大縱坡小曲線半徑轉(zhuǎn)體斜拉橋在鄭萬鐵路橋梁中的應(yīng)用

■ 李桂林 李波 嚴定國 周繼

1 概述

鄭萬鐵路是重慶地區(qū)通往華北、華中地區(qū)的快速客運主骨架，對補充完善我國鐵路“四縱四橫”客運專線網(wǎng)，構(gòu)建沿長江經(jīng)濟帶現(xiàn)代綜合交通運輸體系具有重要戰(zhàn)略意義。聯(lián)絡(luò)線特大橋為正線引入鄭州南站橋梁，位于鄭州市，主墩里程ZWSLDK005+243．690。由于鄭州南站標高等限制，本橋位于大縱坡小曲線半徑上。

工程建設(shè)場地屬北溫帶大陸性氣候，年平均氣溫14．4 ℃，極端溫度42～45 ℃，最低氣溫-17．9 ℃，年平均相對濕度60%。區(qū)內(nèi)風向有明顯季節(jié)變化，全年風速平均3 m/s，最大達18 m/s。根據(jù)鉆探揭露，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料對比分析，沿線所經(jīng)過的地層巖性較復雜，按其成因和時代分類主要有：第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）粉砂、細砂、粉土、粉砂、細砂、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl）粉土、細砂、粉質(zhì)黏土。橋址地勢平坦，地面標高范圍100～110 m，土壤多為黏性土、壤土和砂土。

2 技術(shù)標準

（1）線路等級：高速鐵路；

（2）正線數(shù)目：單線；

（3）設(shè)計行車速度：160 km/h；

（4）軌道類型：有砟軌道；

（5）設(shè)計荷載：采用ZK活載；

（6）主橋位于-29．100‰縱坡上，平面位于平曲線，半徑R=1 400 m。

3 主橋方案設(shè)計

3.1 橋跨布置

橋址于ZWSLDK5+289．31—ZWSLDK5+329．58處跨越鄭西高鐵，鐵路與線路交叉夾角17°，限高7．25 m，測時路面標高119．57 m，正寬11．75 m，采用（32+2×138+32）m斜拉橋跨越。

3.2 結(jié)構(gòu)總體布置

主橋采用（32+2×138+32）m預應(yīng)力混凝土獨塔斜拉橋方案，主橋長341．5 m，主跨138 m跨越鄭西高鐵，主橋結(jié)構(gòu)總體布置見圖1。

橋位處主橋墩高25 m，為跨度的1/5．52，獨塔體系，溫度力可自由釋放，同時考慮跨越高鐵采用轉(zhuǎn)體施工方案，因此選用塔墩梁固結(jié)體系。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.3.1 主梁

混凝土箱梁采用單箱雙室截面，截面全寬11．0 m，主跨中心處梁高2．5 m，邊跨中心處梁高3．0 m。為減少曲線梁轉(zhuǎn)體時球鉸橫向偏心，主跨采用較小的截面尺寸，為剛塔柔梁結(jié)構(gòu)體系。普通截面分標準橫截面、加厚橫截面、隔板截面3種。標準橫截面頂板厚25 cm、底板厚30 cm、中腹板厚30 cm、斜底板厚25 cm；加厚橫截面頂板厚30 cm、底板厚30 cm、中腹板厚30 cm、斜底板厚30 cm；支點隔板截面頂板厚60 cm、底板厚60 cm、中腹板厚90 cm、斜底板厚60 cm。

混凝土箱梁拉索橫梁與斜拉索位置對應(yīng)設(shè)置，全橋共計22道斜拉索橫梁，拉索橫梁厚50 cm。塔墩梁固結(jié)區(qū)域、輔助墩頂、邊墩頂均設(shè)置一道橫隔梁，其中塔墩梁固結(jié)區(qū)域橫隔梁厚6．00 m、輔助墩頂橫隔梁厚2．50 m、邊墩頂橫隔梁厚2．35 m，全橋共計5道墩（塔）頂橫隔梁，各墩（塔）頂橫隔梁均設(shè)置過人孔。

為減少一次混凝土澆筑方量，主跨轉(zhuǎn)體混凝土主梁共分為10個節(jié)段澆筑，橋塔兩側(cè)各8 m與橋塔一同澆筑，后依次從塔中心向塔兩側(cè)逐孔現(xiàn)澆，節(jié)段混凝土長24 m。邊跨混凝土主梁采用原位支架現(xiàn)澆方案，節(jié)段混凝土長40．75 m，于輔助墩靠近主塔方向8 m位置設(shè)置合龍段，合龍段長2 m，主梁標準截面見圖2。轉(zhuǎn)體前，曲線主梁由于拉索分力作用，有朝向曲線內(nèi)側(cè)的分力，導致轉(zhuǎn)體前主梁存在較大橫向位移，支架現(xiàn)澆主梁時，需設(shè)置橫向預偏量。

3.3.2 主塔

采用鉆石型索塔，橋面以上索塔采用倒Y形，橋面以下塔柱為獨柱型。塔底以上索塔全高86．0 m，橋面以上塔高61．0 m，橋面以下塔高25．0 m，橋面以上塔的高跨比為1/2．262。索塔縱向?qū)挾葮蛎嬉陨现了斁鶠? m，橋面以下由6 m線性加寬至塔底10 m，索塔四角設(shè)30 cm×30 cm倒角。上塔柱斜拉索錨固區(qū)橫橋向?qū)?．2 m，縱橋向?qū)?．0 m，采用單箱單室截面，順橋向壁厚1．0 m，橫橋向壁厚0．8 m。索塔錨固區(qū)設(shè)置U形預應(yīng)力鋼束。中塔柱為兩分離式傾斜塔柱，傾斜度1∶7．705 4。單箱單室截面每柱橫橋向?qū)?．2 m，順橋向壁厚0．8 m，橫橋向壁厚0．9 m。下塔柱采用獨柱式。單箱單室截面橫向?qū)挾扔?6．8 m漸變至13．0 m，順橋向尺寸由上端6．0 m漸變至10．0 m，順橋向壁厚1．0 m、橫橋向壁厚1．5 m，底部設(shè)置3．5 m實體段。橋塔結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖1 主橋結(jié)構(gòu)總體布置

圖2 主梁標準截面

圖3 橋塔結(jié)構(gòu)示意圖

3.3.3 斜拉索

斜拉索橫向為雙索面布置，立面為半扇形布置。索塔單側(cè)設(shè)11對斜拉索，塔上索距1．8～3．0 m，梁上索跨12．0 m。斜拉索與塔、梁采用設(shè)置齒塊的錨固方式，張拉端設(shè)置在塔內(nèi)。斜拉索采用Φ7 mm熱擠聚乙烯鍍鋅平行鋼絲拉索，成品拉索彈性模量E=2．0×105MPa，拉索規(guī)則為PES（C）7-151/187/211/223/241，拉索長度41．3～146．2 m。

從構(gòu)造方面考慮，對于該類型向線路中心線內(nèi)傾的扇形布置斜拉索，且為小曲線半徑梁時，考慮建筑限界要求，接觸網(wǎng)基礎(chǔ)布置于曲線內(nèi)側(cè)時能減小橋面寬度[1-2]。

3.3.4 球鉸支座

轉(zhuǎn)體球鉸豎向承載力165 000 kN。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由下轉(zhuǎn)盤、球鉸、轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)、助推系統(tǒng)、軸線微調(diào)系統(tǒng)組成。球鉸轉(zhuǎn)動摩擦力矩為：

式中：R為球鉸球面半徑，R=2 m；μ為球鉸摩擦系數(shù)。

啟動時摩擦系數(shù)μ靜=0．1，M靜=22 000 kN·m；轉(zhuǎn)動過程中摩擦系數(shù)μ動＝0．06，M動＝13 200 kN·m。

在上述轉(zhuǎn)動條件下，計算牽引力：

式中：D為轉(zhuǎn)臺直徑，D=11 m；N為轉(zhuǎn)體時撐腳最大支撐力，N=2 000 kN；R撐為撐腳半徑，R撐=4．5 m。

計算表明，啟動時所需最大牽引力2T＝2×2 082．0 kN；轉(zhuǎn)動時所需最大牽引力2T＝2×1 249．1 kN。具體實施前進行預牽引試驗，測出實際摩擦系數(shù)、轉(zhuǎn)動質(zhì)量且針對現(xiàn)場轉(zhuǎn)臺直徑對牽引力進行相應(yīng)調(diào)整。主橋位于曲線半徑R=1 400 m平曲線，主梁橫向重心于主塔中心線不重合，為消除球鉸支座平轉(zhuǎn)時的橫向彎矩，采用設(shè)置橫向預偏的方式處理，經(jīng)計算分析，球鉸橫向預偏為0．847 m，方向為曲線內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)平面布置示意見圖4。

3.3.5 基礎(chǔ)

主橋基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，主塔采用21根Φ2．20 m鉆孔樁，輔助墩采用10根Φ1．50 m鉆孔樁基礎(chǔ)，小里程側(cè)交界墩采用8根Φ1．50 m鉆孔樁基礎(chǔ)，大里程側(cè)交界墩為跨道路門式墩結(jié)構(gòu)，左右柱基礎(chǔ)均為4根Φ1．25 m。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 結(jié)構(gòu)剛度

剛度是鐵路斜拉橋設(shè)計時重要控制指標，本橋計算跨度小于列車加載長度，不需考慮活載加載長度影響[3]，各工況下位移及撓跨比見表1。考慮列車行車平穩(wěn)性，梁端轉(zhuǎn)角按照有砟軌道梁限值2．00‰控制[4]，兩端無輔助跨時，梁端轉(zhuǎn)角為3．12‰，超規(guī)范限值，因此在主跨兩端均加設(shè)一跨輔助跨。

圖4 轉(zhuǎn)動系統(tǒng)平面布置示意圖

本橋主梁位移見圖5。從圖5可知，該橋位移最大位置為主跨靠近橋塔側(cè)約2/3位置，表現(xiàn)出該獨塔斜拉橋受力特性約相當于同等條件下雙塔斜拉橋主跨180 m跨度特性。

4.2 主梁內(nèi)力分析

本橋為大縱坡小曲線半徑獨塔混凝土斜拉橋，主梁受力呈現(xiàn)以下規(guī)律：

（1）主梁主力工況彎矩及軸力包絡(luò)見圖6，該獨塔斜拉橋兩個主跨主梁為以受壓為主的壓彎構(gòu)件，輔助墩區(qū)域及輔助跨均為以受彎為主的壓彎構(gòu)件，其中輔助墩墩頂負彎矩最大，為該橋受力控制區(qū)域。

（2）從縱坡效應(yīng)來看，小里程側(cè)控制點彎矩比大里程側(cè)彎矩大，但差異較小，在3%以內(nèi)。以橋塔與主梁位置標高為基準設(shè)置為平坡時和按照實際坡度檢算結(jié)果比較，小里程側(cè)主力工況彎矩比平坡時小，大里程側(cè)主力工況彎矩比平坡大。主要由于縱坡的存在，改變了斜拉索與主梁間的夾角，而夾角越大，斜拉索索力能更好發(fā)揮，這也解釋了大里程側(cè)斜拉索索力比小里程側(cè)大的緣故。

表1 活載作用下結(jié)構(gòu)位移及撓跨比

圖5 主梁位移圖

圖6 主梁主力工況彎矩及軸力包絡(luò)圖

（3）曲線效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響分析，當主梁為直線時，恒載作用下，主梁橫向彎矩幾乎為零。主梁為曲線時，恒載作用下，由于曲線內(nèi)外側(cè)斜拉索橫橋向偏角引起的內(nèi)力未能抵消，對主梁產(chǎn)生橫橋向彎矩作用。橫橋向索力分量為向心力，能抵消一部分離心力引起的主梁橫向彎矩效應(yīng)。同時不考慮曲線效應(yīng)時，主梁橋塔附近最大壓力及輔助墩位置最大負彎矩均比考慮曲線效應(yīng)時略大，主要為前者斜拉索索力能更好地發(fā)揮效應(yīng)的緣故。

根據(jù)主梁受力特性，本橋主梁預應(yīng)力設(shè)置以短索為主[5]，盡量減少預應(yīng)力次內(nèi)力引起的負效應(yīng)。

4.3 斜拉索設(shè)計

斜拉索是斜拉橋的關(guān)鍵承重構(gòu)件，直接承受橋面恒、活載，除要求有較大的靜力安全系數(shù)外，還要求具有足夠的疲勞抗力。斜拉索規(guī)格確定時考慮以下因素：斜拉索強度安全系數(shù)、活載疲勞應(yīng)力幅、斜拉索應(yīng)力變幅、成橋斜拉索應(yīng)力[6-7]。根據(jù)鋼材的受力特性，當拉索的荷載超過破斷荷載的50%，鋼的非彈性應(yīng)變將快速增加，因此斜拉索容許值一般控制在0．40～0．45倍抗拉強度標準值，本橋斜拉索按安全系數(shù)不小于2．5設(shè)計。

主力工況斜拉索索力計算結(jié)果見圖7。

斜拉索疲勞應(yīng)力幅按以200萬次循環(huán)加載的壽命基數(shù)，由單根鋼絲疲勞試驗應(yīng)力幅到實橋斜拉索組裝件的疲勞應(yīng)力幅設(shè)計值[8-9]，折減（103．430+34．475）≈137．9 MPa，取140 MPa。

斜拉索索力分布總體呈現(xiàn)以下趨勢，索力最大值位于大里程曲線外側(cè)靠近跨中區(qū)域，主力+附加力工況最大索力為4 744 kN，同時，曲線外側(cè)拉索力略大于曲線內(nèi)側(cè)。考慮線路縱坡影響，相同位置斜拉索大里程側(cè)索力比小里程側(cè)大。斜拉索最大疲勞應(yīng)力幅為88 MPa，位于主梁靠近橋塔附近約1/3位置（見圖8）。

4.4 橋塔設(shè)計分析

圖7 主力工況斜拉索索力

圖8 斜拉索疲勞應(yīng)力幅

橋塔按鋼筋混凝土構(gòu)件檢算其強度、穩(wěn)定及裂縫。考慮塔柱非線性影響，橋塔截面彎矩增大系數(shù)η根據(jù)計算截面位置長度計算[10]。提取整體計算模型相關(guān)截面位置的內(nèi)力結(jié)果進行相關(guān)計算，對實體段附近截面采用增加固端干擾應(yīng)力增大系數(shù)考慮[11]。

經(jīng)檢算，橋塔下塔柱及上塔柱受力均較小，中塔柱主力工況混凝土最大壓應(yīng)力為5．85 MPa，裂縫寬度為0．003 mm，鋼筋應(yīng)力為13．80 MPa；中塔柱主力+附加力工況混凝土最大壓應(yīng)力為6．09 MPa，裂縫寬度為0．010 mm，鋼筋應(yīng)力為16．47 MPa，混凝土應(yīng)力、裂縫寬度、鋼筋應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

4.5 全橋穩(wěn)定性分析

全橋施工階段及運營階段最小穩(wěn)定系數(shù)（對應(yīng)第一階彈性屈曲失穩(wěn)模態(tài)）見表2。

在各計算工況下，結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定系數(shù)數(shù)值上整體表現(xiàn)為下降的趨勢，施工階段的最小穩(wěn)定系數(shù)發(fā)生于轉(zhuǎn)體階段，此時穩(wěn)定系數(shù)為36．5。本橋施工階段一階屈曲模態(tài)表現(xiàn)為主梁豎向彎曲。

表2 一階彈性屈曲失穩(wěn)模態(tài)分析結(jié)果

在使用階段，結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定系數(shù)均遠大于《公路斜拉橋設(shè)計規(guī)范》中斜拉橋彈性穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)大于4的要求，且一階屈曲模態(tài)亦表現(xiàn)為主梁豎向彎曲。

5 結(jié)論

（1）該橋以小角度跨越鄭西高鐵，采用轉(zhuǎn)體施工方案最大限度減少對既有鐵路運營影響，以最小跨度實現(xiàn)跨越既有線功能。該橋位于大縱坡小曲線半徑，采用獨塔混凝土橋梁布置形式，有效節(jié)省投資。

（2）主梁兩主跨區(qū)域主要為斜拉索受力，主梁為以壓為主的壓彎構(gòu)件，采用2．5 m梁高，輔助墩附近及輔助跨區(qū)域，主梁為主要受力構(gòu)件，為以彎為主的壓彎構(gòu)件，采用3．0 m梁高，主跨區(qū)域最大限度地減小梁高，減小橋塔跨度，滿足跨既有線建筑限界要求。

（3）對于該類型大縱坡小曲線半徑斜拉橋，標高較高側(cè)斜拉索索力比標高較低側(cè)索力小，斜拉索曲線外側(cè)索力比曲線內(nèi)側(cè)大。

（4）曲梁轉(zhuǎn)體時，球鉸需設(shè)置橫向偏心矩，使得偏心后球鉸中心與主梁橫向重心重合，防止球鉸轉(zhuǎn)動過程中承受橫向彎矩作用。為減少橫向偏心矩，主橋結(jié)構(gòu)宜設(shè)置成塔墩梁固結(jié)體系，截面尺寸擬定過程中，除滿足結(jié)構(gòu)受力要求外，宜按照剛塔柔梁設(shè)計思路開展。

（5）該橋主跨梁高較小，而結(jié)構(gòu)剛度高，體現(xiàn)斜拉索對主梁結(jié)構(gòu)有良好的加勁作用，同時分析內(nèi)力分布規(guī)律，表明該橋主跨區(qū)域斜拉索為主要受力構(gòu)件，且全橋結(jié)構(gòu)受力合理，表現(xiàn)出良好的結(jié)構(gòu)受力特性。