楊得海,阮秋菊,林 騁

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 項(xiàng)目概況

新建深圳至汕尾鐵路在深圳市境內(nèi)跨越深圳水庫，深圳水庫總庫容4 496萬m3，其設(shè)計(jì)洪水位28.83 m，正常蓄水位27.60 m，防洪、供水及調(diào)蓄是該水庫的主要功能[1]。線路跨越深圳水庫橋位示意如圖1所示，橋址處地勢低洼，兩側(cè)為丘陵地帶，橋址處深圳水庫寬約150 m，跨越位置處為二級水源保護(hù)區(qū)，兩側(cè)緊鄰深圳水庫一級水源保護(hù)區(qū)。

圖1 深圳水庫特大橋主橋橋位示意

為減小對水源保護(hù)區(qū)的破壞，同時本著綠色環(huán)保的建造理念，水庫管理部門要求一跨跨越。深圳水庫特大橋在小里程側(cè)接隧道，主要控制點(diǎn)為城市道路以及水庫管理室的地下通道，由此橋梁墩位只能設(shè)置在圖1右側(cè)圓圈附近。橋梁在大里程側(cè)跨越省道，鄰近水庫邊埋有大型市政管線，需保證足夠距離，由此，大里程側(cè)橋墩僅能設(shè)置在圖1左側(cè)圓圈附近。因此，綜合建設(shè)管理部門要求及場地建設(shè)條件，深圳水庫特大橋主橋的主跨跨度定為242 m。大橋在跨越深圳水庫后，緊接著在線路大里程側(cè)需跨越省級道路，考慮到道路遠(yuǎn)期拓寬，結(jié)合周邊地形，大橋邊跨約為140 m。

橋梁設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：設(shè)計(jì)時速為350 km，采用線間距5.0 m雙線無砟軌道，設(shè)計(jì)活載為ZK活載。橋梁所在場地的抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度為0.1g，反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。橋址處土層類型主要有粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

2 主橋方案比選

綜合場地建設(shè)條件、經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)性等要求，有兩種方案供比選，分別是孔跨(78+242+139+36) m高低塔部分斜拉橋方案[2-4]及布置為(33+242+143+44+29) m混合梁獨(dú)塔斜拉橋方案[5-7]?，F(xiàn)就兩種橋型方案分別進(jìn)行介紹，并作對比分析。

2.1 部分斜拉橋方案

高低塔部分斜拉橋方案孔跨布置為(78+242+139+36) m，全橋立面布置如圖2所示。小里程側(cè)橋面以上塔高39 m，大里程側(cè)橋面以上塔高60 m。橋梁主梁采用預(yù)應(yīng)力變高單箱雙室混凝土箱梁。高塔側(cè)中支點(diǎn)梁高12 m，低塔側(cè)中支點(diǎn)梁高10 m，跨中及邊支點(diǎn)梁高6 m。斜拉索采用單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線拉索體系，外套HDPE，空間雙索面體系，全橋共設(shè)21對斜拉索，其中，低塔側(cè)7對，高塔側(cè)14對。

圖2 (78+242+139+36) m高低塔部分斜拉橋方案總體布置(單位：cm)

2.2 獨(dú)塔斜拉橋方案

獨(dú)塔混合梁斜拉橋方案主橋跨度為(33+242+143+44+29) m，其總體布置如圖3所示。大橋主梁采用雙主梁結(jié)構(gòu)形式，梁高4.6 m。主梁第1、4、5孔為分離式雙箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，在主梁第2、3孔靠近邊墩的區(qū)域設(shè)置鋼-混過渡段，第2孔及第3孔中間則為分離式雙箱單室鋼箱梁[8]，如圖3所示。鋼結(jié)構(gòu)橋面系為正交異性板橋面，采用V形加勁肋，鋼橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距3.0 m。主塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋面以上塔高127 m，斜拉索采用fpk=1 670 MPa的平行鋼絲拉索，主要規(guī)格為PES7-199～PES7-337，為空間雙索面形式，立面上每塔兩側(cè)共15對索，全橋共計(jì)60根斜拉索。

圖3 (33+242+143+44+29) m混合梁獨(dú)塔斜拉橋方案總體布置(單位：cm)

2.3 方案對比

運(yùn)用“橋梁博士”軟件建立兩種橋式方案的空間有限元模型，并對各施工階段及運(yùn)營階段進(jìn)行計(jì)算分析。兩種橋式方案的綜合比較如表1所示。需要說明的是，線路在深圳水庫附近的縱斷面不受橋梁結(jié)構(gòu)高度控制，兩種橋型方案雖梁高差異大，但對線路整體影響并不突出，因此，在橋型對比中暫不考慮兩種方案對總體方案的影響。由表1可知，部分斜拉橋方案技術(shù)成熟，在結(jié)構(gòu)剛度、工程投資、施工難度、運(yùn)營維護(hù)等方面具有優(yōu)勢[8-9]。獨(dú)塔斜拉橋方案技術(shù)可行，在景觀效應(yīng)、施工工期等方面具有優(yōu)勢，但施工工藝相對較復(fù)雜，主橋結(jié)構(gòu)剛度相對較低，需通過車橋耦合分析進(jìn)一步驗(yàn)算其行車舒適性及安全性[10]。經(jīng)過綜合比選，最終選擇高低塔部分斜拉橋方案作為深圳水庫特大橋主橋的推薦方案。

表1 深圳水庫特大橋橋式方案比較

3 技術(shù)分析

為進(jìn)一步優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)，對于推薦的部分斜拉橋方案，在結(jié)構(gòu)體系、主梁高度、橋墩形式、雙肢薄壁墩間距及橋塔高度等方面進(jìn)行技術(shù)分析。

3.1 結(jié)構(gòu)體系

部分斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系主要有剛構(gòu)體系(塔梁墩固結(jié))與剛構(gòu)連續(xù)梁體系(塔梁固結(jié)或塔墩固結(jié))[11-12]。為分析不同結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，本節(jié)以推薦的方案為原型，對剛構(gòu)體系部分斜拉橋與剛構(gòu)連續(xù)梁體系部分斜拉橋進(jìn)行計(jì)算分析。兩種體系的區(qū)別主要在于低塔側(cè)墩梁的連接方式有所差異，兩種體系塔梁間均設(shè)為固結(jié)，剛構(gòu)體系的墩梁為固結(jié)，而剛構(gòu)連續(xù)梁體系墩梁間設(shè)活動支座。

分別建立兩種體系橋梁的空間有限元分析模型，得到運(yùn)營階段下兩種體系的靜活載撓度曲線，如圖4所示，并給出兩種體系下主梁的靜活載撓度、梁端轉(zhuǎn)角及樁身最大豎向力，如表2所示。由圖4、表2可知，兩種方案的剛度差異比較明顯，其中，剛構(gòu)體系的靜活載撓度與梁端轉(zhuǎn)角均較小，這是符合預(yù)期的，與剛構(gòu)連續(xù)梁體系相比，剛構(gòu)體系的剛度毋庸置疑是最大的；然而，從兩種體系基礎(chǔ)的受力對比情況來看，剛構(gòu)體系下樁基礎(chǔ)在主力+附加力組合時的受力更大，需增大樁基礎(chǔ)配置，增加工程造價。因此，綜合兩種體系計(jì)算結(jié)果來看，剛構(gòu)連續(xù)梁體系的優(yōu)勢更明顯。

圖4 不同結(jié)構(gòu)體系橋梁跨中靜活載撓度對比

3.2 梁高

梁體高度是影響橋梁結(jié)構(gòu)剛度及強(qiáng)度的關(guān)鍵因素[13]，為研究其對結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算的影響規(guī)律，保持其他條件不變，將橋梁跨中及邊支點(diǎn)的梁高分別取為5.5，6，6.5 m，得到橋梁跨中的剛度結(jié)果如表3所示。由表3可見，隨著梁高增加，橋梁結(jié)構(gòu)撓度及梁端轉(zhuǎn)角幾乎呈線性減小趨勢，梁體剛度顯著增大，而跨中徐變變形則不斷增加。該橋梁需鋪設(shè)無砟軌道，對梁端轉(zhuǎn)角的限制較為嚴(yán)格，梁高5.5 m時梁端轉(zhuǎn)角已然超出規(guī)范限值。梁高為6.5 m時，其徐變已超出20 mm限值，且較梁高6 m相比，其梁體混凝土用量及自重也會相應(yīng)增加。因此，跨中及邊支點(diǎn)的梁高按6 m設(shè)計(jì)。

表3 不同梁高時橋梁剛度對比

3.3 橋墩形式

對于部分斜拉橋而言，橋墩結(jié)構(gòu)主要有實(shí)心墩，雙肢薄壁墩等結(jié)構(gòu)形式[14]?，F(xiàn)以推薦的部分斜拉橋方案為基礎(chǔ)，研究橋墩結(jié)構(gòu)形式對橋梁靜力分析結(jié)果的影響。保持其他條件一致，高塔側(cè)主墩分別采用實(shí)心墩與雙肢薄壁墩，通過計(jì)算分析，不同橋墩形式下橋梁結(jié)構(gòu)剛度對比情況如表4所示。

表4 不同橋墩型式時橋梁剛度對比

由表4可知，實(shí)體墩橋梁的靜活載撓度與梁端轉(zhuǎn)角均較大，橋梁整體剛度偏小，且實(shí)體墩的基礎(chǔ)剛性角難以滿足規(guī)范要求[15]，需增加承臺配筋量。此外，表5還給出了實(shí)體墩與雙肢薄壁墩的混凝土用量對比情況，可以看出，采用實(shí)心墩時，下部結(jié)構(gòu)混凝土用量比用雙肢薄壁墩時多20.4%，故實(shí)心墩應(yīng)用于本橋的經(jīng)濟(jì)性較差，雙肢薄壁墩的適用性更強(qiáng)。

表5 不同橋墩形式時混凝土用量對比 m3

3.4 雙肢薄壁墩間距

以往關(guān)于薄壁墩間距的研究中，大多是針對連續(xù)剛構(gòu)橋體系[16-17]。為研究這一因素對部分斜拉橋的影響，保持其他參數(shù)不變，取薄壁墩間距分別為7.5，8.5，9.5 m，輸出主力工況下橋梁樁基礎(chǔ)樁身最大豎向力及承臺頂彎矩的計(jì)算結(jié)果，如表6所示。根據(jù)表6可知，隨著雙肢薄壁墩間距增加，橋梁樁基礎(chǔ)的樁身最大豎向力和承臺頂彎矩不斷增大，而軸力呈減小趨勢，但變化幅度較小。這是由于上部結(jié)構(gòu)的荷載是固定的，間距拉大時，主墩中心線越遠(yuǎn)離主塔中心線，由上部結(jié)構(gòu)傳至下部結(jié)構(gòu)的路徑會加長，則軸力越小，但兩薄壁墩關(guān)于承臺中心的彎矩會逐漸增大。結(jié)合人字形橋塔底部的間距，最終取雙肢薄壁墩中心間距為7.5 m。

表6 雙肢薄壁墩間距對基礎(chǔ)內(nèi)力影響

3.5 橋塔高度

在其他參數(shù)不變的情況下，取大里程側(cè)橋塔的高度分別為50，60，70 m(主梁以上部分)，計(jì)算不同橋塔高度下橋梁主梁內(nèi)力及位移結(jié)果，分別如表7、表8所示。由表7、表8可以看出，隨著橋塔高度增加，主梁的內(nèi)力、靜活載撓度、徐變及梁端轉(zhuǎn)角顯著減小，幾乎呈線性趨勢，這也說明橋塔高度的增加會使得結(jié)構(gòu)剛度明顯提高[18-20]。綜合經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性指標(biāo)，最終取高塔側(cè)塔高60 m，低塔側(cè)塔高39 m。

表7 橋塔高度對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響 MN·m

表8 橋塔高度對橋梁結(jié)構(gòu)剛度影響

4 主橋設(shè)計(jì)

經(jīng)過方案比選，確定了剛構(gòu)連續(xù)梁體系部分斜拉橋?yàn)橥扑]方案，現(xiàn)就該方案的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)及主要計(jì)算結(jié)果進(jìn)行介紹。

4.1 主梁

大橋主梁采用混凝土強(qiáng)度等級C55直腹板單箱雙室截面，梁體各控制截面梁高分別為：邊跨直線段及中跨跨中截面最低點(diǎn)處梁高6.0 m，高塔處主梁梁高12.0 m，低塔處主梁梁高10.0 m，梁高均按1.5次拋物線變化。全橋主墩處、輔助墩處、邊墩處及中跨跨中處設(shè)置橫隔梁，此外，全梁共設(shè)40道半橫梁，高2.8 m，寬0.8～1.0 m，位置與斜拉索下錨固端位置一一對應(yīng)。橋梁跨中箱梁斷面如圖5所示。

圖5 主梁典型箱形斷面(單位：cm)

4.2 主塔

大橋采用直立式橋塔，縱向?yàn)椤叭恕弊中?，塔柱采用矩形?shí)體截面，四周設(shè)置0.4 m倒角，橋塔自下而上由2根塔柱逐漸合并為1根塔柱。大里程側(cè)橋塔在上塔柱區(qū)域設(shè)置橫梁，增強(qiáng)兩塔柱的聯(lián)系。材料方面，主梁往上1 m范圍內(nèi)塔柱采用C55混凝土，其余部分則采用C50混凝土。小里程側(cè)橋塔立面構(gòu)造如圖6所示。

圖6 低塔構(gòu)造(單位：cm)

4.3 主墩與基礎(chǔ)

主墩采用雙薄壁墩。墩高19.0 m，墩頂2.0 m范圍采用C55混凝土，其余墩身部分采用C50混凝土。主墩墩身標(biāo)準(zhǔn)段為矩形截面，沿橋縱向?qū)?.8 m，橫橋向?qū)?5.8 m，四角倒角0.4 m×0.4 m，兩實(shí)心薄壁墩中心距7.2 m。主墩下部3 m范圍加寬，線形變化：順橋向?qū)捰?.8 m變化至4.8 m，橫橋向?qū)捰?5.8 m變化至17.8 m。主墩基礎(chǔ)采用30-φ2.0 m樁基礎(chǔ)，布置形式為5(順橋向)×6(橫橋向)行列式。承臺則采用階梯式，上層承臺尺寸為15.2 m(長)×21 m(寬)×1.5 m(高)，底層承臺尺寸為25.6 m×31.1 m×4.5 m。

4.4 斜拉索

斜拉索采用單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線拉索體系，外套HDPE，空間雙索面體系。高塔一側(cè)斜拉索梁上間距9.0 m，低塔一側(cè)斜拉索不對稱布置，跨中側(cè)斜拉索梁上間距8.0 m，梁端側(cè)間距8.0 m及6.0 m。主梁內(nèi)設(shè)置錨固梁，張拉端設(shè)置在梁上。斜拉索在塔端采用分絲管索鞍貫通，間距為1.5 m。

4.5 主要計(jì)算結(jié)果

主梁在運(yùn)營階段的應(yīng)力及安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果分別如表9、表10所示。主梁相關(guān)位移計(jì)算結(jié)果在技術(shù)分析章節(jié)已經(jīng)羅列，此處不再贅述。至于斜拉索，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，斜拉索安全系數(shù)在主力工況下最小為2.5，在主力加附加力工況下最小為2.43。拉索的最大應(yīng)力幅為85.3 MPa。由此可見，主橋各項(xiàng)指標(biāo)均在規(guī)范要求的限值以內(nèi)，且留有一定富余，主體結(jié)構(gòu)安全可靠。

表9 運(yùn)營階段主梁混凝土應(yīng)力結(jié)果 MPa

表10 運(yùn)營階段主梁相關(guān)安全系數(shù)

5 結(jié)語

以深汕鐵路深圳水庫特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，先對比了高低塔部分斜拉橋與獨(dú)塔斜拉橋兩種橋式方案，并以高低塔部分斜拉橋方案為基礎(chǔ)，研究了結(jié)構(gòu)體系、橋墩形式、薄壁墩間距及橋塔高度等因素對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的影響。并詳細(xì)介紹了高低塔部分斜拉橋方案的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，為同類型的鐵路橋梁設(shè)計(jì)建造提供參考。通過分析得到如下主要結(jié)論。

(1)與獨(dú)塔混合梁斜拉橋相比，高低塔部分斜拉橋方案在結(jié)構(gòu)剛度、工程投資、施工難度、運(yùn)營維護(hù)等方面具有優(yōu)勢。

(2)在部分斜拉橋方案中，剛構(gòu)連續(xù)體系搭配雙肢薄壁墩能夠優(yōu)化橋梁下部結(jié)構(gòu)受力，且經(jīng)濟(jì)性良好。

(3)其他條件不變時，增加梁高與橋塔高度會顯著提高結(jié)構(gòu)剛度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，可結(jié)合經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)合理確定。

(4)綜合而言，高低塔部分斜拉橋結(jié)構(gòu)是一種合理可靠的結(jié)構(gòu)體系，尤其適用于控制點(diǎn)密集、橋位選擇受限的區(qū)域。