金海特大公鐵兩用斜拉橋橋式方案研究

黃納新

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

1　橋梁概況

珠海市區至珠海機場城際鐵路與金海高速公路并行跨越磨刀門水道和泥灣門水道出海口，擬公鐵合建金海特大橋。橋位處磨刀門水道水面開闊，橋區河段為內河Ⅰ級航道，通行3 000 t級海輪，要求通航凈寬不小于340 m，凈高不小于28 m，最高通航水位2.72 m。城際鐵路為雙線，線間距4.2 m，有碴軌道，設計行車速度160 km/h，設計活載為ZC活載。金海高速公路為雙向六車道，橋面寬2×16.25 m，設計行車速度100 km/h，設計荷載為公路-Ⅰ級。

結合現場建設條件，經過多階段設計研究，金海特大橋跨磨刀門水道主橋最后確定采用(2×56+110+480+110+2×56) m混合梁斜拉橋，公鐵同層合建，鐵路布置在公路橋幅中央，橋面總寬43.5 m，主橋長926.0 m，主橋效果如圖1。

圖1　金海特大橋主橋效果

2　橋式方案選擇

金海特大橋為公鐵兩用橋，其主橋主跨480 m，宜采用斜拉橋。斜拉橋按主梁梁型可分為鋼桁梁斜拉橋、鋼箱梁斜拉橋、混合梁斜拉橋等。公鐵兩用橋按橋面布置形式可分為公鐵分層合建和公鐵同層合建。目前國內已建和在建的大跨度公鐵兩用斜拉橋如表1，表中均為公鐵分層合建的鋼桁梁斜拉橋，尚無公鐵同層合建的鋼箱梁和混合梁斜拉橋。為了確定金海特大橋主橋合理的橋式方案，設計中選取了兩種方案進行分析比較。

2.1　鋼桁梁斜拉橋方案

橋跨布置為(66+186+480+186+66) m，鋼桁梁采用N形桁式，桁高15.5 m，節間長度13.2 m，鋼桁梁全長986.0 m。橋塔采用雙柱花瓶形混凝土結構，塔柱總高184.0 m。橋塔兩側各設16對斜拉索，按雙索面扇形布置，順橋向索距13.2 m。立面布置如圖2。

表1　國內大跨度公鐵兩用斜拉橋列表

公路與鐵路分層布置，公路布置在鋼桁梁上層，鐵路布置在下層，因公路與鐵路橋面寬度懸殊，鋼桁梁橫向采用兩片主桁，主桁豎直，桁間距16.0 m；主桁外側設置兩副桁，副桁橫向傾斜，其上弦桁間距35.0 m，鋼桁梁橫斷面成倒梯形(如圖3)。主桁和副桁采用焊接整體節點，桿件在節點外采用高強度螺栓拼接，上層和下層橋面板均采用正交異性板鋼橋面結構。該方案鋼桁梁所需鋼材總量約3.8萬t，每延米鋼桁梁用鋼量38.5 t。

圖2　鋼桁梁斜拉橋立面布置(單位：m)

圖3　鋼桁梁橫斷面(單位：m)

2.2　混合梁斜拉橋方案

橋跨布置為(2×56+110+480+110+2×56) m，主梁480 m中跨和110 m邊跨采用鋼箱梁，鋼箱梁梁長675.0 m；兩端2×56 m邊跨采用預應力混凝土箱梁，梁長250.5 m。橋塔采用雙柱花瓶形混凝土結構，塔柱總高184.0 m。橋塔兩側各設19對斜拉索，按雙索面扇形布置，順橋向索距8.0～13.2 m。立面布置如圖4。

公路與鐵路同層布置，鐵路布置在公路橋幅中央，橋面總寬43.5 m。鋼箱梁采用魚腹式雙箱截面，最大箱高3.4 m。對應各吊點處，鋼箱梁順橋向每隔12.0 m設一道箱形橫梁，橫梁跨中梁高5.0 m。鋼箱梁橫斷面如圖5，混凝土箱梁外形輪廓同鋼箱梁。該方案鋼箱梁所需鋼材總量約2.2萬t，每延米鋼箱梁用鋼量32.6 t。

圖4　鋼箱梁斜拉橋立面布置(單位：m)

圖5　鋼箱梁橫斷面(單位：m)

2.3　綜合比選

混合梁方案公鐵同層合建，橋面較寬，比鋼桁梁方案寬出8.5 m。鋼桁梁方案公鐵分層合建，公路設計高程較混合梁方案高出12 m，在一定程度上會增加公路引橋建設規模，且合建與分建的過渡較復雜。

鋼桁梁方案的主跨豎向剛度略大于混合梁方案。混合梁方案的橋面寬，主梁橫向剛度大，且主梁輪廓為扁平流線型，其空氣動力穩定性較好[1]。

鋼桁梁方案構件種類繁多，制造和安裝工藝復雜，維修養護工作量大。混合梁方案的鋼箱梁便于維修養護。

混合梁方案兩端主梁采用混凝土箱梁，不需要壓重和設置拉力支座，主橋橋長比鋼桁梁方案縮短了60.5 m，鋼梁長縮短了311 m。

混合梁方案每延米鋼梁用鋼量比鋼桁梁方案節省約15.3%，全橋鋼梁總用鋼量減少約1.6萬t，在工程造價方面占絕對優勢。

綜合上述比較，推薦金海特大橋主橋采用公鐵同層合建的混合梁斜拉橋方案。

3　輔助墩的設置

為保證列車運行安全性和旅客乘坐舒適性，根據“鐵路橋規”規定，該橋在列車和汽車活載的作用下，要求主梁跨中豎向撓度不大于L/750，梁端豎向轉角不大于2‰。金海特大橋采用主跨為480 m的混合梁斜拉橋，其豎向剛度控制是設計中的技術關鍵。

斜拉橋的豎向剛度與主梁梁高、塔高、斜拉索面積、輔助墩設置等因素有關，其中輔助墩的作用尤為重要，邊跨設置輔助墩可以明顯改善邊跨內力和撓度，當橋塔剛度不大時，輔助墩約束了橋塔的變形，可減小中跨內力和撓度[2]。

在金海特大混合梁斜拉橋的豎向剛度研究中，選取了多種輔助墩設置形式進行計算分析，計算結果見表2，表中l為邊墩至橋塔的距離。

表2　不同輔助墩與活載作用下橋梁位移對比

從表2結果可以看出：邊跨設置輔助墩可顯著減小活載作用下的塔頂水平位移、中跨豎向撓度和梁端豎向轉角。當邊跨設一個輔助墩，設在距邊墩0.25l～0.50l范圍時，中跨豎向撓度均滿足要求，且差異較小；隨著輔助墩距邊墩距離加大，梁端豎向轉角急劇加大，只有設在距邊墩0.25l～0.35l范圍時，梁端豎向轉角才滿足要求。邊跨設兩個輔助墩對中跨豎向撓度的影響比設一個輔助墩略好，差異在10%以內。

此外，該橋邊墩至輔助墩范圍的主梁為混凝土箱梁。混凝土箱梁自重較大，斜拉索只分擔了其恒載的60%左右，混凝土箱梁仍存在較大的彎矩。為減小彎矩，混凝土箱梁宜采用較小跨度。從中跨豎向撓度、梁端豎向轉角、混凝土箱梁彎矩等方面綜合考慮，當邊跨只設一個輔助墩時，宜設在距邊墩0.25l～0.30l左右。

為了縮短鋼梁長度，降低工程造價，最后確定兩端采用2×56 m混凝土箱梁，兩個輔助墩設在距邊墩0.25l、0.50l處，其豎向剛度也較好。

4　混凝土箱梁與鋼箱梁分界部位的選擇

金海特大橋混合梁斜拉橋的主梁由混凝土箱梁和鋼箱梁兩部分組成，其分界處需要設置鋼混結合段。鋼混結合段用來實現混凝土結構與鋼結構之間力的傳遞，其結構構造、傳力途徑和應力狀況極為復雜，國內橋梁設計規范缺乏關于鋼混結合段受力與傳力機理的闡述和相關條文規定[3]，鋼混結合段是該橋主梁設計的難點之一。混凝土箱梁與鋼箱梁分界位置不同，則鋼混結合段的應力狀況不同，從結構受力方面考慮，分界位置應設在主梁彎矩和剪力均較小的區域[4]。從方便施工角度，則宜設在橋墩旁。在金海特大橋設計中，按設在輔助墩以外4.5 m處和12.5 m處兩種情況進行了計算，計算結果見表3，表中內力和應力為主+附組合結果，位移為活載作用下結果。

表3　不同分界位置時主梁內力、應力及位移對比

兩種情況下中跨主梁的應力和撓度幾乎沒有變化，分界處與輔助墩附近區域主梁的彎矩變化比較明顯。設在輔助墩以外4.5 m處時，分界處鋼箱梁的彎矩和正應力較大，正應力達159 MPa(第一體系應力)。設在輔助墩以外12.5 m處時，輔助墩處混凝土箱梁的彎矩增大了21%，但分界處鋼箱梁的彎矩和正應力明顯減小，正應力降低到了117 MPa，另外，懸出輔助墩以外的混凝土箱梁可在墩旁托架上澆筑，施工也較方便。兩種情況下主梁彎矩最小的部位都在輔助墩以外23 m左右，若將分界位置移至該部位，會使輔助墩處混凝土箱梁的彎矩過大，而且澆筑輔助墩以外的混凝土箱梁時需要在水中設置臨時墩，加大了施工難度。

綜合上述分析，金海特大橋混凝土箱梁與鋼箱梁的分界部位宜設在輔助墩以外12.5 m左右。

5　結論

金海特大橋主橋由于公路車道多、鐵路正線少，兩者橋面寬度懸殊，采用公鐵同層合建的混合梁斜拉橋方案，其鋼材用量最省，造價最經濟。

混合梁斜拉橋方案的邊跨只設一個輔助墩時，宜設在距邊墩0.25l～0.30l左右。邊跨設兩個輔助墩對中跨豎向撓度的影響比設一個輔助墩略好，差異在10%以內。

該橋混凝土箱梁與鋼箱梁的分界部位宜設在輔助墩以外12.5 m左右，該部位鋼箱梁的彎矩和正應力相對較小，有利于鋼混結合段設計，施工也較方便。

[1]裴岷山，徐利平，張喜剛.蘇通大橋主航道橋橋型方案研究[J].橋梁建設，2005(6)

[2]范立礎.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001

[3]張仲先，黃采萍，徐海鷹.混合梁斜拉橋鋼混結合段傳力機理研究[J].華中科技大學學報:自然科學版，2010(5)

[4]陳海兵，曾國良，陳明芳.混合梁斜拉橋鋼混結合段的局部應力分析[J].公路工程，2009(12)