某拱承斜拉橋設(shè)計(jì)方案探討

王 聰 曾永平

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

1 工程概況

某高速鐵路跨越深汕西高速公路，線路與高速公路夾角為26°。橋址處高速公路為路塹段，現(xiàn)狀為雙向四車道(正寬29 m)，瀝青路面，深汕西高速公路后期規(guī)劃為雙向八車道(寬44 m)，凈空不小于6.0 m。

主橋采用(32+160+32)m雙線鐵路拱承斜拉橋上跨深汕西高速公路，斜拉橋橋塔、橋墩整體采用拱式結(jié)構(gòu)橫跨既有高速公路兩側(cè)[1]。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：

(1)設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值350 km/h。

(2)雙線，線間距為5 m。

(3)設(shè)計(jì)活載為ZK活載。

(4)軌道類型為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。

(5)主橋縱向位于平坡上，平面位于直線上。

2 主橋原設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)

主橋跨度為(32+160+32) m拱塔斜拉橋，主跨采用全飄浮體系，設(shè)輔助墩，輔助墩和邊墩上設(shè)支座，縱向固定支座設(shè)在大里程側(cè)輔助墩上，橫向固定支座與簡支梁部分統(tǒng)一設(shè)在線路左側(cè)。主橋長225.5 m(含兩側(cè)梁端至支座中心線各0.75 m)，含梁縫全長225.8 m，主橋總布置如圖1所示。

圖1 主橋總布置示意圖(cm)

2.2 主梁構(gòu)造及橋面布置

主梁采用縱肋倒置式鋼混組合橋面板，橋面寬15.9 m，中心線處梁高3.4 m(鋼梁底面至混凝土板頂)。

鋼橋面板厚10 mm(墩頂附近部分節(jié)段加厚至14 mm)，底板厚16 mm(墩頂附近部分節(jié)段加厚至20 mm)，腹板厚16 mm(墩頂附近部分節(jié)段加厚至24 mm)。橋面板加勁肋采用板肋，寬80 mm，厚 8 mm，間距400 mm，底板和腹板加勁肋采用板肋，寬160 mm，厚16 mm，間距500 mm。橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距3.0 m，板厚16 mm墩頂及跨中加厚至20 mm。橋面布置如圖2所示。

兩側(cè)邊箱梁由工廠加工完成后運(yùn)至現(xiàn)場，與橫隔梁腹板通過高強(qiáng)螺栓連接；頂?shù)装瀣F(xiàn)場焊接，形成鋼梁節(jié)段后，采用步履式頂推施工到位。

主橋支座橫向設(shè)于兩側(cè)鋼錨箱底部中心處，橫向間距14.2 m。

2.3 橋塔構(gòu)造

橋塔采用拱型結(jié)構(gòu)，塔底以上橋塔高55 m，橋面以上塔高44.5 m，橋面以下塔高10.5 m。

拱軸線線型采用二次拋物線，截面采用等高等寬箱型截面，截面尺寸為4 m(順橋向)×4.5 m(橫橋向)，板厚為20～28 mm，加勁肋采用板肋，寬160～200 mm，厚16～20 mm，間距500 mm，橋塔斷面如圖3所示。

2.4 斜拉索

斜拉索采用抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度 1 860 MPa鍍鋅平行鋼絲拉索，空間雙索面體系，輻射形布置，全橋共設(shè)13對斜拉索，梁上索距12 m。

圖2 結(jié)合梁橋面布置示意圖(mm)

圖3 橋塔標(biāo)準(zhǔn)斷面示意圖(mm)

索塔及索梁錨固采用鋼錨箱方式錨固，張拉端設(shè)置在主梁側(cè)；斜拉索在梁端均設(shè)外置式阻尼器以抑制風(fēng)雨振，并在其下端2.5 m范圍內(nèi)外包不銹鋼管。

2.5 下部構(gòu)造

橋塔承臺尺寸為12 m×12 m，厚4.5 m，設(shè)3 m高塔座。基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。

輔助墩及連接墩均采用實(shí)體墩，墩高5～14 m，厚2.5 m，小里程端連接墩及輔助墩采用鉆孔樁基礎(chǔ)，大里程端均為擴(kuò)大基礎(chǔ)。

2.6 施工方案

橋梁主要施工步驟為：①橋塔采用履帶吊車，逐段吊裝施工；②在施工平臺組拼鋼加勁肋及鋼導(dǎo)梁，采用步履式逐段頂推施工；③綁扎橋面板鋼筋，按設(shè)計(jì)要求分段現(xiàn)澆混凝土橋面板；④掛索(不張拉)；⑤拆除臨時(shí)支墩及大臨措施；⑥上二恒及附屬工程；⑦調(diào)整索力、主梁和橋塔線形；⑧安裝斜拉索減振設(shè)施，主梁及橋塔鋼結(jié)構(gòu)涂裝整修；⑨聯(lián)調(diào)聯(lián)試及交付運(yùn)營。

3 設(shè)計(jì)方案存在問題及優(yōu)化建議

3.1 主跨跨中殘余徐變上拱問題

根據(jù)TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》、TB 10002-2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，橋面附屬設(shè)施宜在軌道鋪設(shè)前完成。軌道鋪設(shè)完成后，跨度大于50 m的無砟橋面，豎向變形不應(yīng)大于L/5 000且不大于20 mm[2-3]。上述規(guī)定是對梁部殘余徐變變形作出的限制，且主要針對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，但實(shí)質(zhì)上是借此控制橋上軌道結(jié)構(gòu)鋪設(shè)完成后梁體的豎向變形量，以確保高速鐵路線路的平順性，因此規(guī)定的“殘余徐變變形”限值也可拓展至鋼梁、結(jié)合梁等結(jié)構(gòu)。

本橋二恒施工完畢后，主梁跨中梁部殘余徐變上拱值計(jì)算結(jié)果如表1所示[4]。從表中可以看出，最大殘余徐變上拱度為455.4 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范20 mm的限值不滿足規(guī)范要求。其主要原因是由于斜拉索初拉力較小(只掛索，未張拉，初拉力基本為零)，調(diào)整索力階段補(bǔ)張幅度較大，二次補(bǔ)張力占補(bǔ)張后總索力的比例過高所引起。

表1 主跨跨中梁部殘余徐變上拱計(jì)算表

主梁的殘余徐變上拱變形應(yīng)自軌道結(jié)構(gòu)施工完成即開始計(jì)算，若此期間有調(diào)索所引起的梁部豎向變形或其它彈性變形，也應(yīng)計(jì)入“殘余徐變變形”。因張拉斜拉索期間，梁部豎向位移較大，為減少豎向變形對無砟軌道鋪設(shè)、調(diào)整的影響，降低現(xiàn)場施工測量、定位的難度，建議無砟軌道部分二恒應(yīng)待斜拉索張拉完成后再行施工(斜拉索張拉完畢后，因混凝土殘余徐變所引起的主梁跨中上拱度最大僅8.0 mm)。

3.2 梁端鋼軌橫向相對位移超限問題

根據(jù)TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支點(diǎn)橫向相對位移不應(yīng)大于1 mm[2]。

橋位處1月平均氣溫14 ℃左右，7月平均氣溫28 ℃左右；極端最低氣溫-3 ℃，極端最高氣溫 40 ℃。據(jù)此計(jì)算橫向位移時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)的溫差可取±12 ℃，鋼梁的溫差可取±23 ℃(無砟軌道橫向的鎖定溫度按17 ℃～20 ℃控制)。

原施工方案中，支座橫向設(shè)于兩側(cè)鋼錨箱底部中心處，橫向間距14.2 m，橫向固定支座設(shè)于左線側(cè)。則右線外側(cè)鋼軌距橫向溫度零點(diǎn)的距離為10.318 m，溫度作用下最外側(cè)鋼軌橫向變形為±2.800 mm。小里程側(cè)32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁對應(yīng)鋼軌處距橫向溫度零點(diǎn)的距離為5.468 m，溫度作用下橫向變形為±0.656 mm。由此計(jì)算可得該梁縫兩側(cè)鋼軌處的橫向位移差為2.144 mm，大于規(guī)范1 mm的限值，不滿足規(guī)范要求。

為保障軌道結(jié)構(gòu)安全，優(yōu)化支座設(shè)計(jì)，解決梁端兩側(cè)鋼軌橫向相對位移超限，建議在主梁底部的橫向中心設(shè)置剪力卡榫(只約束橫向位移)，將橫向固定支座設(shè)在主梁橫向中心。此時(shí)，梁上兩線最外側(cè)鋼軌距溫度零點(diǎn)的距離均為3.218 m，溫度作用下最外側(cè)鋼軌的橫向變形為±0.873 mm；簡支梁靠近橫向固定支座一側(cè)的最外側(cè)軌道的溫度跨度為0.968 m，對應(yīng)溫度作用下的橫向變形為±0.097 mm；此時(shí)，梁端兩側(cè)的橫向相對位移為0.970 mm，小于規(guī)范1 mm的限值，滿足規(guī)范要求。

3.3 橋塔高強(qiáng)螺栓延遲斷裂的隱患問題

本橋橋塔垂直于主梁布置，施工問題中采用等寬矩型截面。橋塔利用大噸位履帶吊逐段吊裝拼接施工，拱頂節(jié)段長約6.17 m，其余節(jié)段長8～9.0 m，節(jié)段間采用“端面金屬接觸+摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接(HTB)”并用接頭。橋上正線限界上方共有4道高強(qiáng)螺栓連接面。從目前鐵路鋼梁運(yùn)營情況來看，高強(qiáng)螺栓的延遲斷裂現(xiàn)象較為普遍[5-6]，對下方的鐵路運(yùn)營存在較大的安全隱患。

建議調(diào)整橋塔分段，確保橋上正線建筑限界的豎直范圍(總寬9.88 m)內(nèi)無拱圈接頭，以避免高強(qiáng)螺栓延遲斷裂對列車運(yùn)營的不利影響。

在場地吊裝能力(節(jié)段最大吊高約60 m)和施工運(yùn)輸條件限制，無法調(diào)整橋塔分段避開正線限界區(qū)域的情況下應(yīng)采用全焊連接以徹底解決該隱患。

4 結(jié)論

(1)斜拉橋及索加勁連續(xù)梁/剛構(gòu)的梁部一般豎向剛度較小，若施工期間存在二次調(diào)索，且調(diào)索幅度較大，則調(diào)索階段梁部的豎向變形將遠(yuǎn)大于混凝土收縮徐變變形(如贛深鐵路某四線索加勁連續(xù)剛構(gòu)，主跨跨中部分斜拉索初拉力為 6 000 kN，二次調(diào)索后索力為 9 150 kN，調(diào)索幅度約1.53，調(diào)索期間梁部豎向變形160 mm，由混凝土收縮徐變產(chǎn)生的豎向變形僅為-8.0 mm(變形以向上為正)[7])。因此，為滿足軌道結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)要求，推薦先調(diào)索再鋪設(shè)軌道結(jié)構(gòu)[8-9]，否則應(yīng)重點(diǎn)核查主梁的殘余徐變變形值。

(2)對于無砟軌道結(jié)構(gòu)，梁端鋼軌的橫向相對位移主要取決于梁縫兩側(cè)梁體橫向固定支座(即橫向溫度零點(diǎn))的間距以及梁體的材料差異。對于單線或雙線混凝土橋梁，若橫向固定支座位于同一側(cè)，則橫向相對位移基本不控制設(shè)計(jì)。對于多線橋梁，遠(yuǎn)離橫向固定支座側(cè)的無砟軌道梁端相對變形控制設(shè)計(jì)。當(dāng)梁縫兩側(cè)的梁體分別為鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，由于鋼材的線膨脹系數(shù)比混凝土大18%，且鋼材的溫度變化幅度遠(yuǎn)大于混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)重點(diǎn)核查梁端相對變形。