謝遠(yuǎn)超

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

1 工程概況

杭紹臺(tái)鐵路是我國(guó)第一條民營(yíng)資本控股的高速鐵路項(xiàng)目，鐵路跨越椒江主航道采用了(84+156+480+84+156) m四線鋼桁斜拉橋[1](圖1)，是全線關(guān)鍵重點(diǎn)工程。椒江特大橋跨越椒江，航道標(biāo)準(zhǔn)為Ⅳ級(jí)航道，椒江特大橋主跨跨越習(xí)慣性航跡線。

椒江特大橋主跨480 m創(chuàng)四線純高速鐵路橋梁主跨之最。該橋采用有砟軌道，設(shè)計(jì)速度250 km/h，預(yù)留300 km/h行車條件[2]。主橋結(jié)構(gòu)為雙塔雙索面鋼桁斜拉橋，半漂浮體系，其中主梁為正N形雙主桁，桁高14 m，桁寬24.3 m；斜拉索共60對(duì)，采用鋅鋁合金平行鋼絲索；主塔為下塔柱內(nèi)縮的花瓶形混凝土橋塔，塔高190 m；基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，最大樁徑2.5 m，最長(zhǎng)樁長(zhǎng)123 m。

圖1 椒江特大橋主橋橋型布置(單位：m)

2 橋塔塔形比選

橋塔是斜拉橋主要受力構(gòu)件，斜拉橋上部結(jié)構(gòu)荷載通過主塔傳遞至基礎(chǔ)，采用不同的橋塔塔形，橋塔受力特點(diǎn)相應(yīng)變化，且橋塔是表達(dá)斜拉橋特色和視覺效果的主要結(jié)構(gòu)物，其外形設(shè)計(jì)在全橋的景觀設(shè)計(jì)中尤為重要[3-5]。故塔形的選擇不僅與結(jié)構(gòu)受力、工程造價(jià)、橋址處風(fēng)速、地震等建橋條件密切相關(guān)，還往往受基礎(chǔ)形式、施工難度以及景觀效果的制約。

目前，橋塔的主要形式有A形、倒Y形、H形、鉆石形和優(yōu)化的花瓶形等主要塔形，如圖2所示。

圖2 塔形方案

從主塔受力而言，A形、倒Y形橋塔傳力路徑明確清晰，但下塔柱橫橋向向外擴(kuò)張，基礎(chǔ)規(guī)模較大。當(dāng)兩肢下塔柱距離較遠(yuǎn)時(shí)，其基礎(chǔ)平面形狀可設(shè)計(jì)成“啞鈴形”平面尺寸，但是要克服啞鈴之間連接結(jié)構(gòu)的拉力，同時(shí)也增加了圍堰數(shù)量，增加了設(shè)計(jì)和施工的難度。H形塔是比較傳統(tǒng)的橋塔形式，主要優(yōu)點(diǎn)在于塔柱豎直，造型簡(jiǎn)潔便于施工，斜拉索為平行索面，但基礎(chǔ)規(guī)模相對(duì)鉆石形橋塔較大。

鉆石形塔斜拉索為空間索面，索、塔之間的空間立體感增強(qiáng)，具有較好的穩(wěn)定性、抗扭剛度和抗風(fēng)性能，可以適應(yīng)雙索面及三索面的布置形式。下塔柱橫向內(nèi)縮，基礎(chǔ)規(guī)模較小，節(jié)省工程造價(jià)，減小基礎(chǔ)施工難度。

優(yōu)化的花瓶形塔結(jié)合了傳統(tǒng)H形塔和鉆石形塔的優(yōu)點(diǎn)，下塔柱內(nèi)縮以減小基礎(chǔ)規(guī)模，降低深水基礎(chǔ)施工難度，節(jié)省造價(jià)，豎直的上塔柱及平行索面減小高空作業(yè)施工難度，通過塔柱棱角及橫梁曲線的勾勒，使得塔形簡(jiǎn)潔大氣而又不失優(yōu)美。

由于該橋主塔位于深水區(qū)，為盡量減小深水基礎(chǔ)的規(guī)模，從降低造價(jià)和施工難度等方面考慮，宜采用鉆石形或優(yōu)化的花瓶形橋塔，見圖3。

圖3 橋塔景觀造型方案

對(duì)花瓶形橋塔及鉆石形橋塔方案進(jìn)行對(duì)比，主要結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 塔形方案比較

兩種塔形方案混凝土最大壓應(yīng)力、跨中靜活載撓度及橋塔混凝土用量均較為接近，考慮花瓶形橋塔上塔柱豎直可簡(jiǎn)化模板便于施工，經(jīng)綜合比較，從受力合理、造價(jià)適宜、施工簡(jiǎn)便和景觀優(yōu)美等方面考慮，主塔塔形推薦采用花瓶形塔。

3 塔高比選

斜拉橋塔高是斜拉橋整體高度的控制因素，合理確定塔高，不僅具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義，還有減小施工難度、降低施工風(fēng)險(xiǎn)等作用。

針對(duì)該四線鐵路橋不同塔高進(jìn)行計(jì)算研究，比較塔高180，190，200，210，220 m等5種方案。針對(duì)不同塔高方案，比較中跨活載撓度、拉索、主桁軸力、主塔反力等各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，主要結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 不同塔高計(jì)算結(jié)果對(duì)照

隨著塔高的增大，橋梁整體剛度增大，中跨靜活載撓度減小，拉索及主梁受力相應(yīng)改善，但主塔及基礎(chǔ)受力增大。主塔和基礎(chǔ)的橫向彎矩隨著塔高增大而增大，縱向彎矩反而減小。

可見隨著塔高的增大，主塔和基礎(chǔ)的工程量隨著增大，但主梁和斜拉索的工程量隨著塔高增大而減小。綜合全橋考慮，本橋塔高采用190 m，本橋橋面以上至最高理論錨固點(diǎn)高為118.5 m，與主跨比例為0.25，為正常比例。

4 橋塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋塔為下塔柱內(nèi)縮的花瓶形混凝土塔，由塔座、下塔柱、中塔柱、上塔柱、下橫梁、上橫梁六部分組成，塔高(從塔座頂面算起)為190 m，塔內(nèi)設(shè)檢修平臺(tái)、爬梯及電梯等相關(guān)附屬。橋塔順橋向?qū)挾葹?～14 m。橋塔側(cè)面距離塔底15.5 m及以上布置有直徑10 cm、間距3 m的通風(fēng)孔。塔柱四角均設(shè)倒角，橫橋向內(nèi)側(cè)設(shè)置80 cm×80 cm的倒直角，橫橋向外側(cè)設(shè)置160 cm×80 cm的倒直角。在塔壁內(nèi)設(shè)置型鋼骨架。塔座、塔柱外表面混凝土保護(hù)層內(nèi)布置有一層φ10 mm，間距10 cm的帶肋焊接鋼筋網(wǎng)片。橋塔結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 橋塔結(jié)構(gòu)(單位：cm)

4.1 塔柱

塔座高4 m，頂面順橋向?qū)?7 m，橫橋向?qū)?2 m，底面順橋向?qū)?1 m，橫橋向?qū)?6 m。

下塔柱高44.5 m，考慮通航防撞需要，塔柱下端為實(shí)體段，高度12 m，順橋向?qū)?1.89～14 m，下塔柱水平橫橋向?qū)?.52～10 m，采用單箱雙室截面，順橋向塔壁厚度為1.2 m，中隔板厚0.8 m，橫橋向塔壁厚度為1.2 m，在根部及與下橫梁交界范圍內(nèi)壁厚局部加厚。

中塔柱高82.0 m，順橋向?qū)?.0～11.89 m，橫橋向?qū)?.5 m，采用單箱單室截面，順橋向塔壁厚度為1.2 m，橫橋向塔壁厚度為1 m，在中塔柱頂、底部?jī)?nèi)壁厚局部加厚。中塔柱在橋面處設(shè)有1.8 m×1.2 m進(jìn)人孔，電力管線從該處通過。

上塔柱高63.5 m，順橋向?qū)? m，橫橋向?qū)?.5 m，采用單箱單室截面，順橋向塔壁厚度為1.5 m，橫橋向塔壁厚度為1 m，在底部?jī)?nèi)壁厚局部加厚。塔頂部設(shè)有人孔。

4.2 橫梁

下橫梁高7.5 m，與塔柱相交位置局部加厚，橫橋向長(zhǎng)42.0 m，順橋向?qū)?.2 m，采用單箱雙室截面，頂、底板厚度為0.8 m，腹板厚度為1.0 m，在支點(diǎn)位置設(shè)有2.0 m厚的橫隔墻，每塔下橫梁共有2道支點(diǎn)隔墻。下橫梁頂面布置有支承墊石及阻尼器錨固塊。橫梁考慮排水需要，梁頂均設(shè)2%雙面人字坡。下橫梁布置有82束22-φ15.2 mm鋼絞線。

橋塔上橫梁高6～10.43 m，橫橋向長(zhǎng)29.8 m，順橋向?qū)? m，采用單箱單室截面，頂、底板厚度為0.8 m，腹板厚度為0.8 m。上橫梁布置有34束22-φ15.2 mm鋼絞線。

4.3 基礎(chǔ)

主塔基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)[6]，均按摩擦樁設(shè)計(jì)?；A(chǔ)設(shè)置單層圓端形承臺(tái)，承臺(tái)長(zhǎng)48.966 m、寬32.224 m、厚6.0 m，樁基采用42根φ2.5 m的鉆孔灌注樁，梅花形布置。樁基布置見圖5。

圖5 橋塔基礎(chǔ)平面(單位：cm)

本橋位處地質(zhì)條件較差，根據(jù)地質(zhì)資料，橋塔基礎(chǔ)土層主要為淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、細(xì)圓礫土、凝灰?guī)r等土層，上部土層較弱，存在較厚的軟弱土層。為滿足承載力及沉降值要求，選用強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r作為持力層。由于巖層縱橫向存在傾斜，為使樁尖都落在基本承載力為500 kPa的強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r上，橋塔下的樁基采用了不等長(zhǎng)樁，小里程橋塔樁長(zhǎng)為114～116 m，大里程橋塔樁長(zhǎng)為115.5～123 m。

4.4 索塔錨固

經(jīng)受力及經(jīng)濟(jì)性比較，索塔錨固采用齒塊錨，斜拉索塔端錨固在塔壁內(nèi)側(cè)的齒塊上，并在塔壁內(nèi)布置環(huán)向預(yù)應(yīng)力束。

由于主塔截面較小，井字形布束在保證上下層螺旋筋不干擾時(shí)容易造成縱、橫向預(yù)應(yīng)力束豎向間距過大，導(dǎo)致預(yù)埋導(dǎo)管之間的區(qū)域配不下足夠的預(yù)應(yīng)力束，故采用環(huán)形配束方案。每層環(huán)向束布置內(nèi)外側(cè)兩束，相鄰層錨固區(qū)交錯(cuò)布置，上塔柱斜拉索錨固區(qū)塔壁內(nèi)、外側(cè)分別布置17-φ15.2 mm、19-φ15.2 mm環(huán)形鋼絞線。

4.5 耐久性設(shè)計(jì)

椒江特大橋橋址處距離下游入海口約10.5 km，為感潮河段，為確保結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用壽命年限內(nèi)的正常使用功能，對(duì)橋塔進(jìn)行以下耐久性設(shè)計(jì)。

提高混凝土等級(jí)；增大最外層鋼筋凈保護(hù)層厚度；塔柱外表面設(shè)有φ10 mm的帶肋防裂鋼筋網(wǎng)片；受環(huán)境侵蝕性影響的墩身部位，采用硅烷浸漬防護(hù)作為附加防護(hù)措施；樁基施工用的鋼護(hù)筒予以保留；優(yōu)化混凝土配合比，以使混凝土的電通量、氯離子擴(kuò)散系數(shù)等指標(biāo)滿足耐久性規(guī)范的要求。

5 橋塔計(jì)算分析

5.1 計(jì)算模型及荷載

采用通用有限元軟件建立全橋計(jì)算模型，對(duì)不同工況下橋塔順橋向、橫橋向受力進(jìn)行計(jì)算分析[7-13]。全橋計(jì)算模型見圖6。

圖6 椒江特大橋全橋有限元模型

計(jì)算荷載主要包括：結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、橫梁預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、斜拉索初拉力、不均勻沉降、ZK活載、列車橫向搖擺力、溫度荷載、風(fēng)荷載、制動(dòng)力、地震力、船撞荷載等。

橋塔荷載組合分別以主力、主力+附加力進(jìn)行組合，取最不利組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)特殊荷載進(jìn)行檢算。

5.2 主要檢算結(jié)果

(1)塔柱計(jì)算

鋼筋配置按規(guī)范要求的最小配筋率0.5%，并參考公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則，總配筋率不小于1%進(jìn)行配筋，根據(jù)不同的截面采用不同配筋方案。檢算時(shí)鋼筋按照雙φ28 mm間距12.5 cm布置。

橋塔為壓彎構(gòu)件，計(jì)入彎矩增大系數(shù)對(duì)橋塔截面進(jìn)行強(qiáng)度檢算，檢算結(jié)果如表3所示。

表3 塔柱混凝土壓應(yīng)力 MPa

混凝土最大壓應(yīng)力位于中塔柱下端變截面處，主附工況最大壓應(yīng)力為19.4 MPa，鋼筋最大拉應(yīng)力為46 MPa，運(yùn)營(yíng)階段主塔不同部位混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、裂縫等經(jīng)檢算均能滿足要求。

(2)橫梁計(jì)算

橫梁按不同梁高進(jìn)行對(duì)比分析，梁高較低時(shí)，跨中底板及梁端頂板存在拉應(yīng)力，若不增加梁高采用增加鋼束的方式，會(huì)導(dǎo)致鋼束過密無(wú)法布置并使鋼束錨固處橋塔承受較大的剪力，經(jīng)比選后上橫梁采用6～10.16 m變截面梁高，下橫梁采用7.5 m梁高。橫梁主要計(jì)算結(jié)果見表4。

可見橫梁各項(xiàng)縱向檢算結(jié)果均能滿足要求。

對(duì)橫梁建立環(huán)框計(jì)算模型，上橫梁頂?shù)装?、腹板截面配筋均為?0 mm@10 cm，下橫梁頂?shù)装?、腹板截面配筋均為?2 mm@10 cm。頂、底板及腹板按鋼筋混凝土構(gòu)件檢算。選擇最不利工況的內(nèi)力，檢算截面強(qiáng)度及裂縫，檢算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表4 橫梁計(jì)算結(jié)果

(3)關(guān)鍵施工工況檢算

裸塔工況混凝土最大壓應(yīng)力為11.7 MPa，最大懸臂工況混凝土最大壓應(yīng)力為15.9 MPa。裸塔工況及最大懸臂工況下，主塔不同部位混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、裂縫等經(jīng)檢算均能滿足要求。

(4)屈曲分析

對(duì)關(guān)鍵施工工況及正常運(yùn)營(yíng)工況進(jìn)行屈曲分析，在各施工階段穩(wěn)定性分析均以恒載+風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算，在正常運(yùn)營(yíng)階段穩(wěn)定性分析考慮恒載+活載+風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算。屈曲分析結(jié)果見表5。

表5 屈曲分析結(jié)果

可見在各種計(jì)算工況下，結(jié)構(gòu)彈性屈曲的特征值均滿足要求。

(5)抗震計(jì)算

該橋位處地震動(dòng)峰值加速度0.064g，橋塔橫橋向采用反應(yīng)譜法進(jìn)行分析， 縱橋向采用時(shí)程法進(jìn)行分析。從縱橫向抗震模型中提取內(nèi)力，對(duì)截面進(jìn)行檢算[14]。

多遇地震作用下橋塔混凝土最大壓應(yīng)力為17.5 MPa，鋼筋拉應(yīng)力很小。罕遇地震作用下橋塔混凝土最大壓應(yīng)力為20.4 MPa，鋼筋最大拉應(yīng)力為277.6 MPa?？梢?，在地震荷載作用下主塔不同部位混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力等均能滿足要求。

6 施工方案

椒江特大橋主梁采用邊跨頂推法，中跨懸拼法的施工方法，配備大型吊機(jī)，采用整節(jié)段架設(shè)，利用架梁吊機(jī)懸臂拼裝中跨側(cè)鋼梁，每架設(shè)一個(gè)整節(jié)段鋼梁，便對(duì)稱掛設(shè)斜拉索，直至鋼梁架設(shè)至跨中合龍。

橋塔基礎(chǔ)為深水基礎(chǔ)，搭設(shè)施工棧橋及水上施工平臺(tái)，采用雙壁鋼圍堰防護(hù)施工。椒江橋主塔基礎(chǔ)采用低樁承臺(tái)，鉆孔灌注樁最大樁長(zhǎng)為123 m，但最大鉆孔深度達(dá)到143.6 m，是目前國(guó)內(nèi)鐵路橋梁中鉆孔深度最深的樁基礎(chǔ)，普通鉆機(jī)難以施工，采用旋挖鉆機(jī)桅桿加長(zhǎng)，并定制特制鉆桿的方案以滿足鉆孔深度。鉆孔灌注樁施工控制難度很高，防止塌孔是施工該類大直徑長(zhǎng)樁的難題。該橋采取了加長(zhǎng)鋼護(hù)筒、精確控制泥漿配比等措施。

橋塔采用爬模法分節(jié)段施工，施工依次按照塔座、下塔柱、下橫梁、中塔柱、上橫梁、上塔柱的順序進(jìn)行。主塔塔座采用一次澆筑完成，并按大體積混凝土施工方法控制。塔柱總高190 m，共分34個(gè)施工段，采用液壓爬模技術(shù)進(jìn)行塔柱施工，中塔柱施工時(shí)應(yīng)設(shè)置臨時(shí)橫撐以滿足施工過程中的受力安全。上、下橫梁施工時(shí)需搭建臨時(shí)支架或托架，混凝土澆筑完成后，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的95%、彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值的100%且齡期大于7 d時(shí)，張拉上、下橫梁內(nèi)預(yù)應(yīng)力[15-20]。

7 結(jié)語(yǔ)

椒江特大橋是杭紹臺(tái)鐵路重難點(diǎn)控制工程，所處地理位置建橋條件復(fù)雜，于2018年12月開工建設(shè)，截止到2020年3月，已完成橋塔基礎(chǔ)及下塔柱施工。通過對(duì)橋塔塔形進(jìn)行研究分析，從受力、造價(jià)、施工等方面綜合考慮，主塔塔形采用花瓶形塔；通過對(duì)不同塔高方案進(jìn)行計(jì)算比選，綜合主梁、斜拉索、橋塔及基礎(chǔ)共同考慮，本橋塔高采用190 m。在確定塔形及塔高后，進(jìn)一步細(xì)化對(duì)橋塔塔柱、橫梁、基礎(chǔ)的截面設(shè)計(jì)，確定索塔錨固采用齒塊錨體系，并對(duì)施工方案和耐久性措施進(jìn)行研究，對(duì)橋塔不同工況的強(qiáng)度、穩(wěn)定性進(jìn)行檢算，對(duì)橋塔抗震性能進(jìn)行分析，從而確保橋塔設(shè)計(jì)的安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、美觀可行、施工便利，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可為類似橋梁建設(shè)提供借鑒。