郭 飛 唐 波 劉振標(biāo) 任 征 郭遠(yuǎn)航

(1.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 廣東廣州 510088；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063)

1 工程概況

新建廣汕高速鐵路增江特大橋位于廣州市增城區(qū)石灘鎮(zhèn)，為廣汕高速鐵路重、難點(diǎn)控制工程。大橋采用260 m主跨跨越增江主航道，航道規(guī)劃等級(jí)為Ⅲ級(jí)，主橋軸線與水流方向夾角約45°。增江特大橋主橋孔跨布置為(48＋84＋260＋84＋48)m，創(chuàng)新采用大跨度節(jié)段預(yù)制拼裝混凝土斜拉橋橋式(如圖1所示)，具有梁段工廠預(yù)制質(zhì)量穩(wěn)定可控、存梁一定周期可有效改善主梁后期徐變變形、適應(yīng)高速鐵路運(yùn)營(yíng)要求、施工方便快捷、后期維養(yǎng)工作量少等優(yōu)點(diǎn)[1]。

圖1 增江特大橋主橋橋式布置(單位:m)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級(jí):高速鐵路；

(2)線路情況:雙線、有砟軌道；

(3)線路條件:平面為直線、立面為±6‰雙向?qū)ΨQ(chēng)人字坡；

(4)線間距:5.0 m；

(5)速度目標(biāo)值:250 km/h；

(6)設(shè)計(jì)活載:ZK活載；

(7)通航:規(guī)劃內(nèi)河Ⅲ級(jí)航道，橋塔防撞標(biāo)準(zhǔn)按1 000 t內(nèi)河貨船設(shè)計(jì)；

(8)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn):按地震基本烈度7度設(shè)防。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大跨度混凝土斜拉橋在公路市政工程中應(yīng)用廣泛，但在高速鐵路建設(shè)項(xiàng)目中尚未采用過(guò)，主要原因是混凝土梁的后期徐變變形值較大，難以滿足高速列車(chē)行車(chē)對(duì)主梁線形的要求[2]。增江特大橋主橋是國(guó)內(nèi)、外首座采用節(jié)段預(yù)制拼裝施工工法的高速鐵路大跨度混凝土斜拉橋。結(jié)合高鐵鐵路運(yùn)營(yíng)需求，大橋與公路節(jié)段預(yù)制拼裝混凝土斜拉橋相比存在鐵路二期恒載及列車(chē)活載大、主梁需求剛度大、線形控制要求高等特點(diǎn)。因此，大橋的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)須重點(diǎn)關(guān)注承載能力、主梁剛度，尤其是主梁線形控制等因素[3－4]，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與公路節(jié)段預(yù)制拼裝混凝土斜拉橋具有較大差異。

3.1 結(jié)構(gòu)支承體系

合理選擇結(jié)構(gòu)的支承約束體系，可以減小結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的內(nèi)力及動(dòng)力響應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性[5－6]。為對(duì)比采用不同的支承約束體系對(duì)大橋受力、線形的影響，分別計(jì)算分析了橋塔處設(shè)固定支座、輔助墩處設(shè)固定支座和連接墩、輔助墩處均設(shè)置固定支座三種不同支承體系下的大橋受力狀態(tài)。

通過(guò)計(jì)算分析比較發(fā)現(xiàn):在連接墩和輔助墩處設(shè)置固定支座，限制主梁的軸向位移，可有效抑制主梁的軸向壓縮變形和拉索索力的降低，進(jìn)而減小收縮徐變效應(yīng)。若在輔助墩處設(shè)置固定支座，30年主梁的收縮徐變變形會(huì)減小了25.3%；若在邊墩和輔助墩處均設(shè)置固定支座，收縮徐變變形可減小46.5%。

主梁約束體系對(duì)抑制混凝土斜拉橋的收縮徐變效應(yīng)是十分有效的，但其可應(yīng)用性較低，原因有兩點(diǎn):(1)輔助墩和邊墩處的固定支座需要承受巨大的水平力，在主＋附工況下，單個(gè)固定支座的最大水平力達(dá)到42 721～48 232 kN，設(shè)計(jì)建造這樣的支座和橋墩需要花費(fèi)巨大的代價(jià)；(2)設(shè)置固定支座對(duì)橋梁抗震性能、溫度效應(yīng)作用下的力學(xué)性能均有不利影響。因此，本橋支承體系設(shè)計(jì)采用了斜拉橋常用的半漂浮體系。

3.2 主塔結(jié)構(gòu)

增加斜拉橋橋塔高度可以改善斜拉索角度，降低主梁軸向力和軸向壓應(yīng)力，減小運(yùn)營(yíng)階段內(nèi)收縮徐變引起的主梁豎向變形[7－8]。對(duì)三種不同橋面以上塔高的計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 不同塔高情況下主梁后期徐變變形情況

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，增加塔高可改善大橋豎向剛度和主梁后期徐變變形，但效果并不明顯，相應(yīng)會(huì)增加斜拉索索長(zhǎng)、橋塔及其基礎(chǔ)工程量，從而影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理性。因此，本橋設(shè)計(jì)采用橋面以上塔高為70 m。

3.3 斜拉索

混凝土斜拉橋主梁因自重大，斜拉索梁上間距一般采用范圍為6～12 m。本橋由于采用預(yù)制節(jié)段拼裝技術(shù)，如索間距較大則梁段分節(jié)較長(zhǎng)、自重較大，而不利于其懸拼施工；如索間距較小則會(huì)增加預(yù)制節(jié)段和斜拉索數(shù)量，影響施工工期，經(jīng)濟(jì)性亦較低。綜合考慮體系受力、剛度條件、經(jīng)濟(jì)性能、施工簡(jiǎn)便等因素，本橋梁上索間距采用8 m，預(yù)制節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為4 m，標(biāo)準(zhǔn)梁重控制在約180 t。

為改善主梁后期徐變變形，推薦采用抗拉強(qiáng)度更高的斜拉索。在索力和拉索安全系數(shù)一定時(shí)，抗拉強(qiáng)度更高的斜拉索橫截面積更小，運(yùn)營(yíng)階段的拉索索力減小幅度低。理論分析如下:

假設(shè)斜拉索索長(zhǎng)為l，橫截面積為A，張拉時(shí)塔端錨固點(diǎn)的拔出量為l1，則塔端的斜拉索力為:

若運(yùn)營(yíng)期內(nèi)斜拉索兩端錨固點(diǎn)的距離變化量為Δl，則此時(shí)斜拉索索力為:

兩式相減可得拉索索力變化量為:

(注:以上公式均為理想情況，未考慮垂度修正)

由上式可以看出，針對(duì)給定的Δl值，斜拉索的橫截面積越小，拉索索力降低也就越少，橋塔向中跨側(cè)偏移量變小，主梁徐變下?lián)献冃螠p小[9－10]。

經(jīng)計(jì)算分析，其他條件不變的情況下，相較1 860 MPa的斜拉索，如采用1 960 MPa的斜拉索可使得本橋運(yùn)營(yíng)3年后主梁最大徐變變形值由24.0 mm減小至19.5 mm。因此，采用高強(qiáng)度的斜拉索對(duì)改善主梁后期徐變變形有較為明顯的作用。

3.4 主梁截面

鐵路橋梁由于需要有較大的剛度滿足列車(chē)運(yùn)營(yíng)需求，主梁結(jié)構(gòu)多采用剛度和整體性更好的閉口箱形截面[11]。本橋主梁采用帶翼緣板單箱三室四邊腹板箱梁截面，受力形式同為雙邊主梁。箱梁總寬14.2 m，中心處梁高4.0 m；斜拉索錨固于箱梁兩側(cè)邊室內(nèi)，橫向間距為10.9 m。如圖2所示。

圖2 主梁典型截面布置(單位:cm)

綜合考慮斜拉索間距、梁段自重、節(jié)段類(lèi)型及方便施工等因素，按預(yù)制節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度4 m對(duì)主梁進(jìn)行劃分。全橋共劃分為132個(gè)預(yù)制節(jié)段和1個(gè)跨中合龍現(xiàn)澆梁段，除橋塔支座處A0節(jié)段及連接墩墩頂A33節(jié)段分別為2.6 m和3.5 m長(zhǎng)度外，其余節(jié)段均為4 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，即盡量減少了非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段數(shù)量、匹配斜拉索錨固間距，又能控制中跨懸拼節(jié)段自重約為180 t。

為滿足斜拉橋邊跨壓重需求，設(shè)計(jì)應(yīng)用加厚部分邊跨主梁截面結(jié)構(gòu)尺寸和支點(diǎn)處集中配置壓重混凝土相結(jié)合的方式，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為方便預(yù)制施工，主梁邊跨加厚截面和標(biāo)準(zhǔn)截面的外形及斜拉索錨固邊室室內(nèi)結(jié)構(gòu)尺寸一致，僅對(duì)中室的頂?shù)装暹M(jìn)行加厚。同時(shí)，為減小輔助墩及連接墩墩頂A21和A33節(jié)段自重，其橫隔板采用拼裝完成后二次澆筑施工，降低了設(shè)備吊重要求。

結(jié)合大橋工點(diǎn)地形條件，經(jīng)比選研究，采用先在支架上拼裝施工邊跨節(jié)段，再懸臂拼裝中跨節(jié)段直至跨中合龍的主梁施工方案。相較主梁對(duì)稱(chēng)懸臂拼裝施工方案，可減少懸拼作業(yè)面、避免邊跨加厚節(jié)段與中跨節(jié)段自重不平衡施工、施工難度低，同時(shí)又利用了邊跨地形便于搭設(shè)支架的有利條件，減少了邊跨主梁施工周期；相較邊跨主梁現(xiàn)澆施工方案，邊跨支架數(shù)量沒(méi)有增加，且充分利用已有預(yù)制梁場(chǎng)制梁，即提升了邊跨主梁制梁質(zhì)量，又綠色環(huán)保、方便施工，節(jié)省梁體現(xiàn)澆所需設(shè)備、設(shè)施配置。同時(shí)，邊跨預(yù)制節(jié)段可存放于邊跨拼裝支架上，可節(jié)省節(jié)段梁存放場(chǎng)地面積，還能對(duì)邊跨支架施加長(zhǎng)期壓力以穩(wěn)定支架變形，利于保證邊跨節(jié)段拼裝施工線形。

3.5 主梁預(yù)應(yīng)力

結(jié)合高速鐵路大跨度節(jié)段預(yù)制拼裝混凝土斜拉橋主橋受力、施工特點(diǎn)及需求，按照預(yù)應(yīng)力束功能區(qū)分，經(jīng)研究分析采用了預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼絞線、體內(nèi)和體外布束相結(jié)合的混合布束體系[12]，既滿足主梁受力、施工方便需求，又能充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)螺紋鋼筋和鋼絞線的各自優(yōu)勢(shì)性能，改善主梁受力和耐久性能。主梁縱向預(yù)應(yīng)力束按功能分為四類(lèi)(如圖3所示):

圖3 主梁跨中截面預(yù)應(yīng)力布置(單位:cm)

(1)預(yù)制節(jié)段梁拼裝施工臨時(shí)張拉縱向預(yù)應(yīng)力。采用φ50 mm的PSB980預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋，滿足預(yù)制節(jié)段梁拼裝施工時(shí)膠體擠壓、凝固所需0.35～0.45 MPa梁體截面均勻壓應(yīng)力的要求，施工方便快捷。

(2)預(yù)制節(jié)段梁拼裝施工張拉永久縱向預(yù)應(yīng)力。采用φ50 mm的PSB980預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋，連接器及錨具構(gòu)造尺寸小、施工快捷方便、回縮值小適用于短距離預(yù)應(yīng)力束等特性適應(yīng)于節(jié)段梁拼裝施工過(guò)程。

(3)體內(nèi)縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線。采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其抗拉強(qiáng)度高、預(yù)應(yīng)力效益大、預(yù)應(yīng)力索形可彎曲調(diào)整，應(yīng)用于主梁截面局部應(yīng)力調(diào)整。

(4)備用體外縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線。利用主梁橫隔板構(gòu)造，在中跨范圍內(nèi)設(shè)置環(huán)氧鋼絞線體外索備用張拉齒塊、轉(zhuǎn)向裝置預(yù)埋件等，預(yù)留大橋運(yùn)營(yíng)后主梁補(bǔ)張拉預(yù)應(yīng)力條件，作為主梁線形后期調(diào)整備用措施。

4 結(jié)論

不同于公路市政橋梁，高速鐵路大跨度節(jié)段預(yù)制拼裝混凝土斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于大橋剛度、線形控制需滿足高速鐵路列車(chē)運(yùn)營(yíng)要求，因此其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾點(diǎn):

(1)通過(guò)改變結(jié)構(gòu)支承體系可有效控制主梁線形，但受限于較大影響結(jié)構(gòu)受力性能，該方法適用性低。

(2)橋塔塔高變化對(duì)大橋豎向剛度和主梁后期徐變變形改善有限，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)以滿足構(gòu)造需求和受力性能為要。

(3)采用高強(qiáng)度的斜拉索對(duì)改善主梁后期徐變變形有較為明顯的效果，因此斜拉索設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用更高強(qiáng)度的斜拉索。

(4)主梁預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)采用混合布束體系，能充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)螺紋鋼筋和鋼絞線的各自優(yōu)勢(shì)性能，方便節(jié)段預(yù)制拼裝施工，滿足主梁受力及耐久性能需求。

目前，廣汕鐵路增江特大橋主橋正在建設(shè)過(guò)程中，實(shí)際施工過(guò)程已做到1～2 d完成一節(jié)梁段的拼裝施工，相較掛籃澆筑施工具有明顯的工期優(yōu)勢(shì)。