夏小任, 楊裕堯

(昌九城際鐵路股份有限公司，江西 南昌 330002)

斜拉橋作為一種主梁承彎、主塔承壓和拉索受拉的組合體系橋梁，結(jié)構(gòu)受力明確，形式優(yōu)美，可以同時(shí)滿足大跨度和受力的需求，被廣泛地應(yīng)用在國內(nèi)外跨海跨江的橋梁建設(shè)中。

近年來，隨著工程界對(duì)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型理念，以及可持續(xù)性發(fā)展理念的深入理解，公路和鐵路共用橋位的思路得到各國工程師的青睞，公鐵兩用斜拉橋成為一種重要的占用跨海跨江通道資源節(jié)約型的橋型。由于同時(shí)具備了跨越能力、受力合理、結(jié)構(gòu)優(yōu)美、資源節(jié)約等多方面的優(yōu)勢(shì)，伴隨著高速鐵路在我國的迅猛發(fā)展，國內(nèi)的超大跨度公鐵兩用斜拉橋得到了迅猛發(fā)展，相繼建成了如銅陵長江大橋，滬蘇通長江大橋和平潭海峽大橋等具有代表性的公鐵兩用斜拉橋[1]。

目前，千米級(jí)公鐵兩用斜拉橋可選用的主梁布置形式主要有公鐵同層布置鋼箱梁方案和公鐵分層布置鋼桁梁斷面。公鐵分層鋼桁梁斷面結(jié)構(gòu)剛度大，公路、鐵路行車影響小，經(jīng)常被用來作為千米級(jí)橋梁的主梁斷面。千米級(jí)大跨公鐵橋梁跨度大、荷載重、結(jié)構(gòu)非線性效應(yīng)顯著，且風(fēng)-車-橋耦合效應(yīng)突出等問題尤為突出，不僅給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，而且也給后期施工安全、結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制和運(yùn)營維護(hù)提出了更高的要求[2]，因此對(duì)其主梁斷面形式開展研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 概 況

1.1 工程概況

某跨海工程為充分利用通道資源，節(jié)約工程投資，工可階段同精度研究了雙線鐵路+六車道高速公路的公鐵合建橋梁方案，根據(jù)通航安全、防撞合理、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)性等要求，主通航孔橋采用140+420+1080+406+140 m斜拉橋，非通航孔橋采用 126+224+700+224+126 m斜拉橋，橋式立面布置見圖1。

圖1 橋式立面布置/m

主通航孔橋采用半漂浮體系，主塔采用鉆石型C60鋼筋混凝土橋塔，承臺(tái)以上塔高330 m，斜拉索采用抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為2000 MPa的平行鋼絲索，扇形索面布置[3]。

橋址區(qū)域風(fēng)環(huán)境惡劣，受臺(tái)風(fēng)影響頻繁，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速達(dá)42 m/s，科學(xué)合理的選擇主梁斷面形式是本橋的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，國內(nèi)外對(duì)千米級(jí)公鐵兩用橋桁梁斷面形式有一定的科研、工程經(jīng)驗(yàn)積累，但一般多針對(duì)四線鐵路+六車道公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下的主梁斷面開展。為探尋適用于雙線鐵路+六車道公路千米級(jí)斜拉橋最優(yōu)主梁斷面形式，掌握不同主梁結(jié)構(gòu)形式的受力特性及優(yōu)缺點(diǎn)，更好地對(duì)超大跨度公鐵合建橋梁建設(shè)方案進(jìn)行技術(shù)決策，有必要對(duì)其主梁形式、風(fēng)-車-橋耦合效應(yīng)等開展相關(guān)專題研究[4～7]。本文采用MIDAS CIVIL2020建立三維空間有限元模型(圖2)對(duì)斜拉橋的主梁斷面形式進(jìn)行了計(jì)算分析，其中主梁、橋塔、下部結(jié)構(gòu)采用梁單元，斜拉索采用索單元，材料按照主橋設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)模擬，全橋模型共計(jì)9420個(gè)節(jié)點(diǎn)，25407個(gè)單元。

圖2 主通航孔橋三維模型

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1 公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

所采用的公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：

(1)公路等級(jí)：高速公路；

(2)車道：雙向六車道；

(3)設(shè)計(jì)速度：100 km/h；

(4)荷載等級(jí)：公路Ⅰ級(jí)；

(5)公路路面總寬：33 m。

1.2.2 鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

所采用的鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：

(1)鐵路等級(jí)：高速鐵路；

(2)設(shè)計(jì)行車速度：250 km/h；

(3)正線數(shù)目：雙線；

(4)正線線間距：4.6 m；

(5)設(shè)計(jì)荷載：ZK荷載。

2 建設(shè)條件

2.1 海域地形

橋址位置海域海底地形總體上為東低西高，水道窄而深，狹窄處寬度約為3 km，平均高程-50 m，底部剖面呈中部低、兩端高的馬鞍形態(tài)，中部最低高程可達(dá)-110 m[8～10]。

2.2 氣象條件

工程區(qū)域年平均氣溫16.9 ℃，年極端最高氣溫40.6 ℃，年極端最低氣溫-6.6 ℃。

設(shè)計(jì)最大風(fēng)速v10=42 m/s，年平均7級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)53 d，8級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)18 d[7～9]。

2.3 海域水文

300年一遇最高潮位+3.92 m，最低潮位-2.69 m，最大設(shè)計(jì)流速3.14 m/s；20年一遇最高潮位+3.19 m，最低潮位-2.41 m，最大設(shè)計(jì)流速2.98 m/s；百年一遇最大浪高8.89 m[8～10]。

2.4 通航

通航代表船型為7萬t級(jí)集裝箱船和8萬t級(jí)油船，通航尺度為900 m×62.65 m，最高通航水位3.35 m，最低通航水位-2.18 m[8～10]。

2.5 地震

抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度0.10g，基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期0.35 s[11]。

3 主梁斷面形式調(diào)研

對(duì)國內(nèi)外40余座已建、在建的公鐵分層合建斜拉橋主梁斷面進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)調(diào)研，對(duì)于雙線鐵路+公路標(biāo)準(zhǔn)公鐵分層合建斜拉橋，主要采用的截面形式有矩形截面、倒梯形截面、雙片斜桁斷面以及三片桁斷面形式(表1)，由圖3公路分層合建斜拉橋主梁斷面形式占比可知，采用倒梯形主梁斷面的比例最大，三片桁的比例最少[12～19]。

圖3 公鐵分層合建斜拉橋主梁斷面形式占比

表1 公鐵分層合建橋梁常用主梁橫斷面

4 主梁結(jié)構(gòu)方案

4.1 主梁截面形式

主航道橋主跨達(dá)1050 m，橋區(qū)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速達(dá)42 m/s，主桁截面選擇除滿足使用功能基本要求外，還要綜合考慮剛度、結(jié)構(gòu)受力、風(fēng)-車-橋耦合效應(yīng)等因素。結(jié)合上節(jié)國內(nèi)外眾多同類橋梁的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[16]，常用的橫斷面布置主要有以下2種：倒梯形截面和矩形截面。本文在上述2種斷面形式的基礎(chǔ)上增加研究了上層公路橋面兩側(cè)為鋼箱的倒品字形截面，采用MIDAS CIVIL2020建立三維空間有限元模型，對(duì)3種主梁斷面(圖4)從靜動(dòng)力方面進(jìn)行了綜合比選(表2)。

表2 主梁橫斷面形式比選

圖4 主梁截面方案/cm

(1)靜力性能方面，相較于方案一,方案二雖橫向剛度及豎向剛度較好，但其荷載作用梁端轉(zhuǎn)角及最大縱坡變化值較大，軌道平順性最差，方案三雖橫向剛度、豎向剛度和軌道平順性較好，但其用鋼量增加了4.9%，經(jīng)濟(jì)性稍差。

(2)動(dòng)力特性方面，方案二的顫振臨界風(fēng)速最大，方案一、方案三顫振臨界風(fēng)速相對(duì)較小，但大于檢驗(yàn)風(fēng)速73.4 m/s；方案二豎向渦振起振風(fēng)速最小，扭轉(zhuǎn)渦振起振風(fēng)速最大。

綜上所述，3個(gè)方案豎向剛度、荷載作用下主梁最大縱坡變化值差別不大，方案二和方案三橫向剛度大，抗風(fēng)性能好，但用鋼量大，經(jīng)濟(jì)性差，推薦采用方案一倒梯形主梁斷面。

4.2 主桁寬度

對(duì)于推薦的倒梯形主梁斷面，上層公路橋面寬度受公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，斜拉索橫向間距最小需要35 m，下層鐵路橋面系受鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)寬度要求，兩片桁橫向間距最小需要14 m，為研究主桁寬度對(duì)鋼桁梁斜拉橋各項(xiàng)性能的影響，對(duì)比研究了桁寬14，15，16，17 m 4種方案。采用MIDAS CIVIL2020對(duì)4種主梁方案從靜動(dòng)力方面進(jìn)行了綜合比選(表3)。

表3 主桁寬度比選

(1)靜力性能方面，隨著桁寬的增加，主梁橫向剛度、豎向剛度及主梁用鋼量變大，梁端轉(zhuǎn)角及荷載作用下最大縱坡變化值減小。當(dāng)桁寬增加21.4%，主梁橫向剛度增大11%，豎向剛度增大2.3%，梁端轉(zhuǎn)角減小3.4%，荷載作用下最大縱坡變化值減小3.2%，主梁用鋼量增大4.1%。

(2)動(dòng)力性能方面，隨著桁寬的增加，扭彎比、顫振臨界風(fēng)速及扭轉(zhuǎn)渦振起振風(fēng)速增大，豎向渦振起振風(fēng)速變化不大。當(dāng)桁寬增加21.4%，扭彎比增大4.7%，顫振臨界風(fēng)速增大8.5%，豎向渦振起振風(fēng)速基本不變，扭轉(zhuǎn)渦振起振風(fēng)速增大4.6%。

綜上所述，4種方案均可滿足規(guī)范要求，桁寬對(duì)主梁橫向剛度和顫振臨界風(fēng)速影響較大，對(duì)主梁豎向剛度、荷載作用下最大縱坡變化值、梁端轉(zhuǎn)角和渦振起振風(fēng)速影響較小，綜合考慮主梁斷面布置和經(jīng)濟(jì)性能，推薦采用桁寬15 m主梁方案。

4.3 主桁高度

主梁桁高主要受行車凈空、橫向桿件受力、主橋橫、豎向剛度和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造細(xì)節(jié)控制，根據(jù)建筑限界計(jì)算結(jié)果，本橋最小主桁高度需要13.466 m，為研究主桁高度對(duì)鋼桁梁斜拉橋各項(xiàng)性能的影響，對(duì)比研究了桁高13.5，14.5，15.5 m 3種方案。采用MIDAS CIVIL2020對(duì)3種主梁方案從靜動(dòng)力方面進(jìn)行了綜合比選(表4)。

表4 主桁高度比選

(1)靜力性能方面，隨著桁高的增加，主梁橫向剛度、梁端轉(zhuǎn)角及荷載作用下最大縱坡變化值減小，豎向剛度及主梁用鋼量增大。當(dāng)桁高增加14.8%，主梁橫向剛度減小2.9%，豎向剛度增大5.2%，梁端轉(zhuǎn)角減小12.6%，荷載作用下最大縱坡變化值減小10.4%，主梁用鋼量增大1.7%。

(2)動(dòng)力性能方面，隨著桁高的增加，扭彎比、顫振臨界風(fēng)速及扭轉(zhuǎn)渦振起振風(fēng)速降低，豎向渦振起振風(fēng)速增大。當(dāng)桁高增加14.8%，扭彎比降低3.3%，顫振臨界風(fēng)速降低1.1%，豎向渦振起振風(fēng)速增大1.6%，扭轉(zhuǎn)渦振起振風(fēng)速降低1.9%。

綜上所述，3種方案均可滿足規(guī)范要求，桁高對(duì)主梁豎向剛度、梁端轉(zhuǎn)角、荷載作用下最大縱坡變化值影響較大，對(duì)主梁橫向剛度、顫振臨界風(fēng)速影響較大，對(duì)渦振起振風(fēng)速影響較小，考慮到梁高越高主梁用鋼量越大，經(jīng)濟(jì)性越差，推薦采用桁高13.5 m主梁方案。

4.4 主桁節(jié)間長度

千米級(jí)公鐵兩用斜拉橋跨度大、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，加勁梁主桁內(nèi)力較大，主桁架需采用較大的桿件截面，較短的節(jié)間長度弦桿桿端將產(chǎn)生較大的次彎距。

由國內(nèi)公鐵兩用斜拉橋鋼桁梁節(jié)間長度統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表5)可以看出，千米級(jí)公鐵分層合建鋼桁梁斜拉橋普遍采用的節(jié)間長度為14 m，本橋鋼桁梁采用整體節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置焊縫密集，減小弦桿高度與節(jié)間長度之比，降低桿件次應(yīng)力很有必要；但節(jié)間長度過大，桿件重量和主梁節(jié)段重量將加大，不便于施工，綜合考慮主桁受力、主梁重量、節(jié)間數(shù)量，節(jié)間長度推薦采用14 m。

表5 國內(nèi)公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋主梁節(jié)間長度

5 推薦主梁方案設(shè)計(jì)

5.1 主桁節(jié)間長度

綜上所述，本橋主梁推薦采用倒梯形主梁斷面，采用N形桁，橫向桁間距15 m，桁高13.5 m，節(jié)間距14 m，上層公路橋面采用正交異性板橋面,下層鐵路橋面采用整體鋼箱，斜拉索索梁錨點(diǎn)設(shè)置在上層兩側(cè)幅桁位置，采用錨拉板方案。鋼梁主結(jié)構(gòu)的鋼材材質(zhì)采用Q370qD，局部桿件采用Q420qD。

5.2 抗風(fēng)計(jì)算結(jié)果

通過抗風(fēng)數(shù)值模擬，得到本橋的抗風(fēng)性能主要結(jié)論如下。

(1)在風(fēng)攻角α=0°的情況下，成橋的阻力系數(shù)為0.736；升力系數(shù)曲線和力矩系數(shù)曲線的斜率為正值，升力系數(shù)和阻力系數(shù)之和為正值，可以滿足橋梁氣動(dòng)穩(wěn)定性要求。

(2)在風(fēng)攻角α=0°的情況下，主梁顫振臨界風(fēng)速區(qū)間為87～89 m/s，大于相應(yīng)狀態(tài)的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速73.48 m/s，顫振穩(wěn)定性能滿足要求[20,21]。

5.3 風(fēng)-車-橋耦合動(dòng)力分析結(jié)果

(1)橋梁在列車通過時(shí)的最大動(dòng)力系數(shù)1.052，未發(fā)生顯著共振。

(2)無風(fēng)狀態(tài)下，CRH動(dòng)車組以120～240 km/h車速通過時(shí)，滿足各項(xiàng)車輛運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性指標(biāo)，平穩(wěn)性指標(biāo)為優(yōu)。

(3)當(dāng)橋面平均風(fēng)速不超過20 m/s時(shí)，CRH動(dòng)車組限速220 km/h通行；橋面平均風(fēng)速25 m/s時(shí)，CRH動(dòng)車組限速200 km/h通行；橋面平均風(fēng)速30 m/s時(shí)，CRH動(dòng)車組限速160 km/h通行。

6 后期安全質(zhì)量管理要求

對(duì)于采用倒梯形主梁斷面的千米級(jí)公鐵兩用斜拉橋，考慮到主梁截面橫向桁間距15 m，桁高13.5 m，且單個(gè)節(jié)間距達(dá)14 m，為保證后期施工安全、結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制和運(yùn)營維護(hù)安全，對(duì)其安全質(zhì)量管理提出了具體要求：

(1)從科學(xué)發(fā)展管理層面講，積極運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)的施工技術(shù)加以改進(jìn)，實(shí)施好鋼桁梁弦桿制造、桿件焊接、桿件制孔等關(guān)鍵工序，一方面能降低橋梁建設(shè)的質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)，另一方面又能延長橋梁服役后的使用壽命，確保每一個(gè)施工環(huán)節(jié)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，最終為工程順利建設(shè)提供支撐。

(2)從全壽命管理層面講，在保證工程順利建設(shè)的前提下，應(yīng)對(duì)超大跨度斜拉橋運(yùn)營養(yǎng)護(hù)安全管理提出更高的要求，建立車輛和環(huán)境耦合作用下斜拉橋綜合健康監(jiān)測系統(tǒng)，全面反映大橋尤其是鋼桁梁的結(jié)構(gòu)狀況及行車狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼桁梁整體構(gòu)件和局部桿件潛在的安全隱患，通過與BIM管理系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大橋全壽命期的信息共享與利用，以及公鐵兩用斜拉橋運(yùn)營養(yǎng)護(hù)管理模式向“預(yù)見修”的方向發(fā)展。

7 結(jié) 論

雙線鐵路+六車道高速公路千米級(jí)公鐵分層合建鋼桁梁斜拉橋，跨度大、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，選擇合理的主梁斷面形式不僅是橋梁的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，而且也與后期橋梁的施工、運(yùn)營和維護(hù)等息息相關(guān)。本文以某千米級(jí)跨海橋梁工程為研究對(duì)象，對(duì)雙線鐵路+六車道高速公路公鐵分層合建鋼桁梁的主梁斷面形式、主桁寬度、主桁高度、主桁節(jié)間長度進(jìn)行了對(duì)比研究，主要結(jié)論如下。

(1)對(duì)于雙線鐵路+公路標(biāo)準(zhǔn)公鐵分層合建斜拉橋，國內(nèi)外類似工程主要采用的截面形式有矩形截面、倒梯形截面、雙片斜桁斷面以及三片桁斷面形式，其中采用倒梯形主梁斷面的比例最大。

(2)倒梯形主梁斷面同其他斷面形式相比，豎向剛度、主梁最大縱坡變化值相當(dāng)，橫向剛度及抗風(fēng)性能稍差，但主梁用鋼量小，經(jīng)濟(jì)性好，推薦采用倒梯形主梁斷面。

(3)桁寬對(duì)主梁橫向剛度和顫振臨界風(fēng)速影響較大，對(duì)主梁豎向剛度、荷載作用下最大縱坡變化值、梁端轉(zhuǎn)角和渦振起振風(fēng)速影響較小，推薦采用桁寬15 m。

(4)桁高對(duì)主梁豎向剛度、梁端轉(zhuǎn)角、荷載作用下最大縱坡變化值影響較大，對(duì)主梁橫向剛度、顫振臨界風(fēng)速影響較大，對(duì)渦振起振風(fēng)速影響較小，推薦采用桁高13.5 m。

(5)結(jié)合橋梁腹桿受力、節(jié)間重量、節(jié)間數(shù)量等因素綜合比較，節(jié)間長度推薦采用14 m。

(6)推薦主梁方案靜力性能、風(fēng)-車-橋耦合效應(yīng)良好，滿足規(guī)范要求。

(7)從科學(xué)發(fā)展管理和全壽命管理層面提出了千米級(jí)公鐵兩用斜拉橋安全質(zhì)量管理具體要求，可為類似橋梁的建管養(yǎng)提供參考。