高速鐵路大跨度四線鋼桁斜拉橋橋塔設計

謝遠超

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

1 工程概況

杭紹臺鐵路是我國第一條民營資本控股的高速鐵路項目，鐵路跨越椒江主航道采用了(84+156+480+84+156) m四線鋼桁斜拉橋[1](圖1)，是全線關鍵重點工程。椒江特大橋跨越椒江，航道標準為Ⅳ級航道，椒江特大橋主跨跨越習慣性航跡線。

椒江特大橋主跨480 m創四線純高速鐵路橋梁主跨之最。該橋采用有砟軌道，設計速度250 km/h，預留300 km/h行車條件[2]。主橋結構為雙塔雙索面鋼桁斜拉橋，半漂浮體系，其中主梁為正N形雙主桁，桁高14 m，桁寬24.3 m；斜拉索共60對，采用鋅鋁合金平行鋼絲索；主塔為下塔柱內縮的花瓶形混凝土橋塔，塔高190 m；基礎為鉆孔灌注樁基礎，最大樁徑2.5 m，最長樁長123 m。

圖1 椒江特大橋主橋橋型布置(單位：m)

2 橋塔塔形比選

橋塔是斜拉橋主要受力構件，斜拉橋上部結構荷載通過主塔傳遞至基礎，采用不同的橋塔塔形，橋塔受力特點相應變化，且橋塔是表達斜拉橋特色和視覺效果的主要結構物，其外形設計在全橋的景觀設計中尤為重要[3-5]。故塔形的選擇不僅與結構受力、工程造價、橋址處風速、地震等建橋條件密切相關，還往往受基礎形式、施工難度以及景觀效果的制約。

目前，橋塔的主要形式有A形、倒Y形、H形、鉆石形和優化的花瓶形等主要塔形，如圖2所示。

圖2 塔形方案

從主塔受力而言，A形、倒Y形橋塔傳力路徑明確清晰，但下塔柱橫橋向向外擴張，基礎規模較大。當兩肢下塔柱距離較遠時，其基礎平面形狀可設計成“啞鈴形”平面尺寸，但是要克服啞鈴之間連接結構的拉力，同時也增加了圍堰數量，增加了設計和施工的難度。H形塔是比較傳統的橋塔形式，主要優點在于塔柱豎直，造型簡潔便于施工，斜拉索為平行索面，但基礎規模相對鉆石形橋塔較大。

鉆石形塔斜拉索為空間索面，索、塔之間的空間立體感增強，具有較好的穩定性、抗扭剛度和抗風性能，可以適應雙索面及三索面的布置形式。下塔柱橫向內縮，基礎規模較小，節省工程造價，減小基礎施工難度。

優化的花瓶形塔結合了傳統H形塔和鉆石形塔的優點，下塔柱內縮以減小基礎規模，降低深水基礎施工難度，節省造價，豎直的上塔柱及平行索面減小高空作業施工難度，通過塔柱棱角及橫梁曲線的勾勒，使得塔形簡潔大氣而又不失優美。

由于該橋主塔位于深水區，為盡量減小深水基礎的規模，從降低造價和施工難度等方面考慮，宜采用鉆石形或優化的花瓶形橋塔，見圖3。

圖3 橋塔景觀造型方案

對花瓶形橋塔及鉆石形橋塔方案進行對比，主要結果對比如表1所示。

表1 塔形方案比較

兩種塔形方案混凝土最大壓應力、跨中靜活載撓度及橋塔混凝土用量均較為接近，考慮花瓶形橋塔上塔柱豎直可簡化模板便于施工，經綜合比較，從受力合理、造價適宜、施工簡便和景觀優美等方面考慮，主塔塔形推薦采用花瓶形塔。

3 塔高比選

斜拉橋塔高是斜拉橋整體高度的控制因素，合理確定塔高，不僅具有技術經濟意義，還有減小施工難度、降低施工風險等作用。

針對該四線鐵路橋不同塔高進行計算研究，比較塔高180，190，200，210，220 m等5種方案。針對不同塔高方案，比較中跨活載撓度、拉索、主桁軸力、主塔反力等各項關鍵指標，主要結果對比如表2所示。

表2 不同塔高計算結果對照

隨著塔高的增大，橋梁整體剛度增大，中跨靜活載撓度減小，拉索及主梁受力相應改善，但主塔及基礎受力增大。主塔和基礎的橫向彎矩隨著塔高增大而增大，縱向彎矩反而減小。

可見隨著塔高的增大，主塔和基礎的工程量隨著增大，但主梁和斜拉索的工程量隨著塔高增大而減小。綜合全橋考慮，本橋塔高采用190 m，本橋橋面以上至最高理論錨固點高為118.5 m，與主跨比例為0.25，為正常比例。

4 橋塔結構設計

橋塔為下塔柱內縮的花瓶形混凝土塔，由塔座、下塔柱、中塔柱、上塔柱、下橫梁、上橫梁六部分組成，塔高(從塔座頂面算起)為190 m，塔內設檢修平臺、爬梯及電梯等相關附屬。橋塔順橋向寬度為8～14 m。橋塔側面距離塔底15.5 m及以上布置有直徑10 cm、間距3 m的通風孔。塔柱四角均設倒角，橫橋向內側設置80 cm×80 cm的倒直角，橫橋向外側設置160 cm×80 cm的倒直角。在塔壁內設置型鋼骨架。塔座、塔柱外表面混凝土保護層內布置有一層φ10 mm，間距10 cm的帶肋焊接鋼筋網片。橋塔結構見圖4。

圖4 橋塔結構(單位：cm)

4.1 塔柱

塔座高4 m，頂面順橋向寬17 m，橫橋向寬12 m，底面順橋向寬21 m，橫橋向寬16 m。

下塔柱高44.5 m，考慮通航防撞需要，塔柱下端為實體段，高度12 m，順橋向寬11.89～14 m，下塔柱水平橫橋向寬5.52～10 m，采用單箱雙室截面，順橋向塔壁厚度為1.2 m，中隔板厚0.8 m，橫橋向塔壁厚度為1.2 m，在根部及與下橫梁交界范圍內壁厚局部加厚。

中塔柱高82.0 m，順橋向寬8.0～11.89 m，橫橋向寬5.5 m，采用單箱單室截面，順橋向塔壁厚度為1.2 m，橫橋向塔壁厚度為1 m，在中塔柱頂、底部內壁厚局部加厚。中塔柱在橋面處設有1.8 m×1.2 m進人孔，電力管線從該處通過。

上塔柱高63.5 m，順橋向寬8 m，橫橋向寬5.5 m，采用單箱單室截面，順橋向塔壁厚度為1.5 m，橫橋向塔壁厚度為1 m，在底部內壁厚局部加厚。塔頂部設有人孔。

4.2 橫梁

下橫梁高7.5 m，與塔柱相交位置局部加厚，橫橋向長42.0 m，順橋向寬9.2 m，采用單箱雙室截面，頂、底板厚度為0.8 m，腹板厚度為1.0 m，在支點位置設有2.0 m厚的橫隔墻，每塔下橫梁共有2道支點隔墻。下橫梁頂面布置有支承墊石及阻尼器錨固塊。橫梁考慮排水需要，梁頂均設2%雙面人字坡。下橫梁布置有82束22-φ15.2 mm鋼絞線。

橋塔上橫梁高6～10.43 m，橫橋向長29.8 m，順橋向寬6 m，采用單箱單室截面，頂、底板厚度為0.8 m，腹板厚度為0.8 m。上橫梁布置有34束22-φ15.2 mm鋼絞線。

4.3 基礎

主塔基礎采用鉆孔灌注樁基礎[6]，均按摩擦樁設計?；A設置單層圓端形承臺，承臺長48.966 m、寬32.224 m、厚6.0 m，樁基采用42根φ2.5 m的鉆孔灌注樁，梅花形布置。樁基布置見圖5。

圖5 橋塔基礎平面(單位：cm)

本橋位處地質條件較差，根據地質資料，橋塔基礎土層主要為淤泥質黏土、粉質黏土、細圓礫土、凝灰巖等土層，上部土層較弱，存在較厚的軟弱土層。為滿足承載力及沉降值要求，選用強風化凝灰巖作為持力層。由于巖層縱橫向存在傾斜，為使樁尖都落在基本承載力為500 kPa的強風化凝灰巖上，橋塔下的樁基采用了不等長樁，小里程橋塔樁長為114～116 m，大里程橋塔樁長為115.5～123 m。

4.4 索塔錨固

經受力及經濟性比較，索塔錨固采用齒塊錨，斜拉索塔端錨固在塔壁內側的齒塊上，并在塔壁內布置環向預應力束。

由于主塔截面較小，井字形布束在保證上下層螺旋筋不干擾時容易造成縱、橫向預應力束豎向間距過大，導致預埋導管之間的區域配不下足夠的預應力束，故采用環形配束方案。每層環向束布置內外側兩束，相鄰層錨固區交錯布置，上塔柱斜拉索錨固區塔壁內、外側分別布置17-φ15.2 mm、19-φ15.2 mm環形鋼絞線。

4.5 耐久性設計

椒江特大橋橋址處距離下游入海口約10.5 km，為感潮河段，為確保結構在設計使用壽命年限內的正常使用功能，對橋塔進行以下耐久性設計。

提高混凝土等級；增大最外層鋼筋凈保護層厚度；塔柱外表面設有φ10 mm的帶肋防裂鋼筋網片；受環境侵蝕性影響的墩身部位，采用硅烷浸漬防護作為附加防護措施；樁基施工用的鋼護筒予以保留；優化混凝土配合比，以使混凝土的電通量、氯離子擴散系數等指標滿足耐久性規范的要求。

5 橋塔計算分析

5.1 計算模型及荷載

采用通用有限元軟件建立全橋計算模型，對不同工況下橋塔順橋向、橫橋向受力進行計算分析[7-13]。全橋計算模型見圖6。

圖6 椒江特大橋全橋有限元模型

計算荷載主要包括：結構自重、二期恒載、橫梁預應力、混凝土收縮徐變、斜拉索初拉力、不均勻沉降、ZK活載、列車橫向搖擺力、溫度荷載、風荷載、制動力、地震力、船撞荷載等。

橋塔荷載組合分別以主力、主力+附加力進行組合，取最不利組合進行設計，并對特殊荷載進行檢算。

5.2 主要檢算結果

(1)塔柱計算

鋼筋配置按規范要求的最小配筋率0.5%，并參考公路斜拉橋設計細則，總配筋率不小于1%進行配筋，根據不同的截面采用不同配筋方案。檢算時鋼筋按照雙φ28 mm間距12.5 cm布置。

橋塔為壓彎構件，計入彎矩增大系數對橋塔截面進行強度檢算，檢算結果如表3所示。

表3 塔柱混凝土壓應力 MPa

混凝土最大壓應力位于中塔柱下端變截面處，主附工況最大壓應力為19.4 MPa，鋼筋最大拉應力為46 MPa，運營階段主塔不同部位混凝土應力、鋼筋應力、裂縫等經檢算均能滿足要求。

(2)橫梁計算

橫梁按不同梁高進行對比分析，梁高較低時，跨中底板及梁端頂板存在拉應力，若不增加梁高采用增加鋼束的方式，會導致鋼束過密無法布置并使鋼束錨固處橋塔承受較大的剪力，經比選后上橫梁采用6～10.16 m變截面梁高，下橫梁采用7.5 m梁高。橫梁主要計算結果見表4。

可見橫梁各項縱向檢算結果均能滿足要求。

對橫梁建立環框計算模型，上橫梁頂底板、腹板截面配筋均為φ20 mm@10 cm，下橫梁頂底板、腹板截面配筋均為φ22 mm@10 cm。頂、底板及腹板按鋼筋混凝土構件檢算。選擇最不利工況的內力，檢算截面強度及裂縫，檢算結果滿足規范要求。

表4 橫梁計算結果

(3)關鍵施工工況檢算

裸塔工況混凝土最大壓應力為11.7 MPa，最大懸臂工況混凝土最大壓應力為15.9 MPa。裸塔工況及最大懸臂工況下，主塔不同部位混凝土應力、鋼筋應力、裂縫等經檢算均能滿足要求。

(4)屈曲分析

對關鍵施工工況及正常運營工況進行屈曲分析，在各施工階段穩定性分析均以恒載+風荷載進行計算，在正常運營階段穩定性分析考慮恒載+活載+風荷載進行計算。屈曲分析結果見表5。

表5 屈曲分析結果

可見在各種計算工況下，結構彈性屈曲的特征值均滿足要求。

(5)抗震計算

該橋位處地震動峰值加速度0.064g，橋塔橫橋向采用反應譜法進行分析， 縱橋向采用時程法進行分析。從縱橫向抗震模型中提取內力，對截面進行檢算[14]。

多遇地震作用下橋塔混凝土最大壓應力為17.5 MPa，鋼筋拉應力很小。罕遇地震作用下橋塔混凝土最大壓應力為20.4 MPa，鋼筋最大拉應力為277.6 MPa?？梢?，在地震荷載作用下主塔不同部位混凝土應力、鋼筋應力等均能滿足要求。

6 施工方案

椒江特大橋主梁采用邊跨頂推法，中跨懸拼法的施工方法，配備大型吊機，采用整節段架設，利用架梁吊機懸臂拼裝中跨側鋼梁，每架設一個整節段鋼梁，便對稱掛設斜拉索，直至鋼梁架設至跨中合龍。

橋塔基礎為深水基礎，搭設施工棧橋及水上施工平臺，采用雙壁鋼圍堰防護施工。椒江橋主塔基礎采用低樁承臺，鉆孔灌注樁最大樁長為123 m，但最大鉆孔深度達到143.6 m，是目前國內鐵路橋梁中鉆孔深度最深的樁基礎，普通鉆機難以施工，采用旋挖鉆機桅桿加長，并定制特制鉆桿的方案以滿足鉆孔深度。鉆孔灌注樁施工控制難度很高，防止塌孔是施工該類大直徑長樁的難題。該橋采取了加長鋼護筒、精確控制泥漿配比等措施。

橋塔采用爬模法分節段施工，施工依次按照塔座、下塔柱、下橫梁、中塔柱、上橫梁、上塔柱的順序進行。主塔塔座采用一次澆筑完成，并按大體積混凝土施工方法控制。塔柱總高190 m，共分34個施工段，采用液壓爬模技術進行塔柱施工，中塔柱施工時應設置臨時橫撐以滿足施工過程中的受力安全。上、下橫梁施工時需搭建臨時支架或托架，混凝土澆筑完成后，待混凝土強度達到設計值的95%、彈性模量達到設計值的100%且齡期大于7 d時，張拉上、下橫梁內預應力[15-20]。

7 結語

椒江特大橋是杭紹臺鐵路重難點控制工程，所處地理位置建橋條件復雜，于2018年12月開工建設，截止到2020年3月，已完成橋塔基礎及下塔柱施工。通過對橋塔塔形進行研究分析，從受力、造價、施工等方面綜合考慮，主塔塔形采用花瓶形塔；通過對不同塔高方案進行計算比選，綜合主梁、斜拉索、橋塔及基礎共同考慮，本橋塔高采用190 m。在確定塔形及塔高后，進一步細化對橋塔塔柱、橫梁、基礎的截面設計，確定索塔錨固采用齒塊錨體系，并對施工方案和耐久性措施進行研究，對橋塔不同工況的強度、穩定性進行檢算，對橋塔抗震性能進行分析，從而確保橋塔設計的安全可靠、經濟合理、美觀可行、施工便利，設計經驗可為類似橋梁建設提供借鑒。