胡志冰

（河南交投民沈高速公路有限公司，河南鄭州 450016）

0 引言

矮塔斜拉橋是介于連續(xù)梁（剛構(gòu)）橋和斜拉橋之間的一種新橋型。矮塔斜拉橋的橋塔不高，梁高也僅為連續(xù)梁橋的一半，既具有斜拉橋纖細(xì)柔美、高大宏偉的特點(diǎn)，又克服了連續(xù)梁橋的笨重和壓迫感，且具有上下結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)的美感。由Christian Menn 設(shè)計(jì)并建于1981 年的瑞士甘特（Ganter）大橋，是矮塔斜拉橋的雛形。2000 年我國(guó)建成第一座矮塔斜拉橋——蕪湖公鐵兩用大橋。2011 年在京滬高速鐵路天津樞紐，設(shè)計(jì)并建成了一座三塔四跨預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，是我國(guó)第一座高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋。隨著我國(guó)高速鐵路的飛速發(fā)展，加之矮塔斜拉橋具有施工方便、剛度大、抗震性能優(yōu)、美學(xué)形態(tài)好等特點(diǎn)，使得矮塔斜拉橋成為高速鐵路橋型的重要選擇。

1 工程概況

該高速鐵路雙塔雙索面矮塔斜拉橋跨度為（75+110+75）m，位于直線雙線250km/h 無(wú)砟軌道客運(yùn)專線上，線間距5.0m，列車荷載采用ZK 活載，主橋?qū)挾?6.0m[1.00m（人行道）+1.50m（索塔）+3.00m（至線路中心）+5.00m（雙線中心距）+3.00m（至線路中心）+1.50m（索塔）+1.00m（人行道）]，該橋索塔支撐采用塔梁墩固結(jié)形式。設(shè)計(jì)主梁為塔根處無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度為18m，跨中部分為14m，邊跨部分是27m，各跨有索區(qū)長(zhǎng)度都以30m 對(duì)稱布置，全橋孔跨布置圖如圖1所示[1-5]。

圖1 全橋孔跨布置圖（單位：cm）

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主梁

該橋主梁采用的橫截面形式為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱雙室的截面形式（見(jiàn)圖2），主墩支點(diǎn)處梁高5.5m，跨中斷面梁高3m，梁高按二次拋物線變化，箱梁頂寬16m，箱梁底寬14m；箱梁腹板直立設(shè)置，厚度由支點(diǎn)處1.0m 按一次線性漸變至跨中范圍0.4m。頂板厚度一般為0.3m，底板厚度由支點(diǎn)處0.5m 按二次拋物線漸變至跨中范圍0.25m。斜拉索布置在腹板。主梁除支點(diǎn)處設(shè)橫隔板外，每根拉索錨固點(diǎn)處均設(shè)有橫隔板，間距5.0m 左右[6]。

圖2 主梁截面圖（單位：cm）

2.2 橋塔

橋塔采用單柱型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3），梁頂面以上高13m。橋塔形式采用鋼筋混凝土矩形實(shí)心截面，外輪廓作倒角、凹槽等處理，以增加結(jié)構(gòu)的美學(xué)特性[7]。

圖3 橋塔結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）

2.3 斜拉索

為充分利用矮塔的高度，發(fā)揮斜拉索對(duì)梁體的豎向支承作用及斜拉索的最佳景觀效果，該橋采用扇形雙索面雙排索。由于矮塔斜拉橋主梁的剛度較大，結(jié)構(gòu)受力時(shí)，以主梁為主，拉索為輔，同時(shí)為了方便施工，該設(shè)計(jì)采用的主梁上索距為5m，每個(gè)橋塔設(shè)7 對(duì)斜拉索，斜拉索在塔上的索距設(shè)為0.8m。斜拉索采用平行鋼絞線，由37 根直徑15.2mm 鍍鋅鋼絞線或環(huán)氧涂層鋼絞線平行、緊密排列集束而成，鋼絞線的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度可達(dá)1860MPa。每根鋼絞線外包熱擠壓黑色PE 管，索體外套白色或彩色HDPE 管，形成多層防腐保護(hù)體系[8]。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用Midas Civil 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間有限元分析，梁、塔、墩采用梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用索單元模擬，橋墩、梁、塔三體為固結(jié)，采用剛性連接。索的作用點(diǎn)與主梁采用彈性連接中的剛性連接進(jìn)行連接，全橋共劃分184 個(gè)節(jié)點(diǎn)、177 個(gè)單元，梁體采用C50 混凝土，橋塔、橋墩采用C40 混凝土。該橋整體有限元模型如圖4 所示。按照規(guī)范要求在恒載（自重、二期恒載、混凝土收縮及徐變、預(yù)應(yīng)力、基礎(chǔ)變位等）、活載、附加力（溫度力）等荷載組合作用下，從各施工步驟到運(yùn)營(yíng)階段對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面檢算[9]。

圖4 成橋有限元模型

3.1 主梁截面應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002.3—2005）6.3.10條規(guī)定：運(yùn)營(yíng)荷載作用下正截面混凝土壓應(yīng)力（扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后）應(yīng)符合下列規(guī)定。

其一，主力組合作用時(shí)：σc≤0.50fc＝0.5×33.5＝16.75MPa。

其二，主力+附加力組合作用時(shí)：σc≤0.55fc＝0.55×33.5＝18.425MPa。

根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002.3—2005）6.3.7 條規(guī)定：在運(yùn)營(yíng)荷載作用下，混凝土的最大剪應(yīng)力應(yīng)符合公式要求。τc≤0.17fc＝0.17×33.5＝5.695MPa。

根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002.3—2005）6.3.9 條規(guī)定：對(duì)不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力的構(gòu)件，按抗裂計(jì)算的主拉應(yīng)力應(yīng)符合下式要求：σtp≤fct＝3.1MPa，主壓應(yīng)力應(yīng)符合下式要求：σcp≤0.60fc＝0.6×33.5＝20.1MPa。

在各種可能的荷載組合下，主梁各截面的應(yīng)力檢算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 主梁在荷載組合作用下的應(yīng)力檢算結(jié)果匯總表 單位：MPa

由表1 可知，該橋在荷載組合作用下的主梁的正應(yīng)力、主應(yīng)力、剪應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3.2 主梁剛度計(jì)算

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621—2014）7.3.2 條規(guī)定，梁體的豎向變形、變位限值應(yīng)符合下列規(guī)定：該次設(shè)計(jì)的列車速度為250km/h 相應(yīng)的邊跨的豎向撓度不應(yīng)大于0.6 倍的L/1400，中跨的豎向撓度不應(yīng)大于0.6 倍的L/1000。梁體豎向撓度見(jiàn)表2，從表2 可知主梁的剛度滿足規(guī)范要求[10]。

表2 豎向撓度驗(yàn)算表 單位：mm

3.3 斜拉索檢算

3.3.1 斜拉索的組合應(yīng)力檢算

計(jì)算斜拉索組合應(yīng)力按容許應(yīng)力法進(jìn)行檢算，具體檢算條件為：

σmax≤[σ]=0.6Ry=0.6×1860=1116MPa（1）式（1）中：σmax為斜拉索的最大組合應(yīng)力（正常使用極限狀態(tài)的應(yīng)力計(jì)算組合工況）。設(shè)計(jì)中要求對(duì)每根斜拉索均進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度檢算。結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 運(yùn)營(yíng)階段斜拉索最大應(yīng)力表 單位：MPa

由表3 可知斜拉索的最大拉應(yīng)力發(fā)生在C4’上，斜拉索組合應(yīng)力最大值為：σmax=649.28MPa≤0.6fpk=1116MPa，斜拉索的拉應(yīng)力滿足要求。

3.3.2 疲勞檢算

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621—2014）未對(duì)斜拉索疲勞強(qiáng)度檢算提出明確要求。設(shè)計(jì)中的斜拉索疲勞檢算方法為：要求斜拉索的疲勞應(yīng)力幅度小于50MPa，即公式：斜拉索的疲勞應(yīng)力幅度＝最大活載應(yīng)力-最小活載應(yīng)力，結(jié)果參見(jiàn)表4。

表4 運(yùn)營(yíng)階段斜拉索最大應(yīng)力幅檢算

表4（續(xù)）

運(yùn)營(yíng)階段斜拉索最大活載應(yīng)力幅出現(xiàn)在C4’索上，其值為42.38MPa＜[△σ]＝50MPa，故斜拉索疲勞滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

采用（75+110+75）m 雙塔雙索面矮塔斜拉橋，增加了結(jié)構(gòu)的剛度，提高了施工的便利性，優(yōu)化了橋梁美感。通過(guò)對(duì)該橋主梁截面的正應(yīng)力、主應(yīng)力、剪應(yīng)力、剛度進(jìn)行檢算，各項(xiàng)應(yīng)力指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。對(duì)該橋斜拉索進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞檢算的結(jié)果，各項(xiàng)指標(biāo)亦滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。通過(guò)對(duì)該雙塔雙索面矮塔斜拉橋進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，為后續(xù)的高速鐵路矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)提供參考。