重載鐵路部分斜拉橋結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

李桂林

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

各種橋型對于跨度均有不同的適用范圍，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁存在自重較大等特點，應(yīng)用于鐵路橋梁時其主跨跨度一般在128 m范圍內(nèi)。部分斜拉橋作為一種連續(xù)梁拉索加勁結(jié)構(gòu)，可擴展其跨度，應(yīng)用跨度范圍為140～280 m。與連續(xù)梁相比，部分斜拉橋具有提供較大的跨越能力、有效控制后期變形等優(yōu)點；與常規(guī)斜拉橋相比其主要有節(jié)省工程量、結(jié)構(gòu)剛度大、施工周期短等優(yōu)勢，因此在高速鐵路、城際鐵路及公路工程中得到廣泛應(yīng)用。

重載鐵路作為純貨運鐵路形式，與客運專線、高速鐵路、客貨共線鐵路相比，存在設(shè)計荷載大、軸重重、列車荷載頻繁等特點[1-2]。蒙華重載鐵路跨越漢江時，考慮到與下游5×120 m公路連續(xù)梁橋?qū)准敖?jīng)濟性等邊界條件，根據(jù)多方案比選，采用主跨248 m部分斜拉橋方案[3]。由于活載所占比重極大，直接采用目前典型的部分斜拉橋形式及結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)范圍，結(jié)構(gòu)難以承受。為解決部分斜拉橋應(yīng)用于重載鐵路橋梁受力問題，對該橋各參數(shù)進行比較分析，確定部分斜拉橋應(yīng)用于該橋位時的合理結(jié)構(gòu)參數(shù)，并首次成功將部分斜拉橋應(yīng)用于重載鐵路[4-6]。部分斜拉橋效果圖見圖1。

圖1 部分斜拉橋效果圖

2 約束體系分析

本橋主跨跨度達248 m，又為重載鐵路，僅列車荷載單項引起主墩支反力達49 280 kN，如采用塔梁固結(jié)、墩梁分離體系[7-10]，需特殊設(shè)計大噸位支座。理論上來說，宜優(yōu)先考慮塔墩梁固結(jié)體系，避免設(shè)置大噸位支座。

該橋小里程側(cè)主墩墩高18.2 m，大里程側(cè)主墩墩高18.7 m(均為梁底至地面線之間的距離)，約為跨度的1/13.3。當(dāng)采用塔墩梁固結(jié)體系時，由于主墩高跨比較小，若采用較剛的橋墩形式，溫度產(chǎn)生自應(yīng)力較大，墩底及主梁均承受較大拉應(yīng)力作用，結(jié)構(gòu)難以承受。此時若采用雙肢薄壁墩等較柔的結(jié)構(gòu)形式，則主墩截面面積及慣性矩均偏小，最大壓應(yīng)力已超目前最大混凝土強度等級壓應(yīng)力限值，結(jié)構(gòu)受力性能差，且存在防撞能力差、侵占通航凈空等不利因素。

從主梁受力分析，在恒載及列車荷載作用下，雙肢薄壁體系能有效改善支點截面負(fù)彎矩和跨中截面正彎矩作用。但采用塔墩梁固結(jié)體系與塔梁固結(jié)、墩梁分離體系比較，溫度引起主梁支點截面彎矩增大54倍，跨中截面彎矩增大34倍。同時，在預(yù)應(yīng)力鋼束布置一致的情況下，塔梁固結(jié)、墩梁分離體系時預(yù)應(yīng)力效應(yīng)能更有效的發(fā)揮，總體應(yīng)力水平塔梁固結(jié)、墩梁分離體系偏優(yōu)。

從活載位移結(jié)果比較分析，采用塔梁固結(jié)、墩梁分離體系時剛度為1/1 042，塔墩梁固結(jié)體系時剛度為1/1 941，可以看出塔墩梁固結(jié)體系能有效提高結(jié)構(gòu)整體剛度，從剛度這方面分析，塔墩梁固結(jié)體系具有較明顯的優(yōu)勢，但由于本橋為重載鐵路，對結(jié)構(gòu)剛度及行車舒適性等要求較低，結(jié)構(gòu)剛度為非控制性因素。

綜合分析，受橋位處墩高限制，采用塔墩梁固結(jié)體系時結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)，比選后采用塔梁固結(jié)、墩梁分離體系，并于主墩設(shè)置190 000 kN球形支座，為目前國內(nèi)第二大噸位，支座采用高性能材料及分部密封方案，保證耐久性、穩(wěn)定性和長久使用壽命。

3 主梁梁高影響分析

為研究主梁高度對主梁受力性能的影響程度，研究主梁支點梁高為13、13.5 m和14 m，跨中梁高為6 m和6.5 m時梁高組合，分析主梁內(nèi)力及應(yīng)力情況。表1列出不同梁高時各控制點最不利荷載組合應(yīng)力。

表1 主梁控制點應(yīng)力對比

注：應(yīng)力值以壓為正。

增加支點梁高及跨中梁高，跨中下緣應(yīng)力儲備增幅在0.3 MPa以下；對中支點截面，最佳方案為14 m-6 m組合，中支點上緣壓應(yīng)力增加0.77 MPa；對于邊跨來說，13.5 m-6.5 m組合最優(yōu)，但與13 m-6 m組合僅差別0.05 MPa。總體來看，無論是增加支點梁高，還是跨中梁高，對截面應(yīng)力改善影響程度均較小，而13 m-6 m組合時，主梁應(yīng)力已呈現(xiàn)較好的應(yīng)力狀態(tài)，表明該梁高取值合適。中支點梁高13 m，跨中梁高6 m情況下，邊跨上緣最大壓應(yīng)力為15 MPa，中跨上緣最大壓應(yīng)力為17.4 MPa，且跨中下緣壓應(yīng)力儲備仍有1.5 MPa富余。中支點梁高采用13 m時，嘗試減少跨中梁高至5.5 m，跨中混凝土上緣壓應(yīng)力高達19.7 MPa，次邊跨支點上、下緣最大壓應(yīng)力均達到19.1 MPa，此時最小應(yīng)力僅為0.12 MPa。表明該梁高偏小，不宜再減小梁高。

通過對梁高比較可知：在一定范圍內(nèi)無論是增加跨中梁高還是支點梁高，主梁應(yīng)力改善影響程度均較小，同時主墩噸位將會超190 000 kN。當(dāng)降低梁高時，主梁上緣壓應(yīng)力高達19.7 MPa，梁高不宜再降低。因此中支點—跨中梁高采用13 m-6 m組合較為合適。

4 預(yù)應(yīng)力鋼束布置對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響分析

本橋主梁為5跨連續(xù)梁形式，采用先合龍邊跨后合龍中跨方案，需進行三次體系轉(zhuǎn)換，預(yù)應(yīng)力布置復(fù)雜。由于斜拉索對邊支點及邊跨跨中影響甚微，因此需要研究該區(qū)域頂?shù)装邃撌贾眉皬埨樞蛐问綄Y(jié)構(gòu)內(nèi)力影響，同時分析中跨底板短束和長束對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響，確定最合理的預(yù)應(yīng)力鋼束布置方式。典型鋼束布置示意如圖2所示。

看完這封信，我的頭一個反應(yīng)是，糟了，白麗筠一定是尋了短見。我發(fā)了瘋一般沖出家門，本能地朝白麗筠的住所奔去。只見她家的門大敞著，有工人搬著笨重的大件家具進進出出。我努力鎮(zhèn)靜自己，裝出一副路人的好奇，朝門里探頭張望，門里已經(jīng)完全是另一個世界，哪里還有白麗筠住過的痕跡。

圖2 典型鋼束布置示意

對圖2中6種對邊跨影響較大的預(yù)應(yīng)力布置形式及相應(yīng)工況進行分析(均為2束19-φj15.2 mm鋼束效應(yīng))，對結(jié)構(gòu)影響主要呈現(xiàn)以下特性。

(1)邊跨頂板短束T3在懸臂張拉階段及在邊跨合龍后張拉這兩種工況下，軸力接近，均為6 500 kN左右。懸臂張拉工況在輔助墩產(chǎn)生彎矩為16 862 kN·m，截面上緣產(chǎn)生0.7 MPa壓應(yīng)力，截面下緣產(chǎn)生0.2 MPa拉應(yīng)力；邊跨合龍后張拉時彎矩10 467 kN·m，截面上緣產(chǎn)生0.6 MPa壓應(yīng)力，截面下緣產(chǎn)生0.1 MPa壓應(yīng)力。輔助墩位置上下緣均為控制區(qū)域，在上緣應(yīng)力改善需求明顯的情況下，可增加懸臂張拉短索根數(shù)，若上下緣應(yīng)力均較為控制，宜增加邊跨合龍后短索根數(shù)。

(2)邊跨頂板長索T10(未越過邊跨合龍段)，該類型鋼束主要為改善輔助墩頂受力。懸臂階段張拉時，于輔助墩頂區(qū)域產(chǎn)生正應(yīng)力，但邊跨塔端無索區(qū)次內(nèi)力作用明顯。邊跨合龍后張拉和中跨合龍后張拉彎矩圖接近，于輔助墩頂區(qū)域為負(fù)效應(yīng)。從3種張拉階段產(chǎn)生的彎矩(圖3)來看，以懸臂階段張拉為優(yōu)，但該類型鋼束次內(nèi)力負(fù)效應(yīng)較明顯，在滿足施工階段節(jié)段混凝土張拉鋼束要求的前提下，應(yīng)盡量減少該類型鋼束布置。

圖3 邊跨頂板長索T10彎矩(單位：kN·m)

(3)邊跨頂板長束T11(越過邊跨合龍段)，在邊跨合龍后及中跨合龍后張拉，彎矩圖均接近，主要在邊跨產(chǎn)生正彎矩，中跨產(chǎn)生負(fù)彎矩，且該鋼束僅影響邊跨及次邊跨受力，對中跨彎矩影響甚微。

(4)邊跨底板短束B1，于邊跨合龍后張拉及中跨合龍后張拉各截面彎矩值接近，彎矩主要集中在鋼束布置區(qū)域，且分布較均勻，近似呈矩形分布，約為14 800 kN·m，該類型鋼束次內(nèi)力效應(yīng)較小。

(5)B5和B6彎矩圖較為接近，主要在邊跨產(chǎn)生負(fù)彎矩效應(yīng)，呈近似梯形分布，于次邊跨2/3范圍內(nèi)產(chǎn)生近似三角形分布正彎矩。B6鋼束布置越過輔助墩，梯形分布負(fù)彎矩亦越過輔助墩，能改善輔助墩底應(yīng)力水平。見圖4。

圖4 邊跨底板長索B5彎矩(單位：kN·m)

5 橋塔剛度影響分析

橋塔采用雙柱式，橋面以上塔高57.0 m，順橋向塔底寬7.2 m，塔頂寬5.0 m；橫橋向?qū)挾?.8 m。為研究橋塔剛度對結(jié)構(gòu)受力的影響，分析了以0.1、0.5、1、5、10倍橋塔剛度時結(jié)構(gòu)特性。見表2。

表2 橋塔剛度對應(yīng)工況控制截面彎矩對比

主力工況下，中支點截面最大彎矩隨剛度增加而減少[11-15]，跨中截面彎矩隨剛度增加先減少后增大，1倍橋塔剛度時最小。主力+附加力工況下，中支點截面彎矩隨橋塔剛度增加而減小，10倍橋塔剛度時對應(yīng)彎矩較之0.1倍橋塔剛度時彎矩減小12%，主跨跨中截面10倍橋塔剛度時對應(yīng)彎矩較之0.1倍橋塔剛度時減小7%。

從表3可以看出，橋塔剛度增加10倍的情況下，結(jié)構(gòu)整體剛度僅增加1.012%。

表3 橋塔剛度對應(yīng)結(jié)構(gòu)整體剛度值

從以上分析可知，重載鐵路部分斜拉橋橋塔剛度對結(jié)構(gòu)整體受力及結(jié)構(gòu)剛度影響均較小，可在滿足索鞍布置等構(gòu)造及橋塔自身受力要求的前提下[16-18]，盡可能減少橋塔尺寸，降低橋塔混凝土用量。

6 橋塔高度影響分析

對35 m/40 m/45 m/50 m/57 m塔高時結(jié)構(gòu)分析，控制截面彎矩如表4所示。

主力工況下，主梁中支點彎矩隨橋塔高度增大而減小，57 m塔高時對應(yīng)彎矩為35 m塔高時對應(yīng)彎矩的63%，主梁跨中彎矩隨橋塔高度增加而減小，且降幅明顯，57 m塔高時對應(yīng)彎矩僅為35 m塔高時對應(yīng)彎矩的51.6%。主力加附加力工況下，亦呈現(xiàn)出與主力工況下相似結(jié)論，57 m塔高時對應(yīng)中支點彎矩為37 m塔高時的64.7%，57 m塔高時跨中截面彎矩為35 m塔高時的58.1%，降幅均非常明顯。

表4 主力工況下控制截面彎矩對比 kN·m

由表5可以看出，橋塔高度對主梁剛度有一定程度影響，當(dāng)橋塔高度降低38.6%，主梁剛度降低17.1%。

表5 塔高對應(yīng)結(jié)構(gòu)剛度值

綜上所述，塔高是該重載鐵路部分斜拉橋的一個重要參數(shù)，其對主梁主跨支點截面及跨中彎矩均有很大影響，并在一定程度上影響著主梁剛度。

7 索塔梁剛度匹配分析

對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，在跨度確定的情況下，梁高為橋梁結(jié)構(gòu)剛度的控制因素。對于預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋，除梁高外，橋塔和斜拉索均對結(jié)構(gòu)剛度存在較大影響。根據(jù)梁高對比分析，本橋主梁在截面應(yīng)力優(yōu)化且強度滿足規(guī)范要求的條件下，采用支點-跨中梁高13 m-6 m組合，不考慮設(shè)置橋塔及斜拉索時，主梁在靜活載作用下最大位移為355 mm，主梁剛度為1/698。考慮橋塔及斜拉索之后，結(jié)構(gòu)剛度為1/1042，可知該橋主梁對整體剛度的貢獻值為67%，橋塔及斜拉索對整體剛度貢獻值為33%。橋塔和斜拉索為相關(guān)構(gòu)件，橋塔自身剛度變化對主梁剛度影響很小，而當(dāng)橋塔高度降低38.6%，主梁剛度降低17.1%，剛度為1/864，在此基礎(chǔ)上，斜拉索截面剛度降低38.6%，則主梁剛度變?yōu)?/827，結(jié)構(gòu)剛度僅下降4.3%。從改變橋塔自身剛度、橋塔高度和斜拉索截面剛度相同比例的結(jié)果來看，改變橋塔高度對結(jié)構(gòu)剛度的影響程度更大。

8 結(jié)論

本結(jié)構(gòu)為混凝土主梁采用斜拉索加勁的部分斜拉橋形式，在重載鐵路工程項目中屬首次采用，填補了重載鐵路橋型空白。本橋通車運營時間約為2018年12月。通過對該橋的各設(shè)計參數(shù)的比較分析，主要得到以下結(jié)論。

(1)對比分析塔墩梁固結(jié)體系和塔梁固結(jié)、墩梁分離體系，從結(jié)構(gòu)受力合理性等方面考慮，本橋采用墩梁分離體系要優(yōu)于雙肢薄壁墩體系。

(2)以中支點-跨中梁高采用13 m-6 m作為基本組合梁高，在一定范圍內(nèi)無論是增加跨中梁高還是支點梁高，主梁應(yīng)力改善影響程度均較小，跨中梁高減少至5.5 m時，主梁上緣壓應(yīng)力高達19.7 MPa，此時上緣最小壓應(yīng)力僅為0.12 MPa，梁高不宜再降低。中支點-跨中梁高采用13 m-6 m組合是合理選擇。

(3)短預(yù)應(yīng)力鋼束引起彎矩主要分布于預(yù)應(yīng)力鋼束布置區(qū)域，且近似呈矩形分布，預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力效應(yīng)較小；邊跨頂板長束效應(yīng)較差，應(yīng)適當(dāng)減少該類型鋼束布置，邊跨底板長束彎矩在邊跨區(qū)域負(fù)彎矩呈近似梯形分布，于次邊跨正彎矩呈近似三角形分布，次內(nèi)力效應(yīng)明顯。

(4)重載鐵路部分斜拉橋橋塔剛度對結(jié)構(gòu)整體受力及結(jié)構(gòu)剛度影響均較小，可在滿足索鞍布置等構(gòu)造及橋塔自身受力要求的前提下，盡可能減少橋塔尺寸，降低橋塔混凝土用量。

(5)結(jié)合重載鐵路特點，通過對橋塔高跨比研究，確定橋塔高采用57 m，高跨比為1/4.35，普通鐵路部分斜拉橋橋塔高跨比一般在1/7.0～1/7.5，較普通鐵路部分斜拉橋高跨比大。高跨比增大，能有效改善重載鐵路部分斜拉橋主梁受力，保證在重載鐵路荷載作用下，結(jié)構(gòu)具有足夠的強度、剛度等性能。

(6)該重載鐵路部分斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度主要由主梁提供，約占67%，主塔及拉索對整體剛度貢獻值為33%，主塔自身剛度對結(jié)構(gòu)整體剛度影響甚微，橋塔高度對結(jié)構(gòu)剛度影響較明顯。

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