四平市東豐路跨鐵路立交主橋設計

劉濤

（中國鐵路設計集團有限公司，天津市 300251）

1 工程概況

四平市東豐路路上跨鐵路立交橋，為四平市城區南部貫穿城市東西方向的交通性主干路，道路在四平火車站南側跨越鐵路，自西向東依次跨過既有鐵路編組站、京哈鐵路上下行、規劃四梅線，共15條鐵路，道路與鐵路接近正交。

跨鐵路立交主橋結構形式采用獨塔單索面混合梁斜拉橋，跨徑布置為90 m+169 m，全長259 m，橋面總寬36 m。結構采用塔-梁-墩全固結體系，橋塔高75 m，為減少施工期間對鐵路運營安全的影響，斜拉橋設計采用轉體法施工。主橋立面布置見圖1。

圖1 主橋立面布置（單位：m）

2 主要技術標準

（1）道路等級：城市主干路。

（2）設計車速：50 km/h。

（3）橋梁設計荷載：跨鐵路孔1.3×城A級。

（4）橋梁寬度：雙向6車道，全寬 36 m（含拉索區）。

（5）橋梁結構的設計使用年限：100 a。

（6）橋區抗震設防烈度：6度，地震動峰值加速度0.05 g。

3 橋梁設計[1-3]

3.1 結構體系

為適應轉體施工的要求，斜拉橋結構采用塔-梁-墩全固結體系，由于采用轉體施工，在邊跨處不再設置輔助墩。

母細胞性漿細胞樣樹突細胞腫瘤（BPDCN）是一種罕見的高度侵襲性血液系統惡性腫瘤，該病發病率極低，臨床侵襲性極強，預后差，目前仍缺乏有效、標準的治療方案[1]。我們診斷治療1例，現報告如下。

3.2 主梁

主跨跨鐵路15股道，跨徑達到169 m，為適應施工要求，橋梁轉體過程中應形成自平衡體系。設計時對主梁采用鋼梁、混凝土梁和鋼-混凝土混合梁進行了比選：當采用2-169 m混凝土梁斜拉橋，轉體重量近5萬t，如此大的噸位給施工帶來較大困難；而采用2-169 m鋼梁斜拉橋，轉體重量僅2.5萬t，但工程造價較高；采用混合梁斜拉橋，可以用較小跨徑的混凝土梁來平衡主跨的鋼梁，跨徑為90 m+169 m，轉體重量與鋼梁相同，在經濟性上甚至優于混凝土梁。

斜拉橋邊跨全部采用預應力混凝土箱梁，跨鐵路主跨大部分采用了鋼箱梁，在主跨位置鋼箱梁和預應力混凝土箱梁連接處采用了鋼-混凝土結合段進行連接。主梁設計中心線處梁高為3.4 m，梁頂設1.5%的雙向坡，梁底水平。其中鋼箱梁全長157.5 m，預應力混凝土箱梁全長101.5 m，鋼-混凝土結合段設在主跨側，距橋塔中心11.5 m。

主梁全寬36 m，中心處梁高為3.4 m，梁頂設1.5%的雙向坡，梁底水平，主梁橫斷面布置見圖2。

圖2 主梁橫斷面（單位：m）

（1）鋼箱梁

鋼結構采用Q345qE，局部受力較大區段采用Q390qE，采用單箱7室斷面。標準段頂板厚16 mm，除局部范圍內采用板式加勁外，其余均采用U型加勁肋加勁。標準段底板厚14 mm，除局部范圍內采用板式加勁外，其余段均采用U型加勁肋加勁。全橋共設置8道腹板，其中錨腹板厚25 mm，標準段中腹板厚14 mm，并設置縱向及橫向加勁肋。橫隔板一般段厚度均為14 mm，拉索對應位置加強到20 mm，中支點、邊支點位置加強到28 mm。橫隔板標準間距為3 m，橫隔板需設置自身的縱、橫向加勁。鋼箱梁在12#墩外側支座最小反力較小，為防止出現梁端翹起及墩柱偏心受壓，考慮在中間4個箱室順橋向3 m范圍灌注壓重混凝土。

（2）預應力混凝土箱梁

預應力混凝土箱梁采用等截面預應力箱梁，采用 C50混凝土。頂板厚 0.3～0.6 m，底板厚0.25～0.6 m，腹板厚40～90 cm。墩位處及拉索區均設置橫梁，橫梁采用預應力混凝土結構。

（3）鋼-混凝土結合段

3.3 橋塔

斜拉橋主塔是主要的承重構件。主梁部分恒載及活載等作用均通過斜拉索傳遞到主塔，再由塔梁下部的基礎承受。橋塔全高75 m，塔身采用鋼-混凝土組合結構。主塔的外包鋼殼和鋼筋混凝土通過剪力釘組合成為整體而共同發揮作用，充分發揮了兩種材料的受力優勢，它具有強度高、剛度大、延性好等特點。外包鋼殼在施工時既作為永久的受力結構又作為澆筑混凝土時的模板之用，在施工時節約模板及減少臨時結構、減少支模工序和縮短施工周期加快施工進度。

主塔橫斷面采用變截面橢圓形設計，其中塔腳截面長軸尺寸為7.3m，短軸尺寸為3.8m；塔頂截面長軸尺寸為9.709m，短軸尺寸為8m。鋼結構采用Q345qE材質，下塔段外壁板厚度為25 mm，中塔段外壁板厚度為20 mm，上塔段外壁板厚度為12 mm，在塔壁內側分別設置縱向及橫向水平加勁肋及剪力釘。

塔腳錨固段是索塔設計的關鍵部位，塔壁伸入梁體長度3 m，設置一定數量肋板，肋板開有圓孔，穿過鋼筋與混凝土包裹在一起，形成鋼筋混凝土柱剪力鍵。主塔利用鋼筋混凝土柱剪力鍵以及塔腳的底座形成傳力的主要構件，同時深入梁體的塔壁板內外均設置了剪力釘作為輔助傳力元件。根據受力需要，塔腳位置還布置了一定數量的預應力鋼棒。

塔梁結合區立面見圖3。

圖3 塔梁結合區立面圖（單位：mm）

3.4 斜拉索及錨固體系

本橋斜拉索采用單索面雙排索布置，錨固區位于中央隔離帶。塔上斜拉索與主塔交點在豎直方向間距為2.1 m。主梁上水平方向索距為12 m（鋼梁段）及6 m(混凝土梁段)，斜拉索通過鋼錨箱與鋼梁連接，在混凝土梁底通過混凝土錨塊錨固。

水平索距由主塔中心左起為15m+11×6m+9 m，主塔一側無索區為15 m，邊墩無索區長度為9 m；水平索距由主塔中心右起為20 m+11×12 m+17 m，主塔一側無索區為20 m，邊墩無索區長度為17 m。全橋共有斜拉索24對、共48根。斜拉索采用單層PE防護單絲涂覆環氧涂層鋼絞線斜拉索體系，單根鋼絞線直徑15.2 mm，公稱抗拉強度1 860 MPa。

拉索采用鋼絞線拉索群錨體系（見圖4）。拉索與鋼箱梁的連接采用鋼錨箱構造形式，在混凝土梁上設置錨塊進行錨固。斜拉索在塔上的錨固方式采用新型拉索錨固體系，采用了基于分絲管索鞍的交叉錨固體系，該體系應用于實體橋塔具有以下優點：（1）解決了傳統交叉錨體系構造復雜的問題；（2）徹底解決了拉索的抗滑問題；（3）可實現不同規格拉索的對錨；（4）可進行單根鋼絞線換索，檢測和維護方便快捷。

圖4 塔上新型拉索錨固體系

3.5 施工技術

為減少施工對鐵路運營的干擾，確保橋梁施工期間鐵路運營的安全，斜拉橋采用轉體施工，轉體部分跨徑布置為145 m+78 m=223 m。設計轉體總重量W為255 000 kN。作為轉體施工的關鍵結構，轉體支座設計承載能力350 000 kN，直徑為5 100 mm，高度為470 mm。轉體選用兩套600噸級以上連續牽引系統形成水平旋轉力偶，通過拽拉錨固且纏繞于直徑1 300 cm的轉臺周圍上的22s15.2鋼絞線，使得轉動體系轉動。

施工時，首先順鐵路采用支架拼裝（澆注）梁體，梁體、橋塔完成后拆除支架。然后對轉體結構進行稱重、配重，確保轉體結構平衡后進行轉體作業。最后施工20 m后焊段鋼梁以及12 m后澆段預應力混凝土箱梁，調整全橋索力，完成主橋施工。由于兩側跨徑相差較大，混合梁斜拉橋設計時需通過認真計算，并通過橋塔梁兩側防撞護欄、橋面鋪裝施工來確保轉體時橋體的平衡，必要時可設置縱向的偏心。

4 結構計算[4-6]

4.1 模型的建立

使用Midas Civil 2015對橋梁進行結構分析，建立整體模型（見圖5），按橋梁施工順序模擬施工流程。在模型中，主梁及橋塔的模擬均采用梁單元，斜拉索的模擬采用只收拉桁架單元，拉索與主梁、索塔之間的連接采用剛臂連接，主墩與塔、梁固結，連接處采用共節點的方式以模擬結構的固結狀態。全橋共分為542個單元，576個節點。

圖5 主橋有限元模型

4.2 靜力計算

經計算，在施工過程中，鋼主梁最大壓應力為40.0 MPa，最大拉應力為5.0 MPa；預應力混凝土主梁最大拉應力為0.3 MPa，最大壓應力為9.9 MPa。

在運營階段，預應力混凝土主梁上、下緣不出現拉應力，短期組合下最小壓應力為0.67 MPa，標準組合下最大壓應力12.3 MPa。鋼主梁上緣最大壓應力為107 MPa，最大拉應力為34 MPa；下緣最大壓應力為115 MPa，最大拉應力為137 MPa。主塔等效鋼板最大正應力為124.2 MPa，最大剪應力為6.8 MPa。成橋狀態，主塔縱橋向最大位移86 mm，汽車荷載作用下鋼梁跨中最大下撓為135.6 mm，混凝土梁跨中最大下撓為11.7 mm。

4.3 整體穩定性驗算

根據斜拉橋規范要求，斜拉橋彈性屈曲的結構穩定安全系數應不小于4.0。本橋第一階彈性屈曲穩定特征值為12.85，失穩方向為主塔橫向失穩，滿足規范要求。

4.4 抗震計算

考慮相鄰兩聯引橋的作用效應以及裝圖作用效應，建立抗震計算模型進行驗算。經計算，在E1地震作用下橋墩、主塔均處于彈性工作范圍內；在E2地震作用下橋墩、主塔均處于彈性工作范圍內，強度滿足規范要求。

5 結語

四平市某市政路上跨鐵路立交橋結構形式采用獨塔單索面混合梁斜拉橋，跨徑布置為90 m+169 m，全長259 m。該橋的設計有以下幾個特點：

（1）混合梁斜拉橋首次采用轉體施工方法，為道路跨鐵路提供了新的設計思路和理念。

（2）斜拉索在塔上的錨固方式采用鋼絞線在塔上通過集束鋼管貫通（索鞍）的新型錨固方式，改善了橋塔受力。

（3）主梁寬度與其長度相比明顯較寬，采用單索面作為主梁的支撐體系，且不設置輔助墩，空間受力效應明顯，因此主梁在偏載作用下的扭轉受力行為，包括扭轉對主梁縱、橫向受力的耦合影響，值得深入分析。

（4）橋塔外形采用橢圓形變截面鋼-混凝土組合結構，研究表明鋼混組合結構與鋼筋混凝土結構相比經濟性效果顯著。