羅春林

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

混凝土橋梁結(jié)構的整體剛度大、設計及施工技術成熟、造價低、養(yǎng)護維修方面等優(yōu)點，是高速鐵路的首選橋型[1－2]。在高速鐵路中采用大跨寬幅混凝土部分斜拉橋要解決橋梁的豎向、扭曲、橫向變形等難題[3－4]。本文以贛深高鐵劍潭東江特大橋主跨(136＋260＋136)m預應力混凝土部分斜拉橋為研究對象，重點對大跨寬幅混凝土部分斜拉橋的橋式方案、關鍵構造、結(jié)構受力、變形控制以及施工方法等問題開展研究，具有較高的工程價值。

1 工程概述

劍潭東江特大橋位于惠州市惠城區(qū)與博羅縣交界處，在劍潭段跨東江，位于東江水利樞紐上游約1.5 km、G25長深高速公路上游約0.4 km。橋位處為贛深高鐵和廣汕高鐵惠州北聯(lián)絡線的四線并行段，橋梁小里程側(cè)接白面石隧道(雙洞隧道)，橋上四線線間距為(5.0＋14.0＋4.6)m。主橋采用主跨(136＋260＋136)m預應力混凝土部分斜拉橋跨越東江，橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置(單位:cm)

橋位處東江河段河道彎曲，河床、河勢基本穩(wěn)定。東江航道現(xiàn)狀為Ⅳ級，規(guī)劃要求跨河攔河建筑物通航尺度按Ⅲ級航道標準控制。東江百年一遇設計流量11 970 m3/s，設計水位16.26 m(85高程)，設計流速2.07 m/s。

橋址處屬于東江沖積平原及丘陵地貌。場區(qū)下伏基巖為燕山期侵入巖花崗巖，埋深較淺。多年平均氣溫21.8℃，極端最高氣溫38.2℃，極端最低氣溫－2.4℃，最低月平均氣溫12.7℃；最高月平均氣溫28.1℃。

2 主要技術標準

設計速度:贛深高鐵正線為350 km/h，廣汕高鐵惠州北上下行聯(lián)絡線為250 km/h。

線路情況:四線均鋪設CRTSⅢ型板式無砟軌道。贛深正線雙線線間距5.0 m；惠州北上下行聯(lián)絡線線間距4.6 m。平面位于直線，立面位于3‰縱坡上。

設計活載:采用ZK標準活載。

抗震烈度:抗震設防烈度6級，地震動峰值加速度0.05 g。

3 橋型方案研究

擬建大橋與下游惠河高速公路橋梁的距離未滿足《內(nèi)河通航標準》要求，同時大橋與上游彎道的距離約300 m，不滿足4倍船長的安全距離要求，通航專題研究建議加寬處理，按單孔雙向通航設置，橋梁跨徑取260 m，一孔跨越下游惠河高速公路橋兩個孔，通航孔有效凈距為240.3 m，滿足《內(nèi)河通航標準》要求。根據(jù)通航要求的主跨跨度，邊中跨比按0.5～0.6考慮則邊跨跨度為130～156 m，也能夠跨越南、北岸的兩條道路，因此主跨260 m是合理的跨度。

對于主跨260 m的四線鐵路橋梁，四條線路線間距分別為(5.0＋14.0＋4.6)m，設計時速350 km。本橋的線間距條件決定了如果采用鋼桁拱橋需按兩幅橋布置，鋼桁拱橋方案的用鋼量大、工程造價高、后期養(yǎng)護維修工作量巨大，考慮到本橋時速350 km高速鐵路的功能定位，因此不考慮鋼桁拱橋方案。對預應力混凝土部分斜拉橋、矮塔混合梁斜拉橋、雙塔斜拉橋進行了比選，三種橋式的比較表見表1。

表1 橋式方案比較

針對預應力混凝土部分斜拉橋，也對主梁分幅和整幅方案進行了比選。分幅方案的橋塔為M型，橫向三肢塔柱，斜拉索為四索面。在整體受力計算中，整幅方案的四線鐵路活載按0.75折減，并且整幅方案的橋塔為橫向獨柱式，主梁和橋塔、斜拉索的用量均小于分幅方案，整幅方案的經(jīng)濟性能更好。由于整幅方案巧妙利用了三、四線的線間距條件，橋塔中置于橋面，斜拉索錨固于主梁箱內(nèi)，整體景觀效果也要優(yōu)于分幅方案。

4 橋梁結(jié)構設計

4.1 主梁結(jié)構設計

主梁為預應力混凝土結(jié)構，采用單箱三室變高整體箱形截面，跨中及邊支點梁高6.0 m，中支點梁高13.0 m。箱梁頂面寬度31.2 m，頂板厚度0.45～0.65 m；底寬由跨中的22.61 m變化至支點的19.11 m；底板厚0.45～1.4 m。箱梁邊腹板為斜腹板，中腹板為直腹板，邊、中腹板厚0.5～0.75～1.0 m。主梁典型橫斷面見圖2所示。

圖2 主梁典型橫斷面圖(單位:cm)

箱梁邊支點橫隔板厚1.5 m，每個主墩處各設2道橫隔板，厚2.4 m，中跨跨中設1道厚0.4 m橫隔板。箱梁于各索梁錨固處設置斜拉索錨固橫梁，錨固橫梁高為2.1 m，橫梁厚0.7 m。為了降低箱梁畸變效應，在15、21、27號梁段索梁錨固處設橫隔墻，橫隔墻厚70 cm。

4.2 橋塔結(jié)構設計

橋塔設于橋面中央，塔高為56 m(橋面以上高度)，塔高與主跨比為1/4.6。索塔整體呈獨柱式，橫向設兩肢柱并置，橫向間距為4 m。塔柱為矩形截面，上塔柱尺寸為2.4 m×4.8 m。下塔柱縱向分叉為兩肢，縱向呈倒Y形。橋塔的結(jié)構示意見圖3所示。

圖3 橋塔結(jié)構示意(單位:cm)

4.3 斜拉索及索鞍設計

斜拉索采用單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線拉索體系，外套HDPE，橫向為雙索面體系，豎直平行布置，斜拉索橫向分別錨固于索塔的兩個柱。每個塔柱設置10對斜拉索，全橋共40對。斜拉索在梁上錨固于箱梁內(nèi)中間箱室，錨固點縱向間距8.0 m，主梁內(nèi)設置錨固梁(橫隔板)，張拉端設置在梁上。斜拉索在塔端采用分絲管索鞍貫通，間距為1.0 m。斜拉索規(guī)格分91～15.24 mm、109～15.24 mm兩種，斜拉索最大索長271.459 m。

索鞍采用分絲式抗滑鞍座。鞍座承受斜拉索的徑向壓力及塔兩側(cè)索體的不平衡力，并安全地將斜拉索轉(zhuǎn)向合力傳遞到橋塔結(jié)構。

4.4 主墩、承臺和基礎設計

主墩采用雙肢薄壁墩，兩肢的間距為6.4 m，墩柱橫寬23.0 m，縱向尺寸2.4 m。3＃主墩墩高27.0 m，4＃主墩墩高25.5 m。主墩樁基為24根直徑3.0 m的鉆孔灌注樁，樁基按行列式布置，均按柱樁設計。

4.5 支座及軌溫調(diào)節(jié)器設置

采用球形鋼支座，邊支點沿橫向設4個支座，邊支點支座噸位10 000 kN。

四線均鋪設CRTSⅢ型板式無砟軌道，橋梁兩端各設置四組鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

5 主橋結(jié)構計算研究

5.1 寬幅四線主梁受力計算

5.1.1 主梁內(nèi)力

預應力混凝土部分斜拉橋的荷載由主梁和拉索共同承擔，荷載大部分由主梁承擔，拉索起輔助作用[5－6]，主＋附組合下的主梁彎矩見圖4。

圖4 主梁彎矩包絡圖(主＋附組合)

5.1.2 主梁截面檢算

施工階段主梁最大壓應力15.26 MPa，最大拉應力－0.6 MPa。運營階段主梁的驗算結(jié)果見表2，主梁各項指標均滿足規(guī)范要求[7－8]。

表2 主梁應力檢算結(jié)果匯總

5.1.3 主梁結(jié)構變形

本橋四線均鋪設無砟軌道，贛深正線設計時速為350 km，是國內(nèi)外最大跨度的無砟軌道混凝土橋梁，需重點研究解決主梁的變形控制問題[9]。

ZK靜活載下主梁豎向位移－100.7 mm，撓跨比1/2 582。ZK靜活載下主梁梁端轉(zhuǎn)角最大值為＋0.92‰rad，滿足《高速鐵路設計規(guī)范》對鋪設無砟軌道橋梁梁端轉(zhuǎn)角的限值要求(小于1.0‰rad)。

軌道鋪設完成后，大跨度混凝土主梁會發(fā)生工后徐變變形[10]，過大的變形將導致線路附加不平順從而影響高速列車行車的安全性和乘坐舒適性[11－12]。通過斜拉索索力主動控制，結(jié)合優(yōu)化縱向預應力鋼束布置，將主梁在恒載作用下的上、下緣應力差值控制在較低的范圍內(nèi)(大部分截面小于4.0 MPa)。徐變系數(shù)按照《鐵路橋涵混凝土結(jié)構設計規(guī)范》模式計算，本橋主梁在鋪軌1 000 d后豎向徐變變形值僅－11.2 mm，見圖5。

圖5 主梁徐變位移(單位:mm)

整體寬幅四線高速鐵路橋在單邊雙線偏載作用下偏心扭矩較大。根據(jù)《高速鐵路設計規(guī)范》(TB 10621—2014/J 1942—2014)第7.3.4條，ZK靜活載作用下梁體扭轉(zhuǎn)引起的軌面不平順值，在一段3 m的線路范圍內(nèi)一線兩根鋼軌的豎向相對變形量不應大于1.5 mm。

根據(jù)本橋的空間有限元分析，本橋在同一側(cè)兩線靜活載作用下的主梁扭轉(zhuǎn)變形值最大。由于本橋為整幅主梁，抗扭能力較強，對應每3 m線路范圍內(nèi)一線兩根鋼軌的豎向變形量僅為0.028 mm，滿足規(guī)范要求。

5.1.4 主梁橫向受力分析

寬幅主梁需重點關注橫向受力。本橋分別基于實體單元和平面桿系單元進行了橫向受力分析，兩者相互校核。

實體單元模型:采用通用有限元軟件ABAQUS建立了主梁節(jié)段有限元模型，在模型中模擬了主梁、斜拉索、頂板橫向預應力索、橫梁橫向預應力索。實體單元模型研究了寬幅箱梁的畸變效應并針對箱內(nèi)的加勁構造進行了研究，結(jié)合斜拉索的錨固需要，最終確定了半跨范圍內(nèi)“3道全隔板＋7道橫梁”的箱內(nèi)加勁方案，一方面降低了寬幅主梁的畸變效應，滿足了結(jié)構受力的要求，同時也最大限度避免了過多的橫隔板對懸臂施工產(chǎn)生干擾。

平面桿系單元模型:主梁橫向分無拉索區(qū)和有拉索區(qū)分別進行檢算。無拉索區(qū)沿縱向截取單位長度的主梁梁體，簡化成腹板下緣四點支撐的三孔框架，按彈性支撐計算，彈性支承剛度由空間實體有限元得到。有拉索區(qū)沿縱向截取橫向有效寬度的主梁梁體，有效寬度由空間有限元模型計算得到，偏安全地取4.0 m，簡化成腹板下緣四點支承的三孔框架，拉索吊點處加豎向集中力，按彈性支撐計算。結(jié)果表明結(jié)構橫向受力滿足要求，并且平面桿系單元模型與實體單元模型的結(jié)果吻合較好。

5.2 四線高速鐵路寬幅主梁橫向變形分析

主橋設計為四線整幅箱梁，邊支點設置4個支座，其中中間一個為固定支座。與主橋相鄰的引橋為32 m雙線簡支梁，橫向兩幅橋設置。若按常規(guī)的支座布置形式，主橋側(cè)2＃支座橫向固定，引橋側(cè)2＃、3＃支座固定，則8號鋼軌的橫向溫度跨度跨差為10.15 m，主梁在整體升、降溫作用下，8號鋼軌在相鄰梁兩側(cè)的鋼軌支點橫向相對位移難以滿足《高速鐵路設計規(guī)范》中1 mm的限值要求。因此，本橋?qū)⑾噜彽囊龢蛄憾擞矛F(xiàn)澆橫梁連接，并將一個橫向約束(3＃支座)釋放，僅約束2＃支座的橫向位移，8號鋼軌的橫向溫度跨差由10.15 m減小至3.65 m，從而將8號鋼軌在主橋和引橋側(cè)的橫向相對位移差控制在1 mm內(nèi)。主橋和引橋支點的橫向約束見圖6、圖7。

圖6 主橋側(cè)支座橫向限位示意(單位:cm)

圖7 引橋側(cè)支座橫向限位示意(單位:cm)

5.3 斜拉索檢算

斜拉索規(guī)格為91～15.24 mm、109～15.24 mm鋼絞線，最大索力為10 772 kN(主＋附組合)。

斜拉索在主力組合下最大應力為673.1 MPa，安全系數(shù)為2.76；主 ＋附組合下的最大應力為705.9 MPa，安全系數(shù)為2.64。斜拉索活載最大應力幅46.8 MPa。

5.4 主墩結(jié)構受力分析及檢算

本橋為塔墩梁固結(jié)體系，主墩墩高較矮，為了減小主墩附加彎矩，在中跨合龍之前施加頂推力24 000 kN。

主墩截面受力主筋2φ32雙肢一束，間距12.5 cm，內(nèi)外雙排設置。運營階段主力組合混凝土最大壓應力12.8 MPa，鋼筋最大拉應力－32.4 MPa，裂縫寬度0.03 mm；主＋附組合混凝土最大壓應力20.7 MPa，鋼筋最大拉應力－142.4 MPa，裂縫寬度0.13 mm。

6 寬幅主梁施工方案研究

主梁采用懸臂澆筑法施工。全橋共32個懸澆節(jié)段，節(jié)段長度3.0～4.0 m，節(jié)段重量389.8～821 t，其中15＃懸澆節(jié)段混凝土方量達315.8 m3，重量創(chuàng)下了懸澆施工單節(jié)段最大重量記錄。

主梁懸澆施工采用4片菱形主桁的掛籃結(jié)構，掛籃自重約298 t，結(jié)構具有良好的剛度、穩(wěn)定性和便捷安裝的特點[13]。主梁懸臂澆筑施工線形控制好，各部位尺寸控制精準，滿足了寬幅箱梁懸臂梁段頂面高程±5 mm的控制精度目標，為橋梁的高質(zhì)量建造提供了支撐。

7 結(jié)束語

(1)結(jié)合建設條件，采用的(136＋260＋136)m預應力混凝土部分斜拉橋方案具有良好的技術經(jīng)濟性，四線鐵路整幅主梁結(jié)構剛度大，受力性能良好。橋塔中穿橋面巧妙地適應了線間距條件，整體景觀效果好。

(2)本橋通過一系列技術措施解決了大跨寬幅部分斜拉橋的豎向、扭曲變形和橫向變形問題，為鋪設無砟軌道創(chuàng)造了有利條件。

(3)本橋于2020年順利建成通車，建成時是國內(nèi)外最大跨度的無砟軌道混凝土橋梁，通車后運營狀況良好，本橋設計建造技術將為大跨無砟軌道混凝土橋梁應用提供借鑒。