馮文章

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

引言

20世紀(jì)80年代，法國工程師Jacgues Mathivat最早提出了矮塔斜拉橋的概念。這種橋型在法國誕生之后，沒有得到廣泛應(yīng)用，卻在日本得到重視。日本于20世紀(jì)90年代建成了世界上第一座矮塔斜拉橋—小田原港橋[1]，隨后相繼建成了屋代南和屋代北兩座鐵路橋[2-3]、沖原橋、蟹澤橋[4]、三內(nèi)丸山橋[5]、木澤川橋[6]等。我國于2000年建成第一座公鐵兩用矮塔斜拉橋—蕪湖長江大橋[7]。隨后，矮塔斜拉橋在我國發(fā)展迅猛，相繼建成漳州戰(zhàn)備橋、同安銀湖大橋等多座矮塔斜拉橋[8-11]。2011年，我國建成第一座鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋—京滬高鐵津滬聯(lián)絡(luò)線特大橋[12-13]。由于矮塔斜拉橋剛度大，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)，施工便捷，在鐵路領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[14-16]。商合杭鐵路(94.2+220+94.2) m矮塔斜拉橋、福平鐵路(144+288+144) m烏龍江特大橋[17]是其中典型代表。

鐵路矮塔斜拉橋跨度逐漸增大，但聯(lián)長較短，對長聯(lián)大跨矮塔斜拉橋缺少足夠的研究。本文結(jié)合包銀高鐵磴口黃河特大橋(102+3×178+102) m矮塔斜拉橋，對高速鐵路長聯(lián)大跨矮塔斜拉橋的受力性能進(jìn)行分析，為同類橋型在高速鐵路上的運(yùn)用提供借鑒。

1 工程概況

包頭至銀川鐵路工程在磴口縣南糧臺(tái)村附近跨越黃河。橋位處左岸有庫區(qū)圍堤，為灌區(qū)和農(nóng)田；右岸為鄂爾多斯低山臺(tái)地。橋位處河道順直，河寬2.7 km，現(xiàn)狀主槽寬約600 m，主流靠右岸，河道比降為0.14‰，該段河勢平緩開闊，為典型的庫區(qū)沖積平原型河道。橋址區(qū)范圍地址以細(xì)砂，粉砂，細(xì)圓礫土為主。磴口黃河特大橋采用ZK活載，雙線線間距4.6 m，有砟軌道，設(shè)計(jì)時(shí)度250 km/h，主橋位于直線，3.5‰縱坡上。橋址區(qū)地震基本烈度8度，地震動(dòng)峰值加速度0.2g，場地類別Ⅲ類，特征周期分區(qū)為二區(qū)，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.55 s。

2 主橋孔跨布置和橋式方案

橋位處黃河規(guī)劃通航等級為Ⅴ級航道，需滿足通航要求。橋位處左灘擴(kuò)寬，主槽進(jìn)一步縮窄，河勢無較大變化，主流靠近右岸。橋位位于三盛公庫區(qū)閘前段，橋位處河道順直，主槽窄深。從歷年河勢變化分析，右岸穩(wěn)定，左岸邊灘往河心發(fā)展，主槽略有萎縮。斜拉索加勁方式可有效提高主梁結(jié)構(gòu)剛度，同時(shí)考慮通航要求、結(jié)構(gòu)受力、方便施工、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等各方面因素[18]，決定采用(102+3×178+102) m矮塔斜拉橋方案。

主橋結(jié)構(gòu)體系采用塔梁固結(jié)，塔墩分離形式。主橋全長738 m，孔跨布置如圖1所示。

3 主橋構(gòu)造

3.1 主梁

主梁斷面如圖2所示。主梁采用單箱雙室、直腹板、變截面形式，梁高5.5～9.5 m，邊支點(diǎn)等高段長27.5 m，中支點(diǎn)等高段長9 m，跨中等高段長29 m，變高段長700 m，按二次拋物線變化。箱梁頂寬13.3 m，底寬10.8 m，中支點(diǎn)附近箱梁頂寬局部加寬至17.2 m，底寬加寬至14.0 m。頂板厚度除梁端為110 cm、中支點(diǎn)附近為100 cm外，其余均為42 cm。底板厚度50～163.8 cm，底板底部按二次拋物線變化，中支點(diǎn)局部加厚至2 m。邊、中腹板厚度均按照50 cm～70 cm～90 cm折線變化，中支點(diǎn)腹板局部加厚到110 cm。全聯(lián)在端支點(diǎn)、中支點(diǎn)、跨中處共設(shè)置9道橫隔板，邊支點(diǎn)隔板厚2.45 m，中支點(diǎn)隔板厚4.0 m，跨中隔板厚0.4 m，所有橫隔板均設(shè)過人孔。斜拉索錨固點(diǎn)位置設(shè)0.8 m寬的半橫梁，以提高主梁截面的橫向剛度和整體性。

3.2 索塔

增加橋塔高度可有效提升主梁剛度[19]，本橋梁頂面以上索塔高30 m。為提高景觀效果，塔柱外輪廓作圓形倒角處理。塔柱橫向?qū)挾染鶠?.0 m，順橋向?qū)?.5 m。塔柱下端無索區(qū)高19.1 m。橋塔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 主梁橫斷面(單位：cm)

圖3 索塔結(jié)構(gòu)(單位：cm)

3.3 索鞍

為便于斜拉索通過，塔柱上部設(shè)置索鞍。索鞍由多根分絲鋼管焊接而成，每根斜拉索穿過一個(gè)分絲管。索鞍兩側(cè)斜拉索通過單側(cè)雙向抗滑錨固裝置實(shí)現(xiàn)抗滑的目的，抗滑移裝置和鋼鉸線無相對滑移和斷絲現(xiàn)象。

3.4 斜拉索

斜拉索橫向?yàn)殡p索面布置，立面為半扇形布置。每個(gè)索塔設(shè)8對斜拉索，塔上索距1.1 m，梁上索距約8 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(qiáng)鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa。

3.5 橋墩

橋主墩采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，實(shí)心矩形變截面，外輪廓做圓形倒角和凹槽處理，2號(hào)主墩為固定墩。邊墩采用普通雙線圓端形實(shí)體橋墩。

3.6 基礎(chǔ)

主墩基礎(chǔ)采用樁徑2.0 m的鉆孔灌注樁。邊墩基礎(chǔ)采用樁徑1.5 m的鉆孔灌注樁。

3.7 附屬設(shè)施

由于橋體聯(lián)長較長，溫度跨度大，需設(shè)置溫度調(diào)節(jié)器。橋體位于高烈度震區(qū)，需采用減隔震支座，考慮到采用減隔震支座會(huì)造成梁端位移增大，按照抗震設(shè)計(jì)控制梁縫并設(shè)置梁端大位移伸縮裝置。橋體大位移伸縮裝置與軌道伸縮調(diào)節(jié)器合并設(shè)置。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

采用MIDAS CIVIL(2019)建立空間有限元模型，主梁、主塔、橋墩采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

梁塔連接采用主從約束模擬，梁墩的支座連接采用彈性連接模擬。橋墩與地基的連接采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬。計(jì)算荷載包括恒載、活載、附加荷載、特殊荷載，對結(jié)構(gòu)施工過程和成橋狀態(tài)進(jìn)行檢算。

對靜活載撓度及梁端轉(zhuǎn)角(考慮溫度影響)進(jìn)行計(jì)算分析，其中中跨撓跨比為1/1 171，次中跨撓跨比為1/1 309，邊跨撓跨比為1/2 914。梁端轉(zhuǎn)角下?lián)隙?.11‰rad，反彎-1.32‰rad。結(jié)果表明，在列車靜活載和溫度作用共同作用下，主梁豎向變形能夠滿足剛度要求。

主梁應(yīng)力值見表1，可以看出，各種荷載組合作用下，主梁各截面的應(yīng)力、強(qiáng)度安全系數(shù)、抗裂安全系數(shù)滿足TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

斜拉索采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa的環(huán)氧涂層高強(qiáng)鋼絞線。主力組合作用下斜拉索最大拉力4 818 kN，主力+附加力組合作用下斜拉索最大拉力5 059 kN；最小強(qiáng)度安全系數(shù)2.8；拉索疲勞應(yīng)力幅90 MPa。

表1 主梁截面驗(yàn)算結(jié)果

4.2 地震響應(yīng)分析

本橋聯(lián)長較長，主墩較矮，橋址處地震基本烈度為8度，地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，屬于技術(shù)復(fù)雜、修復(fù)困難的高速鐵路特殊橋梁結(jié)構(gòu)?？拐鹪O(shè)防目標(biāo)見表2。

表2 主橋抗震設(shè)防目標(biāo)

通過抗震方案設(shè)計(jì)比選，確定采用阻尼器+減隔震支座的方案，阻尼器與減隔震布置如圖5所示，阻尼器參數(shù)如表3所示。

圖5 阻尼器布置示意

表3 阻尼器參數(shù)

本橋設(shè)計(jì)采用1倍多遇地震(考慮橋梁重要性系數(shù)1.5)時(shí)普通支座的水平反力作為減隔震支座的水平極限承載力，即當(dāng)橋梁承受地震超過多遇地震水準(zhǔn)時(shí)，支座的限位裝置解除約束，減隔震支座發(fā)揮相應(yīng)作用。橋體采用減隔震支座最大承載力1.3×105kN。

考慮到罕遇地震工況下橋塔、梁、減隔震系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，按多遇地震工況(考慮1.5倍放大系數(shù))下計(jì)算橋塔截面配筋。

采用以上設(shè)計(jì)參數(shù)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震、設(shè)計(jì)地震及罕遇地震工況下的抗震計(jì)算分析，分析結(jié)果如表4～表8所示。

表4 多遇地震墩底內(nèi)力

表5 設(shè)計(jì)地震墩底內(nèi)力(減隔震支座+阻尼器)

表6 罕遇地震墩底內(nèi)力(支座硬抗)

表7 罕遇地震墩底內(nèi)力(減隔震支座+阻尼器)

表8 墩底抗震最大承載彎矩 kN·m

由計(jì)算結(jié)果可知，多遇和設(shè)計(jì)地震工況下橋墩墩底彎矩均在墩底彈性彎矩以內(nèi)，罕遇地震工況下橋墩墩底彎矩均在墩底屈服彎矩以內(nèi)，說明橋墩在多遇、罕遇地震下均滿足安全需要。

4.3車-橋耦合分析

為對列車過橋時(shí)的舒適性、安全性進(jìn)行研究，本橋進(jìn)行了車-橋耦合動(dòng)力分析[20]。主橋前10階自振特性如表9所示。

表9 主橋前10階自振特性

根據(jù)車-橋耦合動(dòng)力分析的結(jié)果，當(dāng)CRH3高速列車以200～300 km/h的速度通過橋梁時(shí)，橋梁的動(dòng)力響應(yīng)均在容許范圍之內(nèi)，列車橫向、豎向振動(dòng)加速度滿足均限值要求；當(dāng)CRH3高速列車以200～250 km/h(設(shè)計(jì)速度段)的速度通過橋梁時(shí)，列車乘坐舒適性指標(biāo)可達(dá)到規(guī)定的“優(yōu)秀”標(biāo)準(zhǔn)以上，以275～300 km/h(檢算速度段)的速度通過橋梁時(shí)，列車的乘坐舒適性也能夠達(dá)到規(guī)定的“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上。

5 結(jié)論

包銀高鐵磴口黃河特大橋?yàn)槟壳拔覈?lián)長最長的高速鐵路矮塔斜拉橋，結(jié)構(gòu)采用塔梁固結(jié)墩梁分離體系。對結(jié)構(gòu)的靜力、地震響應(yīng)和車-橋耦合進(jìn)行分析，結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下。

(1)地震基本烈度為8度，地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，聯(lián)長738 m，為給橋墩和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供優(yōu)化空間，在主梁和橋墩之間設(shè)置減隔震支座和粘滯阻尼器協(xié)同抗震。計(jì)算結(jié)果表明，協(xié)同抗震體系下，橋墩在多遇、罕遇地震下均滿足安全需要。

(2)大位移伸縮裝置與軌道伸縮調(diào)節(jié)器合并設(shè)置，解決了橋體溫度跨度大和減隔震支座引起的縱向大位移問題。

(3)本橋主墩采用承載力130 000 kN的大噸位減隔震支座，支座進(jìn)行了專門研發(fā)。

包銀磴口黃河特大橋計(jì)劃于2020年開工建設(shè)，2023年建成通車。