摘要 新建淮宿蚌高鐵采用（38+120+228+120+38）m預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋跨越京臺(tái)高速公路。文章以其為研究對(duì)象，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理取值做了對(duì)比分析，同時(shí)利用空間有限元軟件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的靜力和車橋耦合動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算?？傻玫饺缦陆Y(jié)論：（1）橋梁靜力受力性能良好，剛度、強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。（2）橋梁動(dòng)力響應(yīng)滿足要求，列車行車舒適性良好。（3）當(dāng)橋墩較矮時(shí)，塔梁固結(jié)塔墩分離體系可有效釋放溫度力。（4）設(shè)置外伸跨可有效減少矮塔斜拉橋梁端轉(zhuǎn)角。（5）主梁工后徐變變形對(duì)橋塔高度變化較為敏感。

關(guān)鍵詞 矮塔斜拉橋；有限元 ；橋梁設(shè)計(jì)；受力

中圖分類號(hào) U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）07-0060-03

0 引言

隨著國內(nèi)鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)形式以其較好的跨越能力和經(jīng)濟(jì)性廣泛應(yīng)用于鐵路橋梁中。該文以淮宿蚌高鐵跨京臺(tái)高速矮塔斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過對(duì)比分析得到合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力性能進(jìn)行分析計(jì)算。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)良好，可為高速鐵路同類型橋梁的設(shè)計(jì)提供參考借鑒。

1 項(xiàng)目概況

新建淮北至宿州至蚌埠高速鐵路于DK69+270.000處上跨京臺(tái)高速公路。節(jié)點(diǎn)位置京臺(tái)高速公路現(xiàn)狀為4 m高路基段，路面寬28 m，雙向四車道，規(guī)劃紅線寬度為42 m，線路間夾角為21°。為保證主墩承臺(tái)不能侵入高速公路路基邊坡，項(xiàng)目設(shè)計(jì)選定主跨228 m矮塔斜拉橋方案一跨跨越。橋梁總布置圖見圖1。

京臺(tái)高速特大橋設(shè)計(jì)速度為350 km/h。雙線，線間距5.0 m?；钶d采用ZK活載。線路平面位于直線上，縱斷面為人字坡。鋪設(shè)CRTSⅢ型板式無砟軌道。

圖1 京臺(tái)高速特大橋主橋立面布置圖

2 關(guān)鍵參數(shù)確定

2.1 結(jié)構(gòu)體系選擇

矮塔斜拉橋常用的結(jié)構(gòu)體系[1]主要有兩種：塔墩梁固結(jié)體系和塔梁固結(jié)塔墩分離體系。塔墩梁固結(jié)體系亦可稱為連續(xù)剛構(gòu)體系，橋塔、橋墩和主梁連接為一體，采用該體系結(jié)構(gòu)剛度大，不設(shè)支座，在主梁懸臂施工過程中主墩位置無須采取措施設(shè)置臨時(shí)剛接。但由于約束條件增多，在溫度作用及主梁收縮徐變作用下，下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)力。塔梁固結(jié)塔墩分離體系亦可稱為連續(xù)梁體系，即主梁和橋塔為一體，主梁和橋墩直接設(shè)支座，結(jié)構(gòu)受力和常規(guī)連續(xù)梁類似，溫度和收縮徐變變形能夠得到有效釋放。

該橋墩高較矮，主墩墩高分別為8.5 m、9 m，抗推剛度大。若采用塔墩梁固結(jié)體系，橋墩最大溫度應(yīng)力達(dá)91.9 MPa，遠(yuǎn)超規(guī)范要求，故該橋采用塔梁固結(jié)塔墩分離體系。

2.2 邊中跨比選

經(jīng)統(tǒng)計(jì)歸納[2-3]，國內(nèi)鐵路矮塔斜拉橋的邊中跨比在0.45～0.55之間。通過調(diào)整邊跨跨度，得到對(duì)應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算結(jié)果，見表1～2。

從表1可以看出，不設(shè)外伸跨時(shí)，隨著邊跨跨度的增加，邊跨剛度減小，梁端轉(zhuǎn)角增加。當(dāng)邊跨小于120 m時(shí)邊墩支座出現(xiàn)負(fù)反力，梁端轉(zhuǎn)角均大于1.0‰，不滿足規(guī)范要求，故需設(shè)置外伸跨。

從表2可以看出，設(shè)置外伸跨可有效控制梁端轉(zhuǎn)角。相同邊跨，外伸跨的變化對(duì)主梁跨中靜活載位移影響不大，但對(duì)輔助墩支反力影響較大。外伸跨跨度小于30 m時(shí)，輔助墩支反力壓力儲(chǔ)備太小，給支座的設(shè)置帶來困難。結(jié)合該橋橋位，推薦邊跨跨度120 m，外伸跨跨度38 m，即橋梁跨徑布置為（38+120+228+120+38）m。

2.3 塔高比選

目前國內(nèi)鐵路矮塔斜拉橋的塔跨比（橋面到斜拉索最上排理論錨固點(diǎn)高度與主跨跨度的比值）一般為1/6～1/8[4-5]。不同塔高對(duì)應(yīng)的靜力計(jì)算結(jié)果見表3。

從表3可以看出，隨著塔高增加，跨中靜活載撓度逐漸減小，索梁活載比增加。主梁工后徐變變形對(duì)塔高變化較為敏感，且隨著塔高增加，主梁跨中徐變變形上拱增加。當(dāng)塔高為35 m時(shí)，主梁徐變變形得到了較好的控制，索梁活載比較高，主梁受力能得到相對(duì)較好的改善。

3 主橋設(shè)計(jì)

3.1 主梁

主梁采用單箱雙室直腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁體由中支點(diǎn)13 m梁高按梁底二次拋物線變化為邊支點(diǎn)6 m梁高。箱梁頂寬和底寬分別為14.3 m和11.5 m。在箱室中心處頂板厚51.5 cm，腹板厚分別為90 cm、60 cm、50 cm，底板厚由跨中的45 cm按拋物線變化至中支點(diǎn)的120 cm，中支點(diǎn)局部加厚為250 cm。

3.2 橋塔

橋塔為矩形截面直立形式，塔全高38.4 m，有效高度（最頂端拉索理論錨固點(diǎn)到橋面距離）35 m，截面尺寸為2.6 m×5 m。塔底2 m范圍內(nèi)塔柱縱向尺寸由5 m加寬到6 m。塔柱內(nèi)外側(cè)設(shè)15 cm倒角。

3.3 拉索及索鞍

斜拉索橫向雙索面，每個(gè)塔柱設(shè)9對(duì)斜拉索。拉索采用1 860 MPa環(huán)氧涂覆鋼絞線，依靠分絲管索鞍在橋塔內(nèi)通過并錨固于梁體。塔上和梁體索間距分別為1.2 m、9 m。全橋共設(shè)置了兩種規(guī)格的斜拉索，每個(gè)塔柱最外側(cè)3根為73絲，內(nèi)側(cè)6根為61絲。

3.4 橋墩及基礎(chǔ)

主墩采用圓端形實(shí)體墩，墩高分別為8.5 m和9 m，

橫向×縱向尺寸為15.5 m×6.0 m，承臺(tái)尺寸為22.9 m×

22.9 m×5.5 m?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁，按摩擦樁設(shè)計(jì)。主墩為16-Φ2.5 m、次邊墩為11-Φ1.5 m、邊墩為14-Φ1.25 m。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 靜力計(jì)算

縱向計(jì)算采用有限元軟件Midas Civil 2021，建立空間桿系計(jì)算模型。主梁、橋塔均采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。模型如圖2所示：

4.1.1 剛度

主梁靜活載及考慮溫度影響的梁體豎向撓度最大為145 mm，小于規(guī)范[6]限值1.1 L/1 500。活載作用下兩端轉(zhuǎn)角0.18‰rad。在列車橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度力作用下，主梁跨中的橫向水平撓度為4.11 mm，為跨度的1/44 618。邊跨、中跨最大徐變變形值分別為?2.1 mm，

3.6 mm。

4.1.2 主梁

運(yùn)營階段主力及主+附作用下主梁正應(yīng)力見圖3、圖4。從圖中看出主梁上下緣壓應(yīng)力分布比較均勻。主梁應(yīng)力、強(qiáng)度、抗裂、抗剪計(jì)算結(jié)果見表5，均滿足規(guī)范[7]要求。

4.1.3 斜拉索

主力組合下斜拉索應(yīng)力656.8～692.8 MPa，主+附組合下斜拉索應(yīng)力693.6～727.2 MPa，最小安全系數(shù)2.58gt;2.5，滿足規(guī)范要求。斜拉索最大應(yīng)力幅為67.2 MPa。

4.1.4 橋塔及橋墩

橋塔在主力及主+附作用下均為小偏心受壓構(gòu)件，主力作用下混凝土最大壓應(yīng)力6.91 MPa，主+附作用下最大壓應(yīng)力為7.52 MPa。

橋墩在主力及主+附作用下也均為小偏心受壓構(gòu)件，主力作用下混凝土最大壓應(yīng)力5.33 MPa，主+附作用下最大壓應(yīng)力為7.6 MPa。

4.2 車?橋耦合分析

利用大型有限元分析軟件Midas建立橋梁多自由度有限元模型進(jìn)行車橋耦合分析。選取380BL動(dòng)車組進(jìn)行動(dòng)力性能分析，16輛編組，不平順采用京津城際鐵路實(shí)測不平順數(shù)據(jù)，為反映其長期運(yùn)營狀態(tài)下的發(fā)展，乘以1.3的放大系數(shù)。

橋梁自振頻率及對(duì)應(yīng)的前10階振型見表6。當(dāng)列車行駛速度在250～350 km/h時(shí)，橋梁豎向振動(dòng)加速度最大為0.148 m/s2，橫向振動(dòng)加速度最大為0.068 m/s2。橋梁動(dòng)力響應(yīng)滿足規(guī)范要求。

列車車體垂向加速度最大值為1.291 m/s2，橫向車體加速度最大值為0.789 m/s2。列車安全性滿足要求。垂向舒適度指標(biāo)在250～350 km/h范圍內(nèi)最大值為2.748，達(dá)到“良”。橫向舒適度指標(biāo)在250～350 km/h范圍內(nèi)最大值為2.597，達(dá)到“良”。

5 結(jié)語

淮宿蚌高鐵跨京臺(tái)高速特大橋采用大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，是整條線路的控制性節(jié)點(diǎn)工程。該橋采用塔梁固結(jié)、塔墩分離的結(jié)構(gòu)體系，通過對(duì)比分析確定合理設(shè)計(jì)參數(shù)，保證結(jié)構(gòu)在靜力和動(dòng)力方面均處于良好的受力狀態(tài)。同時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度良好，能滿足鋪設(shè)無砟軌道要求，可為高速鐵路同類型橋梁的設(shè)計(jì)提供參考借鑒。目前該橋已開始施工，預(yù)計(jì)2025年建成。

參考文獻(xiàn)

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