陳 剛

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 工程概況

南寧至玉林高速鐵路是南寧至深圳高鐵的一部分,南深高鐵是連接北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)、珠三角經(jīng)濟(jì)區(qū)和粵港澳大灣區(qū)的快速客運(yùn)通道。南玉高鐵也是自治區(qū)城際鐵路網(wǎng)的重要組成部分,正線長度193.31 km。本線水系發(fā)達(dá),橋梁長124 km,約占線路全長的65%,線路三跨全線最大河流郁江,針對六景郁江特大橋橋位及主橋設(shè)計方案開展研究。

本橋設(shè)計遵循以下設(shè)計原則:①滿足高速鐵路大跨度橋梁鋪設(shè)無砟軌道的要求;②滿足通航、防洪要求;③橋位適應(yīng)線路接入規(guī)劃六景站位要求;④結(jié)構(gòu)相對經(jīng)濟(jì),運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用低。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):①高速鐵路,設(shè)計速度350 km/h;②雙線線路,正線線間距5.0 m,線路平面位于直線上,人字坡;③設(shè)計活載為ZK活載;④CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道;⑤環(huán)境類別及作用等級為一般大氣條件下無防護(hù)措施的地面結(jié)構(gòu),環(huán)境類別為碳化環(huán)境,作用等級T2;⑥正常使用條件下梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用壽命為100年;⑦通航等級為規(guī)劃Ⅰ級。

2 橋位比選

2.1 橋位比選

根據(jù)六景郁江通航要求,結(jié)合研究區(qū)域內(nèi)的既有橋梁分布及河段平順性,考慮本線宏觀走向,研究區(qū)域內(nèi)可供選擇的橋位有:并行高速公路A橋位、并行規(guī)劃張六公路B橋位、楊江村C橋位和巒城鎮(zhèn)D橋位共4處。按通航論證意見,考慮墩身寬度及橋墩防撞設(shè)施影響,主跨跨度需320 m,橋位比選見表1,橋位方案見圖1。

圖1 六景郁江特大橋橋位比選

表1 橋位方案比選

經(jīng)綜合比選,C橋位方案河道順直、水域較窄、最有利于銜接規(guī)劃六景站方案,故采用C橋位方案。

2.2 推薦方案橋址處建設(shè)條件

(1)地形、地貌:橋址處以低山、丘陵區(qū)為主,地面高程在59～113 m之間,相對高差約54 m。橋址位于村莊,交通條件較好。

(2)地質(zhì):橋址區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、細(xì)圓礫土,白堊系下統(tǒng)新隆組砂巖。砂巖:強(qiáng)風(fēng)化,σ0=400 kPa;弱風(fēng)化,σ0=600 kPa。

(3)氣象:橋址區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫21.7 ℃,年平均降水量1 585.4 mm,年平均風(fēng)速2.6 m/s,最大風(fēng)速16.7 m/s。

(4)水文:橋梁上跨郁江,常水位江面寬約500 m,百年一遇流量19 100 m3/s,對應(yīng)洪水位69.64 m、流速2.13 m/s;三百年一遇設(shè)計洪水位72.26 m。

(5)地震參數(shù):按《南寧玉林鐵路地震安評總報告》橋址處地震動峰值加速度0.102g;地震動反應(yīng)特征周期0.35 s。

(6)橋位控制點(diǎn):擬建橋位中心線至上游楊村作業(yè)區(qū)邊緣最小距離73 m;橋位中心線將錨地分割成2 762 m+244 m,需局部調(diào)整錨地;擬建橋位上游140 m處有高壓天然氣管線(壓力10 MPa,管徑1 016 mm,埋深5 m),滿足安全距離要求;擬建橋位與高壓電線斜交角度為30°,高壓線高度臨近鐵路軌面,需遷改。

2.3 橋式方案確定

設(shè)計速度350 km/h、鋪設(shè)無砟軌道的主跨320 m橋梁,其結(jié)構(gòu)剛度需滿足軌道的平順性和列車的平穩(wěn)性、舒適性,結(jié)構(gòu)必須通過加勁提高剛度,可供選擇的橋式方案有:拱橋方案、懸索橋方案和斜拉橋方案。

拱橋(中承式鋼管混凝土或鋼箱拱橋、連續(xù)鋼桁連續(xù)拱、連續(xù)鋼桁柔性拱)方案可行,如代表性的南廣高鐵西江特大橋[1]、南京大勝關(guān)大橋[2]、銀川機(jī)場黃河橋[3]。本橋橋址水面寬約500 m,中承式拱橋方案跨度需500 m以上,但兩岸黏土覆蓋層較厚,主拱施工難度較大;連續(xù)鋼桁拱主墩位于水中,由于拱腳的影響,為滿足通航凈空要求,跨度需在320 m基礎(chǔ)上進(jìn)一步加大。拱橋方案所需跨度大,造價高,施工周期長,施工難度大。

懸索橋系列方案中,可選擇的橋式結(jié)構(gòu)有:地錨式懸索橋、自錨式懸索橋、斜拉索-懸索協(xié)作體系橋。自錨式懸索橋在城市軌道交通中已有應(yīng)用[4],近年來懸索橋在鐵路工程也有應(yīng)用,如麗香鐵路金沙江特大橋[5]、五峰山長江大橋[6]、大渡河特大橋[7],但均為有砟軌道結(jié)構(gòu)?？紤]本線軌道形式為無砟軌道,設(shè)計速度350 km/h,對橋梁剛度要求較高,且結(jié)構(gòu)用鋼量大,故不推薦懸索橋橋式。

斜拉橋方案中,可選擇的橋式結(jié)構(gòu)有:鋼桁梁斜拉橋、鋼箱梁斜拉橋、混凝土斜拉橋、鋼-混混合梁斜拉橋、鋼-混部分斜拉橋方案。鋼桁斜拉橋方案可行,如徐鹽高鐵大跨度連續(xù)鋼桁梁斜拉橋[8],但造價高;鋼箱梁斜拉橋方案可行,但結(jié)構(gòu)用鋼量大,后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用高,工程造價高;混凝土斜拉橋方案受力可行,但因后期混凝土收縮徐變變形大,鋪設(shè)無砟軌道難度大,線路運(yùn)營維護(hù)成本高。鋼-混混合梁斜拉橋和鋼-混部分斜拉橋方案較適應(yīng)本橋,文獻(xiàn)[9-10]介紹了鋼-混斜拉橋的設(shè)計和實(shí)踐;文獻(xiàn)[11-15]介紹了鋼-混結(jié)合段在不同橋型中應(yīng)用情況;文獻(xiàn)[16-18]分析了鋼-混結(jié)合段的力學(xué)性能;文獻(xiàn)[19]介紹了鋼-混結(jié)合段的施工方法。為確定最優(yōu)方案,對二者進(jìn)行詳細(xì)分析比較,見表2。

表2 鋼-混斜拉橋與鋼-混部分斜拉橋綜合對比

由表2可知,鋼-混混合梁斜拉橋方案可行,如贛江特大橋[20]、商合杭高鐵裕溪河特大橋[21],但該方案邊跨混凝土梁需水中搭設(shè)支架現(xiàn)澆施工,且支架段落長、結(jié)構(gòu)用鋼量大,整體施工難度大,工程造價高;鋼-混部分斜拉橋方案受力、使用功能、工程實(shí)施均可行,無砟軌道的適應(yīng)性較好,僅邊跨現(xiàn)澆段梁體在水中搭設(shè)支架施工,用鋼量低,徐變殘余變形小,結(jié)構(gòu)剛度大。

綜上,比選選取拱橋、懸索橋、斜拉橋3種橋型方案,從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、無砟軌道適應(yīng)性、施工等方面綜合比較,最終選擇橋跨布置為(40.75+109+320+109+40.75) m鋼-混部分斜拉橋方案,主橋效果圖見圖2。

圖2 南玉高鐵六景郁江特大橋鋼-混部分斜拉橋效果圖

3 結(jié)構(gòu)體系

3.1 結(jié)構(gòu)體系比選

按確定的孔跨(40.75+109+320+109+40.75) m,對比分析不同結(jié)構(gòu)體系:半漂浮體系(體系1)、半漂浮+左塔支座帶水平約束(體系2)、塔梁墩固結(jié)(體系3),通過對不同結(jié)構(gòu)體系受力對比分析,確定適合本橋的體系方案,具體見表3。

表3 南玉高鐵六景郁江特大橋鋼-混部分斜拉橋方案3種結(jié)構(gòu)體系對比

由表3可知,體系3的結(jié)構(gòu)整體剛度最大,其他兩個方案相當(dāng);在溫度作用下,體系3受溫度影響顯著;縱向多遇地震作用下,體系1梁端位移最大,其他兩個體系相當(dāng);橫向多遇地震作用下,3個體系橫向位移相當(dāng);縱向多遇地震作用下,體系1由于為漂浮體系,地震響應(yīng)最大,體系2左塔梁體設(shè)置縱向約束,故左塔地震響應(yīng)較體系3大,右塔地震響應(yīng)較體系3小;橫向多遇地震作用下,體系1、2地震響應(yīng)相當(dāng),體系3地震響應(yīng)相對較小。綜上,由于本橋下塔高度較低,體系3受整體升降溫及收縮徐變影響顯著,故不予采用;體系1與體系2相比,體系1在順橋向多遇地震作用下地震響應(yīng)較大,體系2左塔梁體設(shè)縱向約束抑制了主梁在制動力、溫度等作用下的梁端變形,改善了大位移伸縮縫的使用性能,故最終設(shè)計采用體系2。

3.2 約束體系

約束體系選擇根據(jù)結(jié)構(gòu)體系和設(shè)計需求,滿足結(jié)構(gòu)正常使用和動、靜載作用下的結(jié)構(gòu)承載能力及變形要求。本橋約束體系主要包括:①豎向支座,結(jié)構(gòu)傳力和適應(yīng)結(jié)構(gòu)正常使用變形的需求;②為滿足支座承受設(shè)計地震,研究采用支座有限橫橋向水平約束的方式,即支座橫橋向滿足正常使用位移需求的前提下進(jìn)行約束;③由于本橋?yàn)椴糠中崩瓨?結(jié)構(gòu)質(zhì)量大,為避免梁體水平作用對上塔的影響,主塔處未設(shè)置水平抗風(fēng)支座;④支座抗剪銷力按設(shè)計地震控制,罕遇地震下采用阻尼器進(jìn)行耗能和抑制梁體縱、橫向位移,兩個主塔共同分擔(dān)縱向地震力,全聯(lián)共同分擔(dān)橫向地震力。約束體系布置見圖3。

圖3 南玉高鐵六景郁江特大橋鋼-混部分斜拉橋主橋約束體系布置(單位:cm)

3.3 輔助墩設(shè)置

輔助墩設(shè)置對優(yōu)化斜拉橋整體受力狀況是有益的,此外,對斜拉橋施工安全性的提升也有很大幫助。其作用主要是通過改善主梁彎矩的分布和主梁的撓度,提高斜拉橋整體剛度。本橋主要依據(jù)結(jié)構(gòu)剛度是否滿足鋪設(shè)無砟軌道的要求,分析比較設(shè)置輔助墩的必要性。方案1, (40+109+320+109+40) m鋼-混部分斜拉橋,設(shè)1個輔助墩;方案2,(150+320+150) m鋼-混凝土部分斜拉橋,不設(shè)輔助墩。分別分析在ZK荷載作用下結(jié)構(gòu)的變形,見圖4。

圖4 2種方案斜拉橋結(jié)構(gòu)變形對比

由圖4可知,不設(shè)輔助墩,相鄰兩孔梁間梁端轉(zhuǎn)角大于2‰rad,不滿足TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》要求,梁體跨中撓度較不設(shè)輔助墩大49%。設(shè)置1個輔助墩可顯著提高梁體剛度、減小梁端轉(zhuǎn)角,故本橋采用方案1。

3.4 邊中跨跨長比確定

考慮主橋邊中跨跨長比分別為0.45、0.47、0.49時,對結(jié)構(gòu)變形和邊墩、輔助墩一次成橋狀態(tài)下反力的影響,靜活荷載作用下結(jié)構(gòu)跨中撓度和梁端轉(zhuǎn)角對比見表4,不同邊跨跨長邊墩及輔助墩反力對照分別見圖5、圖6。

圖5 邊墩支反力對比

圖6 輔助墩支反力對比

表4 不同邊跨跨長的結(jié)構(gòu)變形對比

由表4可知,隨著邊跨長度增加,跨中撓度和梁端轉(zhuǎn)角均增大。由圖5、圖6可知,邊墩、輔助墩支反力大小隨著邊中跨跨長比增大而增大;當(dāng)邊中跨跨長比為0.45時,與邊中跨跨長比0.47、0.49相比,輔助墩、邊墩支反力顯著減小;設(shè)計結(jié)合橋位處施工條件(減少水中邊跨支架現(xiàn)澆段長度),采用邊中跨跨長比0.47,則邊跨跨徑為320 m×0.47≈150 m。

3.5 鋼-混結(jié)合段設(shè)置位置

本橋中跨增設(shè)鋼箱梁主要目的:將混凝土主梁主跨跨中的一段用鋼箱梁替換,可以減輕主跨結(jié)構(gòu)自重,由此,大幅度提高了混凝土部分斜拉橋跨越能力,同時減小了收縮徐變對結(jié)構(gòu)的影響。該結(jié)構(gòu)需通過構(gòu)造措施將鋼箱梁和混凝土梁連接在一起共同受力,確定結(jié)合面位置是關(guān)鍵問題之一。

本橋鋼混結(jié)合段位置確定的主要原則為:①成橋狀態(tài)恒載作用下主梁彎曲應(yīng)變能相對較小;②運(yùn)營狀態(tài)活載作用下,結(jié)合位置的彎矩幅值相對較小,確保結(jié)合段的承載力、應(yīng)力、變形、抗裂性能及耐久性滿足設(shè)計要求。基于以上原則,本橋以主力彎矩包絡(luò)圖反彎點(diǎn)位置為主(圖7),兼顧梁段劃分、施工方案等確定混合梁結(jié)合段位置,中跨恒載彎矩反彎點(diǎn)間距離107.8 m,中跨主力包絡(luò)圖彎矩反彎點(diǎn)間距離92～129 m,設(shè)計采用“鋼箱段+鋼箱過渡段+鋼混結(jié)合段+混凝土過渡段”總長為95 m的方案。

圖7 主梁主力包絡(luò)圖(單位:cm)

3.6 主梁梁高

主梁是斜拉橋的重要基本承載構(gòu)件之一,主梁的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性直接影響全橋剛度和穩(wěn)定性,而主梁高度是控制其力學(xué)特性的重要指標(biāo)。基于主梁剛度控制,分析在活荷載作用下不同梁高的跨中豎向撓度和梁端轉(zhuǎn)角。方案1,支點(diǎn)梁高14 m,跨中梁高5.5 m;方案2,支點(diǎn)梁高14.5 m,跨中梁高6.0 m;方案3,支點(diǎn)梁高15 m,跨中梁高6.5 m;方案4,支點(diǎn)梁高15.5 m,跨中梁高7 m,分析結(jié)果見表5。

表5 不同梁高主梁變形

由表5可知,隨著主梁梁高增加,橋梁剛度增大。在其他條件不變的前提下,梁高較高時斜拉索承擔(dān)的荷載減小,主梁材料用量會上升,導(dǎo)致工程造價增加。本橋結(jié)合軌道不平順性和行車動力特性分析,采用方案2。

3.7 橋塔高度對主梁剛度的影響分析

比選采用了7組上塔高度和相應(yīng)的3組上塔截面,見表6。分析在移動活載作用下,橋塔高度對橋梁跨中撓度和梁端轉(zhuǎn)角的影響,結(jié)果分別見圖8、圖9。

圖8 不同橋塔高度對應(yīng)的主梁跨中撓度

圖9 不同橋塔高度對應(yīng)的主梁梁端轉(zhuǎn)角

表6 橋塔截面比較組

由圖8、圖9可知,在活載作用下,隨著橋塔高度增加,跨中撓度減小,梁端轉(zhuǎn)角減小,梁體剛度增大。橋塔高度不僅與橋梁的主孔跨徑有關(guān),也與斜拉索的索面形式、斜拉索間距以及斜拉索的水平傾角有關(guān)。橋塔高度影響橋梁剛度和經(jīng)濟(jì)性,橋塔越高,斜拉索傾角越大,斜拉索提供的豎向分力越大,但斜拉索的長度也越長;橋塔高度過高,截面尺寸需要相應(yīng)加大,不僅會增加塔柱的材料用量,還會給施工帶來困難。本橋?yàn)殇?混凝土部分斜拉橋,中跨部分梁段采用鋼箱梁,中跨剛度較混凝土梁小,結(jié)合本橋構(gòu)造和受力需求,上塔橋面以上有效塔高按55 m設(shè)計,有效塔高與主跨跨度比約為1/6。

3.8 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過上述比選分析,確定了本橋的主要設(shè)計參數(shù),主橋孔跨布置為(40.75+109+320+109+40.75) m鋼-混凝土部分斜拉橋,主梁包括邊跨現(xiàn)澆段、懸澆段、鋼箱段及鋼-混凝土混合段。邊跨現(xiàn)澆段長26.25 m;中跨83 m采用鋼箱梁(含鋼箱過渡段);鋼-混凝土結(jié)合段總長14 m,其中混凝土段長6 m,鋼-混結(jié)合段長4 m,鋼箱過渡段長4 m。

3.8.1 主梁

混凝土主梁采用單箱雙室直腹板截面,橋面寬15.2 m,底板箱寬12.2 m,中支點(diǎn)處加寬為15.2 m,邊支點(diǎn)及跨中梁高為6.0 m,中支點(diǎn)梁高14.5 m,梁底變化段采用二次拋物線,拋物線方程為y=0.000 809x2,在拉索處設(shè)置錨固橫梁和錨固塊,橫斷面見圖10。

圖10 有索區(qū)混凝土主梁橫斷面(單位:cm)

中跨鋼箱采用單箱雙室截面,兩側(cè)箱梁外側(cè)設(shè)置鋼錨箱,用于斜拉索錨固;鋼箱梁為正交異性板結(jié)構(gòu),由頂板、底板及豎直腹板圍封而成。梁頂寬15.2 m,梁底寬12.2 m,梁高5.75 m;鋼箱橋面設(shè)混凝土板,寬15.2 m,中心厚度0.25 m,縱向設(shè)斷縫,頂面構(gòu)造與混凝土主梁構(gòu)造一致?；炷翗蛎姘逋ㄟ^剪力釘與鋼箱梁形成整體,橫斷面見圖11。

圖11 鋼箱梁主梁橫斷面(單位:cm)

3.8.2 橋塔

塔橫向布置為H形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),上塔高85.5 m(下塔頂面起算),下塔高35.5 m(主塔1)、42.5 m(主塔2),塔柱及連接橫梁均采用矩形截面。上塔柱正常截面尺寸為8.0 m×3.0 m(順×橫)、上塔柱底截面尺寸為8.0 m×4.408 m(順×橫);下塔柱頂截面尺寸為8.0 m×26.215 m(順×橫)、下塔柱底截面尺寸為9.0 m×18.0 m(順×橫);塔柱連接橫梁截面尺寸為4.5 m×3.0 m(順×高);橋塔縱向設(shè)0.6 m×0.2 m的刻槽,下塔橫向結(jié)合塔身構(gòu)造設(shè)1 m深梯形槽口造型;塔冠縱向造型寓意“愛心”,與部分斜拉橋結(jié)構(gòu)柔美的效果統(tǒng)一,沒有壓抑感。橋塔構(gòu)造見圖12。

圖12 主塔構(gòu)造(單位:cm)

3.8.3 斜拉索

由于本橋?yàn)殇?混部分斜拉橋,鋼絞線拉索軸向剛度大,可提高拉索的效應(yīng);鋼絞線斜拉索采用現(xiàn)場制索,具有無需大型制索、運(yùn)輸、吊裝和張拉牽引設(shè)備、拉索的整體防護(hù)性能優(yōu)越等優(yōu)勢,故本橋采用鋼絞線斜拉索。

斜拉索采用雙索面扇形布置,全橋設(shè)置13對共52組拉索,梁上拉索水平間距8.0 m和11.0 m,橋塔上豎向錨固間距1 m。斜拉索與主梁通過混凝土錨固橫梁和鋼錨箱連接,橋塔設(shè)可更換的分絲管索鞍。

3.8.4 基礎(chǔ)

主塔、邊墩、輔助墩基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ);邊墩樁基φ1.8 m,承臺尺寸10.2 m×15.0 m×4.0 m;輔助墩樁基φ1.8 m,承臺尺寸10.2 m×15.0 m×4.0 m;主塔設(shè)24根φ3.0 m樁基,承臺尺寸22.8 m×34.8 m×6.5 m。

3.9 無砟軌道鋪設(shè)可行性分析

3.9.1 列車、軌道及橋梁動力仿真分析

主橋基于多體系統(tǒng)動力學(xué)和有限元法結(jié)合的聯(lián)合仿真技術(shù),選用德國低干擾譜作為軌道激勵,計算了CRH3動車組列車分別以 250,300,350 km/h和400 km/h四種速度通過該橋時的車橋耦合振動動力響應(yīng),列車-橋梁系統(tǒng)仿真模型如圖13所示。

圖13 車橋耦合仿真計算模型

在設(shè)計速度350 km/h時,列車橫向加速度0.694 m/s2, 列車豎向加速度0.885 m/s2, 輪重減載率0.481,脫軌系數(shù)0.306,橫向舒適指標(biāo)2.206,豎向舒適指標(biāo)2.379;橋梁最大豎向加速度0.104 6 m/s2, 橋梁最大橫向加速度0.010 3 m/s2, 最大豎向撓跨比1/10 186,最大橫向撓跨比1/949 555。綜上,在CRH3動車組以設(shè)計速度通過大橋時,各項(xiàng)指標(biāo)均在限值以內(nèi),保證了高速列車的行車安全;動車的豎向舒適性和橫向舒適性均達(dá)到“優(yōu)”;大橋各跨的豎向和橫向振動位移較小,橋梁豎向和橫向振動加速度均小于規(guī)范規(guī)定的限值,說明橋梁的振動性能良好。

3.9.2 基于跨中豎向變形豎曲線半徑評價

六景郁江特大橋在最不利荷載組合下(溫度+收縮徐變+雙線列車運(yùn)營荷載),結(jié)構(gòu)跨中豎向最大撓曲變形量為131.27 mm,計算得擬合半徑為97 800 m,滿足跨中變形曲率半徑49 000 m的要求。

4 結(jié)語

(1)結(jié)合規(guī)劃站位、通航、防洪及設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),對比分析確定了橋位、橋型方案。

(2)針對確定的橋式方案提出了3種可行的結(jié)構(gòu)體系,通過計算分析確定了適合本橋采用“半漂浮+左塔支座帶水平約束”的結(jié)構(gòu)體系,改善了結(jié)構(gòu)正常使用性能。

(3)從結(jié)構(gòu)的正常使用(固定支座承受制動力)、抗震設(shè)計(支座銷栓按設(shè)計地震設(shè)計,設(shè)置阻尼器后罕遇地震作用下梁端縱向位移減震率79%、橫向位移減震率74%)等方面出發(fā),確定了本橋的約束體系。

(4)鋼-混凝土部分斜拉橋較全斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度大,可滿足高速鐵路無砟軌道對線路平順性和運(yùn)營安全性的要求;中跨部分采用鋼主梁可減輕自重、增大跨越能力,發(fā)揮兩種材料各自優(yōu)勢。

(5)該橋型首次在350 km/h無砟軌道高速鐵路上應(yīng)用;經(jīng)無砟軌道鋪設(shè)可行性分析,本橋可滿足無砟軌道的鋪設(shè)要求;本橋?qū)㈣F路部分斜拉橋的跨度推向300 m級跨度,在高速鐵路建設(shè)中有較高的應(yīng)用價值。