卿仁杰

（廣州市南沙區(qū)建設中心 廣州511400）

1 工程概況

某跨鐵路大橋采用（40+88+252+88+40）m 半漂浮體系［1］雙塔鋼箱梁斜拉橋，如圖1 所示。大橋橋塔中穿橋面，為典型的獨柱塔寬幅橋面結構，采用轉體法施工，轉體半徑124 m，轉體重量1.8萬t。橋面按雙向八車道設計，寬度達44 m，局部46 m。大橋具有建設條件嚴苛、技術含量高、設計難度大、施工要求高等技術重難點。

圖1 大橋立面布置Fig.1 Elevation Layout of the Bridge（m）

2 建設條件

大橋跨越高速鐵路、普速鐵路、編組站股道等多條鐵路線，鐵路東側建筑物密布。場地地貌屬于長江沖積平原，為長江Ⅲ級階地前緣。工程區(qū)域屬亞熱帶季風性濕潤氣候，雨量充沛、日照充足，極端最高和最低氣溫分別為41.3℃、-18.1℃，年平均氣溫為16.7℃。

地表土層為種植土和粉質黏土，下伏白堊-下第三系泥質砂巖，三疊系泥質泥質砂巖、泥灰?guī)r、灰?guī)r、泥質灰?guī)r、炭質泥巖、鈣質泥巖等。

3 技術標準

道路等級為城市快速路，按雙向八車道設計，汽車荷載等級為城-A級［2］，設計時速60 km/h。

工程按7 度地震區(qū)設防，施工階段風速按30年一遇設計，橋梁轉體時風力不超過4級。

4 結構關鍵技術

4.1 結構體系

斜拉橋約束體系主要有全漂浮體系、半漂浮體系［3］和塔梁固結體系。

全漂浮體系斜拉橋在風力和制動力的作用下，產生的橋塔內力和位移、主梁位移均很大，由于本橋為多車道公路且轉體施工時塔梁需臨時固結，不推薦采用。其次，在下塔柱較低的情況下，塔梁固結體系會使得下塔柱產生過大的彎矩，給結構設計帶來不利影響，亦不推薦采用。

考慮到改善結構受力，設置豎向支座將有利于后期固結進行轉體施工，故推薦半漂浮體系。

4.2 橋塔形式及塔高的選擇

目前轉體斜拉橋橋塔形式可供選擇不多，主要有：獨柱形、H 形和A 形。各種橋塔在橋梁景觀上具有多樣性，結構受力上亦有其自身的優(yōu)勢。橋塔形式的選取要結合各橋建設條件和具體情況進行分析選用。由于橋址位于城區(qū)，工程附近有學校、住宅和城市道路，景觀性十分重要。城市橋梁在滿足功能需求的基礎上，美觀是確定結構形式的重要因素。

本橋橋塔與主梁的高寬比值較小，下橋塔必須內收便于轉體施工，橋塔采用H形塔或A形塔雖然合適，但由于塔高不高，塔形較為扁平，嚴重影響橋梁美觀，同時橋塔受力不合理，不推薦采用H形塔或A形塔。

從橋梁美觀的角度考慮出發(fā)，同時為盡量節(jié)省工程造價、降低轉體重量，推薦采用獨柱形混凝土橋塔方案，同時下塔柱取消橫梁構造，設置牛腿作為主梁豎向支撐和施工期的臨時固結平臺［4］，如圖2所示。

圖2 橋塔形式比選Fig.2 Comparison and Selection of Bridge Pylon Forms

橋塔構造示意如圖3 所示。橋塔高跨比一般為0.26～0.29，基于橋梁景觀性考慮，本橋橋塔高度在60～80 m（橋面以上）之間時，整體造型比較協(xié)調美觀。因此分別對60 m、70 m、80 m 的塔高（橋面以上）進行計算分析，各塔高情況下的主梁位移曲線如圖4所示。

⑴ 當塔高從60 m 提高到70 m，跨中撓跨比從1/888減少到1/1 057，減小幅度16%左右；當塔高從70 m提高到80 m，跨中撓跨比從1/1 057 減少到1/1 183，減小幅度10.6%左右。

⑵塔高增大對鋼箱梁的活載疲勞應力幅有所改善。當塔高70 m 時，鋼箱梁頂板、底板和橋塔應力峰值較小，塔高高度減少至60 m 或增加到80 m 時，鋼箱梁頂板、底板和橋塔應力峰值均會增加，說明塔高設置為70 m時，斜拉橋主梁和橋塔應力水平較好。

⑶隨著塔高的增加，拉索應力水平逐漸減小，同時活載應力幅也有所降低。但是塔高的增加將導致橋塔混凝土用量增大，當塔高從70 m 增加至80 m 時，橋塔混凝土數量增幅為589.6 m3（增幅約15%），進而增加工程造價。

綜上所述，70 m 塔高在主梁、橋塔受力及工程材料的節(jié)約等方面均較優(yōu)，結合拉索布置具體情況，本橋最終確定的塔高為72.5 m（橋面以上）。

圖3 橋塔構造示意圖Fig.3 Structural Diagram of Bridge Pylon（m）

圖4 各塔高情況下的主梁位移曲線Fig.4 The Displacement Curve of Main Beam at Each Pylon Heights

4.3 梁形式及梁高的選擇

斜拉橋主梁結構形式主要分為鋼箱梁［5］、混凝土梁以及鋼混組合梁。對于八車道橋面布置，橋面較寬，若采用混凝土截面，其橫向應力很難有效控制且施工質量很難保證。鋼混組合梁工藝復雜，需向鐵路局登記天窗點施工的次數多且時間長。考慮跨越鐵路橋梁施工便捷、對鐵路影響小，同時盡量降低轉體重量，推薦鋼箱梁做為主梁結構形式。

由于采用獨柱形橋塔，橋面寬且塔高較低，若采用斜拉索兩側布置的整幅鋼箱梁和分離鋼箱梁，斜拉索將會傾入行車道，同時分離鋼箱梁中央護欄區(qū)仍存在車輛或異物墜入橋下鐵路的危險，故鋼箱梁截面形式推薦中央索面整幅鋼箱梁（標準寬度42 m，上跨高鐵范圍兩側設置異物侵限監(jiān)測網拓寬為44 m），如圖5所示。

以結構力學性能和鋼材用量為優(yōu)化目標，初步選定3 種鋼箱梁梁高方案進行比選，其截面高度分別為3.0 m、3.3 m、3.5 m。

⑴隨著梁高的增加，主梁豎向剛度變大。當梁高由3.0 m 增大至3.3 m 時，跨中撓度減少17.1 mm，降幅6.67%；當梁高由3.3 m增大至3.5 m時，跨中撓度減小8.5 mm，降幅3.55%。

圖5 主梁標準橫斷面示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Standard Cross Section of Main Beam （cm）

⑵主梁梁高增大對鋼箱梁的活載疲勞應力幅有所改善，同時橋塔應力有所減小，但斜拉索應力增大，拉索用量增加。

⑶鋼箱梁梁高變大使得用鋼量增加，當梁高由3.0 m增加到3.3 m時，全橋鋼材用量增加1 919.8 t；當梁高由3.3 m增加到3.5 m時，全橋鋼材用量增加1 279.9 t。

因此，從結構受力狀態(tài)和工程經濟性綜合考慮，3.3 m 梁高方案對于主梁、索塔受力及工程材料的節(jié)約方面較優(yōu)，本橋梁高推薦采用3.3 m。

4.4 寬幅鋼箱梁剪力滯分析

寬幅鋼箱梁［6］剪力滯效應突出，為此特建立混合有限元空間模型進行寬幅截面的剪力滯［7］效應分析，混合有限元空間模型如圖6所示。

圖6 鋼箱梁剪力滯分析混合單元有限元模型Fig.6 Mixed Element Finite Element Model for Shear Lag Analysis of Steel Box Girder

⑴由于橋梁跨中活載效應較為明顯，而恒載效應較小可忽略，該區(qū)域需重點研究活載剪力滯效應。

⑵對于塔梁交匯區(qū)域，該區(qū)域為主梁承受最大軸力區(qū)域，同時活載效應也較大。故剪力滯效應需同時關注恒載和活載影響。

⑶對于輔助墩區(qū)域，該區(qū)域為主梁承受最大彎矩區(qū)域，恒、活載效應均很大。故剪力滯效應需同時關注恒載和活載影響。

各典型位置處的剪力滯系數匯總如表1所示。

表1 各典型位置處剪力滯系數Tab.1 Shear Lag Coefficient at Each Typical Location

4.5 塔梁臨時固定結構

在鋼箱梁與橋塔牛腿間設置8 個臨時固定結構（見圖7），臨時固定處設置臨時墊石，臨時墊石之上設置鋼底座，鋼底座與鋼箱梁栓接，鋼箱梁內設置加勁板；鋼底座與橋塔牛腿之間通過豎向預應力鋼絞線抵抗豎向上拔力；結合橫向抗風支座構成三向固定。施工過程考慮5年一遇風力、不平衡重量等因素，臨時固定結構抗傾覆安全系數為2.83，滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范：JTG 3362-2018》要求。

圖7 塔梁臨時固定裝置示意圖Fig.7 Schematic Ciagram of Temporary Fixing Device of Pylon Girder

4.6 大跨度跨鐵路橋梁防撞防拋體系研究

針對上跨高速鐵路及大型編組站防護要求，在主梁使用SS級+SX 級防撞墻的基礎上，對防拋網氣動性能進行研究，防撞防拋體系如圖8 所示。針對①網眼25 mm；②下部網眼5 mm、上部網眼25 mm；③網眼5 mm 三種方案進行風洞試驗研究，結果表明僅網眼25 mm 的情況下，主梁渦振幅值小于《公路橋梁抗風設計規(guī)范：JTG/T 3360-01-2018》［8］規(guī)定的允許值，其余方案均不滿足此規(guī)范要求。

圖8 大跨度跨鐵路橋梁防撞防拋體系Fig.8 Anti Collision And Anti Throw System of Long Span Railway Bridge（mm）

4.7 橋面鋪裝體系

圖9 鋼橋面ECO+SMA鋪裝體系Fig.9 Steel Deck ECO + SMA Pavement System

橋面采用ECO+SMA 組合的鋪裝體系，如圖9 所示。ECO 為改性聚氨酯混凝土，具有良好的抗拉強度，且配套的防水粘結材料可與橋面鋼板形成較大的粘結強度，最高可達16 MPa。ECO 改性聚氨酯鋪裝材料具有良好的防水、防滲透性能，抗高溫和低溫抗裂性能，還具有高耐磨性能，施工周期短，對環(huán)境要求低，攤鋪后即可快速開放交通，全壽命經濟性良好等優(yōu)點。該體系適合于夏季高溫炎熱、冬季低溫寒冷、潮濕多雨等氣候特點下的橋面鋪裝應用。

4.8 轉動體系

基于球鉸的姿態(tài)可調性、施工穩(wěn)定性等優(yōu)勢，大橋采用1.8萬t承載能力的鋼球鉸［9］，球體半徑10 m。

橋塔基礎上、下承臺分別作為轉動體系的上、下轉盤，轉體施工完成后，再將上下承臺封鉸并澆筑成一個整體。環(huán)形滑道、下球鉸、助推系統(tǒng)及反力座布置于下轉盤，撐腳及上球鉸布置于上轉盤。

4.9 抗風性能研究

根據大橋的結構特點和施工方法，需重點關注成橋運營節(jié)段的渦振性能以及施工期的風致振動響應。本橋進行了主梁節(jié)段模型試驗、轉體施工狀態(tài)和成橋狀態(tài)的氣彈模型試驗［10］。風洞試驗表明：施工期橋梁在均勻流場不同風攻角下主梁渦振鎖定區(qū)風速范圍較高，約為25.0～45.0 m/s，考慮橋位處風場存在一定的紊流度，橋梁渦振性能滿足文獻［8］的要求。

大橋施工和成橋狀態(tài)顫振穩(wěn)定性［11］、渦振性能均滿足文獻［8］的要求。

4.10 抗震性能研究

采用反應譜和時程分析2種方法，研究大橋在E1和E2 地震［12］作用下的抗震性能。計算表明，大橋滿足預期性能目標，各主要截面呈彈性工作狀態(tài)?；诳拐痱炈憬Y果，提出橋塔、橋墩和樁基關鍵截面的配筋率和配箍率指導進行設計優(yōu)化。

5 結語

該跨鐵路斜拉橋為國內外首座獨柱塔半漂浮體系鋼箱梁轉體斜拉橋，存在很多設計、施工難點。大橋解決了跨越高速鐵路及大型鐵路編組站的建設難題，創(chuàng)新提出了大跨度獨柱中央索寬幅鋼箱梁轉體斜拉橋方案及相應結構體系、關鍵構造，并針對上跨高速鐵路及大型編組站防護要求，結合風洞試驗研究成果，研制了大跨度上跨鐵路橋梁新型防撞防拋裝置。該橋的成功實施為我國跨線橋領域提供了新的思路。