年最熱月平均氣溫和最冷月平均氣溫分別為27.8、0.8 ℃。地震烈度Ⅵ度，地震動峰值加速度0.050g，地震安評動峰值加速度為0.095g。

主橋采用（94.2+220+94.2）m 矮塔斜拉橋，立面布置見圖1。梁部采用掛籃懸臂澆筑法施工。潁上特大橋已于2019 年11 月1 日建成通車，為目前我國已建成的最大跨度無砟軌道矮塔斜拉橋。

圖1 主橋立面布置

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）線路等級：客運專線；

（2）軌道類型：無砟軌道；

（3）正線數(shù)目：雙線；

（4）曲線半徑：直線；

（5）牽引類型：電力牽引；

（6）橋上坡度：平坡；

（7）設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)：ZK荷載；

（8）設(shè)計流量：5 200 m3/s；

（9）設(shè)計最高時速：350 km；

（10）設(shè)計使用年限：100年。

2.2 結(jié)構(gòu)體系

采用半漂浮體系，主梁在橋塔橫梁和邊墩處均設(shè)置單向或雙向活動支座，縱向不設(shè)固定支座。橋塔采用縱向A 形空間桁架結(jié)構(gòu)，每個塔上布置2 排中支座，縱向間距11.7 m。中支座兼有運營工況縱向限位功能，正常運營工況位移量±150 mm，地震位移量±100 mm，總位移量±250 mm，縱向限位擋塊后加工、安裝，在保證設(shè)計位移量的同時，確保梁體往同一方向移動時8個支座的限位擋塊能同時受力。邊支點設(shè)置雙向活動拉壓支座和橫向限位裝置。

橋塔和梁之間對應(yīng)每個中支座各設(shè)置1套內(nèi)置硅油液體粘滯阻尼器，全橋共8套，阻尼器滿足F=CVα的本構(gòu)關(guān)系，其中C取4 000 kN·（s/m）0.3，設(shè)計最大阻尼力F=3 500 kN，設(shè)計最大速度為0.641 m/s。主梁與橋塔橫梁中心間設(shè)置屈服力為2 500 kN 的鋼阻尼作為橫向防落梁措施。主橋支撐體系見圖2。

2.3 梁部結(jié)構(gòu)

主梁采用直腹板單箱雙室混凝土箱梁，梁高6.5～11.5 m，中支點梁高與主跨比為1/19.13，跨中梁高與中支點梁高比為1/1.77。邊支點等高段長7 m，中支點等高段長16 m，跨中等高段長44 m，變高段長80 m，按照二次拋物線變化。箱梁頂寬14.1 m、底寬11.6 m，為方便梁體自由變形，中支點14.1 m 范圍取消懸臂。主梁中間無索區(qū)長46.2 m。

箱梁頂板厚0.45 m，中支點局部加厚到1.00 m；底板厚度從跨中0.52 m 按照二次拋物線變化至中支點1.20 m，中支點局部加厚至1.80 m；中跨腹板厚0.50～0.62～0.90 m，邊跨腹板厚0.70～0.90 m，按折線變化。全聯(lián)在端支點、中支點、跨中處共設(shè)置7道橫隔板，斜拉索錨固點位置設(shè)0.8 m 寬的橫梁，以提高主梁截面的整體性。為增加邊跨質(zhì)量，邊支點隔板厚4.0 m，中支點隔板厚3.0 m，跨中隔板厚0.8 m。

圖2 主橋支撐體系布置

2.4 橋塔結(jié)構(gòu)

采用縱向A形、空間桁架式橋塔，塔底縱向雙肢間距16.000 m，梁頂位置間距8.895 m，壁厚3.0 m。索塔采用橫橋向單側(cè)圓端形截面，支座橫梁以上橫橋向?qū)?.5 m，支座橫梁以下橫橋向?qū)?.65 m。塔全高66.5 m，橋面以上高35.0 m，橋面以上塔高與主跨比為1/6.29。

索塔設(shè)下支座橫梁和上橫梁，下支座橫梁高5.5 m、寬3.0 m，上橫梁高3.0 m、寬4.0 m，在支座橫梁處設(shè)2 m高縱向弱聯(lián)系梁，罕遇地震工況，縱向弱聯(lián)系梁允許發(fā)生可修復(fù)破壞。橋塔橫斷面見圖3。

2.5 斜拉索及索鞍

斜拉索橫向為雙索面布置，立面為半扇形布置。每個索塔設(shè)8對斜拉索，塔上索距1.5 m，梁上索距約8.0 m。斜拉索通過索鞍構(gòu)造在索塔內(nèi)通過，兩側(cè)對稱錨固于梁體。索體采用環(huán)氧涂層高強鋼絞線，規(guī)格為15.2-55，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa，允許疲勞應(yīng)力幅140 MPa。斜拉索錨頭外露鋼部分涂抹油性密封蠟。斜拉索采用雙層HDPE外護(hù)套，外護(hù)套采用白色，表面設(shè)雙螺旋線。

斜拉索梁端安裝內(nèi)置式高性能阻尼器，利用高阻尼橡膠來耗能減振，提高斜拉索抗振能力。每根斜拉索在梁面張拉端設(shè)3臺磁通量傳感器，用于運營過程中監(jiān)測斜拉索索力。

索鞍采用分絲管形式，每根斜拉索對應(yīng)1個分絲管索鞍，分絲管為多根鋼管組焊而成，每根分絲管僅穿1根鋼絞線，以便斜拉索單根張拉及更換。索鞍兩側(cè)斜拉索通過邊跨單側(cè)雙向抗滑錨固裝置實現(xiàn)抗滑的目的，每單根斜拉索需滿足5 t不平衡索力的抗滑要求。

圖3 橋塔橫斷面

2.6 基礎(chǔ)設(shè)計

每個橋塔采用36 根φ2 m 的鉆孔樁基礎(chǔ)，樁長102 m，承臺厚6 m，基坑開挖時采用鋼板樁圍堰防護(hù)。

2.7 計算指標(biāo)

采用MIDAS 建立全橋空間模型，斜拉索采用只受拉桁架單元，其余均采用梁單元，基礎(chǔ)按照計算剛度的0.5～2.0倍包絡(luò)計算，MIDAS空間計算模型見圖4。

靜活載作用下，中跨撓度74.9 mm，邊跨撓度7.8 mm，撓跨比分別為1/2 937 和1/12 076，梁端轉(zhuǎn)角0.33‰。中跨最大徐變變形-2.0 mm，邊跨最大徐變變形-1.4 mm。溫度荷載作用下主梁跨中最大變形14.8 mm。

圖4 MIDAS空間計算模型

斜拉索最小安全系數(shù)2.0，最大活載應(yīng)力幅48.0 MPa。主梁、橋塔等結(jié)構(gòu)受力均滿足規(guī)范要求。

成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)動力特性見表1。

表1 成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)動力特性

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 采用合理結(jié)構(gòu)體系

潁上特大橋上游約70 m 處為既有滁新高速公路（60+100+60）m連續(xù)梁橋，根據(jù)通航論證和防洪評價要求，主跨跨度需220 m。主橋采用（94.2+220+94.2）m半漂浮體系矮塔斜拉橋，2個主墩與公路連續(xù)梁邊墩對應(yīng)，邊跨跨越沙潁河大堤。溫度跨度為204.2 m，滿足軌道專業(yè)不設(shè)置軌道溫度調(diào)節(jié)器的要求，以減少后期養(yǎng)護(hù)維修工作并改善行車條件。

由于橋墩較矮，相比同溫度跨度的剛構(gòu)體系，采用半漂浮體系，跨中溫度變形減小49%，基礎(chǔ)彎矩減小69%，結(jié)構(gòu)受力更為合理，2種體系的溫度變形及基礎(chǔ)彎矩對比見表2。

表2 2種體系溫度變形及基礎(chǔ)彎矩對比

同時相較于塔梁固結(jié)、塔墩分離體系，半漂浮體系的主塔對主梁的約束作用相對更強，因此在相同預(yù)應(yīng)力和斜拉索布置下，其殘余徐變更小。

3.2 大跨度無砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土梁溫度及徐變控制技術(shù)

潁上特大橋鋪設(shè)無砟軌道，為提高運營階段行車舒適性，必須嚴(yán)格控制主梁溫度變形及徐變變形。

（1）合理選擇矮塔斜拉橋斜拉索安全系數(shù)。設(shè)計優(yōu)化過程中，當(dāng)斜拉索規(guī)格從15.2-91 減小至15.2-73時，主梁跨中溫度變形相應(yīng)減小3 mm。減小斜拉索規(guī)格（面積），索梁溫差作用下斜拉索內(nèi)力減小，從而能減小主梁的溫度變形。因此采用合適的斜拉索安全系數(shù)尤為重要，既能充分發(fā)揮斜拉索對主梁的貢獻(xiàn)，又能減小溫度荷載作用下斜拉索對主梁豎向變形的影響。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［1-4］，矮塔斜拉橋（或部分斜拉橋）和斜拉橋可通過斜拉索承擔(dān)豎向荷載比與斜拉索疲勞應(yīng)力幅2 個指標(biāo)來區(qū)分，當(dāng)斜拉索承擔(dān)豎向荷載比≤30%且斜拉索疲勞應(yīng)力幅≤50 MPa時為矮塔斜拉橋，否則是一般斜拉橋。

應(yīng)力幅大小是決定拉索容許應(yīng)力的主要因素，矮塔斜拉橋活載索力由結(jié)構(gòu)剛度分配，斜拉索的疲勞應(yīng)力幅與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。由于矮塔斜拉橋梁體剛度較大，斜拉索應(yīng)力幅較小，斜拉索的容許應(yīng)力可提高至0.55fpk，即安全系數(shù)1.82。

根據(jù)調(diào)研資料［5-10］，國內(nèi)外已建成的部分斜拉橋斜拉索安全系數(shù)多為1.67～2.50；綜合考慮受力、溫度變形和經(jīng)濟性，建議高速鐵路矮塔斜拉橋斜拉索的安全系數(shù)取2.0左右。

（2）采用縱向A 形、空間桁架式橋塔。橋塔采用縱向A 形空間桁架式結(jié)構(gòu)，每個橋塔上布設(shè)2 排支座。對1 個主塔縱向設(shè)單排支座和設(shè)雙排支座進(jìn)行分析比選，其中雙排支座縱向間距11.0 m。采用雙排支座，中跨跨中豎向溫度變形減小9.5 mm，殘余徐變減小8.4 mm，且運營工況邊支點最小反力增加約4 000 kN。

主墩設(shè)2排支座后，一方面適當(dāng)降低了主梁的計算跨度，另一方面橋塔邊跨側(cè)的支座對主梁的豎向變形具有抑制作用，因此徐變、溫度變形、邊墩支座反力均較單排支座更優(yōu)。

同時采用A 形、空間桁架式橋塔有效減小橋塔承臺厚度，優(yōu)化下部結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（3）分批加載二期恒載，二次張拉斜拉索。施工時防護(hù)墻、豎墻、遮板、蓋板和欄桿等與無砟軌道板結(jié)構(gòu)無關(guān)的二期恒載先施工，再進(jìn)行部分底板預(yù)應(yīng)力張拉和斜拉索二次調(diào)索，隨后立即鋪設(shè)無砟軌道板，能有效減小預(yù)應(yīng)力混凝土大跨結(jié)構(gòu)殘余徐變，并避免斜拉索二次張拉對橋面無砟軌道線形的影響。

需要說明的是，如果斜拉索二次張拉后，主梁空載停梁時間過長，在軌道板加載前，主梁可能發(fā)生向上變形，計算的殘余徐變值反而更大。

3.3 減小不平衡索力差技術(shù)

為滿足溫度跨度需求，潁上特大橋邊跨只有94.2 m，邊中跨比僅為0.43∶1，較常規(guī)值偏小，中跨有5個不平衡節(jié)段，因而橋塔兩側(cè)斜拉索不平衡索力差相對更突出，為減小成橋后兩側(cè)不平衡索力，改善橋塔和基礎(chǔ)受力，設(shè)計中主要采取如下措施：

（1）增加邊跨腹板和邊支點隔板厚度，通過結(jié)構(gòu)質(zhì)量調(diào)整。

（2）斜拉索索鞍抗滑鍵安裝后立即鎖定，采用兩側(cè)不平衡二次調(diào)索力。

（3）提高索鞍單側(cè)雙向抗滑錨固裝置的抗滑能力，每對斜拉索的抗滑錨固裝置能滿足275 t 不平衡索力的抗滑要求。

4 車橋耦合分析

對橋梁在CRH2、CRH3 型動車組作用下的車橋空間耦合振動進(jìn)行分析，軌道不平順采用德國低干擾譜，將全橋溫度變形曲線疊加到軌道高低不平順中考慮溫度對橋上線路不平順性的影響，研究表明：

（1） CRH2、CRH3 型動車組以速度 180～420 km/h通過（94.2+220+94.2）m 矮塔斜拉橋時，動車與拖車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi)，保證了高速列車的行車安全。

（2） CRH3 型動車組以速度 180～420 km/h 通過（94.2+220+94.2）m 矮塔斜拉橋時，豎向和橫向舒適性均達(dá)到“優(yōu)”。CRH2 型動車組以速度 180～420 km/h 通過（94.2+220+94.2）m 矮塔斜拉橋時，豎向舒適性達(dá)到“優(yōu)”；橫向舒適性在車速180～375 km/h 時達(dá)到“優(yōu)”“良”，車速400～420 km/h時為“合格”。

5 結(jié)束語

商合杭高鐵（94.2+220+94.2）m 矮塔斜拉橋具有如下創(chuàng)新點：

（1）采用半漂浮體系，結(jié)構(gòu)受力合理，且滿足無砟軌道溫度跨度的要求，避免設(shè)置軌道溫度調(diào)節(jié)器，減少后期養(yǎng)護(hù)維修工作并改善行車條件。

（2）橋塔采用縱向A 形、空間桁架結(jié)構(gòu)，單塔縱向布置雙排支座，能同時減小梁體溫度荷載下的豎向變形和殘余徐變變形，提高列車運行舒適性。

（3）選用合理的斜拉索安全系數(shù)，減小索梁溫差下的主梁變形。

（4）施工部分橋面附屬后再進(jìn)行底板部分預(yù)應(yīng)力張拉和斜拉索二次調(diào)索，隨后立即鋪設(shè)無砟軌道板，有效減小大跨預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)殘余徐變。

隨著高速鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋應(yīng)用會越來越廣泛，相關(guān)研究成果可為類似工程提供參考借鑒。