鐵路矮塔斜拉T構橋結構設計方法實例研究

黃 毅 劉 偉 胡玉珠

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

矮塔斜拉橋是一種采用斜拉索進行體外加勁的混凝土梁橋，通常認為該種橋型是介于預應力混凝土連續梁橋和預應力混凝土斜拉橋之間的一種組合體系橋型，具有塔矮、梁剛、索集中的結構特點[1]。1988年，法國設計師Jacgues Mathivat正式提出了矮塔斜拉橋的概念，并指出該類橋型的受力特點：以主梁為主要承載結構，分擔大部分荷載，斜拉索對主梁起加勁作用且承擔一部分荷載，相當于體外預應力索。自此之后，矮塔斜拉橋在世界范圍內得到了推廣應用。我國于2000年建成首座矮塔斜拉橋——蕪湖長江大橋[2](公鐵兩用橋)。隨后，又相繼建成了京滬高鐵天津聯絡線大橋(64.6+115+115+64.6)m[3]、懷邵衡鐵路沅江特大橋(90+180+90)m[4]、商合杭鐵路潁上特大橋(94.2+220+94.2)m[5]、蒙華鐵路漢江特大橋(72.5+116+248+116+72.5)m[6]等多座矮塔斜拉橋。

上述工程的順利建成，極大地促進了矮塔斜拉橋設計施工技術的發展，逐步形成了較為完整的綜合技術體系。但受工程建設環境等的限制，該類橋梁在設計技術上仍存在一定的個案性特征，實際設計過程中，仍需根據工程的實際條件開展有針對性的設計研究。本文以渝(重慶)黔(黔江)鐵路長途河大橋工程為依托，針對矮塔斜拉橋設計過程中存在的梁部無索區長度、索間距等關鍵性參數的確定問題開展研究，以期進一步豐富該類橋梁的設計方法。

1 工程概況

渝(重慶)黔(黔江)鐵路長途河大橋位于重慶市武隆縣巷口鎮涼水村長途河附近，大橋跨越河谷及兩岸道路，線路主要設計技術標準如表1所示。

表1 主要技術標準表

經多方案比選和論證，同時綜合考慮橋址地形地質、橋梁跨度、凈空及受力特點等影響因素，提出了矮塔斜拉T構橋型的設計方案。

2 總體設計方案

參考類似工程，初步擬定長途河大橋設計方案為：主橋采用(132+ 132) m預應力混凝土矮塔斜拉T構，塔—墩—梁固結，墩高79 m；主墩基礎采用直徑2.5 m鉆孔灌注樁，其余橋墩基礎采用直徑1.50 m或1.25 m鉆孔灌注樁；引橋簡支梁采用支架現澆施工。全橋總布置圖如圖1所示。

圖1 全橋總布置圖(cm)

2.1 主梁構造

主梁設計為單箱雙室變高度直腹板截面，等高段橫斷面，如圖2所示。箱梁頂寬14.1 m，箱寬11.3 m，主墩頂支點截面梁高13 m，邊支點截面高7 m，截面高度按二次拋物線變化。箱梁頂板厚42 cm，腹板厚40～90 cm，底板厚52～110 cm。由于塔-梁-墩固結且根據改善局部受力的需要，橋塔位置箱梁底寬兩側各加寬210 cm，墩梁固結下腋處和箱體內設置倒角[7]。斜拉索與主梁之間采用箱外混凝土齒塊錨固，錨固處對應設置箱內橫梁。

圖2 主梁等高段橫斷面圖(cm)

2.2 塔墩構造

本橋墩-梁-塔固結，塔柱縱向為人字形，塔高38 m。上塔柱采用矩形實體截面，距離梁頂面17.5 m至塔底段順橋向分肢，單肢截面順橋向寬2.4～2.8 m，橫向橋等寬2.7 m，構造如圖3所示。主墩采用矩形空心墩，墩高79 m，墩頂截面尺寸11×15.5 m(縱×橫)，墩身縱向直坡，橫向坡比1∶25。塔柱采用C50鋼筋混凝土，橋墩梁底以下8 m范圍墩身采用C55鋼筋混凝土，其余墩身采用C40鋼筋混凝土。

圖3 橋塔構造圖(cm)

2.3 斜拉索

斜拉索采用61-15.2 mm及73-15.2 mm的無粘結鋼絞線，斜拉索在上塔柱采用分絲式抗滑鞍座穿過[8]。斜拉索關于索塔對稱布置，全橋初擬設計共18對斜拉索，最內側索距離塔中心38 m，索在梁上的縱向間距為8 m，在塔上的豎向間距為1.5 m，最外側索的水平夾角為19.8°，如圖4所示。

圖4 斜拉索布置示意圖

2.4 基礎

主墩基礎采用18根2.5 m鉆孔灌注樁，按照柱樁設計，行列式布置，樁長12 m，承臺尺寸為(29 × 17 × 5) m，基礎布置如圖5所示。

圖5 主墩基礎布置圖(cm)

3 斜拉索布置范圍及間距優化設計

矮塔斜拉橋與常規預應力混凝土梁橋相比，最大區別就在于斜拉索的體外加勁作用，斜拉索的布置范圍、角度等參數直接影響其工作效率及材料用量。因此在實際設計過程中，需對矮塔斜拉T構橋型的無索區長度、索間距兩個主要的結構參數進行多工況對比分析，以確定其較優取值。

3.1 計算模型

采用Midas civil有限元軟件，建立矮塔斜拉T構主梁的模型并計算。模型中，主梁按全預應力混凝土結構設計，主梁共分為127個單元，其中主梁、塔、墩設置為梁單元，斜拉索采用僅受拉的桁架單元模擬。整體計算模型如圖6所示。

圖6 計算模型圖

3.2 斜拉索布置范圍

保持梁上索間距(L2=64 m)不變，調整無索區梁端L1及塔根無索區L3長度(如圖7所示)，設置3種分析方案：①L1=36 m，L3=32 m；②L1=30 m，L3=38 m；③L1=24 m，L3=44 m。

圖7 有、無索區參數示意圖

采用上述計算模型，分別計算得到不同工況下橋梁結構的剛度、內力變化的情況，如表2所示。

表2 無索區長度對比表

由表2可以看出：

(1)拉索布置越靠近梁端，梁端轉角越小，跨中活載撓度也越小。其原因在于梁部為變高度箱梁，越靠近邊支點梁體剛度越小，斜拉索對結構剛度貢獻則越大。

(2)對梁部內力，拉索布置越靠近主塔，塔根主梁負彎矩越小，有利于減小中支點梁高，但同時邊支點附近無索區正彎矩相應增大，需配置更多的底板預應力鋼束。

綜上所述，本橋設計為兼顧結構剛度與內力，選擇方案②作為設計選型結論，梁端無索區長30 m，塔根無索區長38 m。

3.3 梁上索間距

保持斜拉索組數及規格一致，且主塔根部無索區長度不變，對索間距分別為7 m、8 m、9 m時進行分析，結果如表3所示。

表3 索間距對比表

由表3可以看出：

(1)索間距越大，梁端轉角越小，跨中活載撓度也越小，即增大拉索覆蓋梁部范圍有利于提高梁體剛度。

(2)對梁部內力而言，索間距越小，主梁塔根處負彎矩越小，邊支點無索區正彎矩越大。索間距從9 m變至7 m時，主梁塔根處負彎矩降低12.2%，無索區正彎矩增大7.5%，負彎矩降低效應更顯著。適當加密索間距有利于控制T構根部梁體負彎矩，降低主梁高度。因此，結合工程實際條件，本橋設計索間距采用8 m。

4 矮塔斜拉T構橋型適應性探討

對于鐵路矮塔斜拉T構橋，主梁剛度較大，斜拉索起體外加勁作用。相比于其他同規模的橋型橋式，該類橋型的競爭力在于斜拉索的作用大小。本節通過分析斜拉索對改善梁體結構內力及剛度的貢獻，來進一步探討該橋型的適用性。

4.1 斜拉索對主梁內力的影響

以本工程為例，統計得到典型施工工況下斜拉索對梁部荷載的分攤比例，如表4所示。

從表4可以看出，主梁施工過程中，結構荷載以恒載為主，斜拉索豎向分力占上部結構總質量的27%以上。而在ZK活載作用下，由于主梁剛度遠大于拉索剛度，斜拉索僅占活載比例的6.5%。二者疊加后，由于外荷載中恒載比例較大，主力工況下斜拉索對梁部荷載的分攤占比達26%。

表4 主要工況下斜拉索荷載占比表

4.2 斜拉索對主梁剛度的影響

通過調整斜拉索剛度或梁體高度，分析拉索對主梁剛度的影響，結果如表5、表6所示。

表5 拉索剛度影響效應表

表6 主梁剛度影響效應表

從表5、表6可以看出：(1)拉索自身剛度變化對主梁剛度影響甚微；(2)成橋運營工況下，斜拉索對梁體剛度的貢獻很小，結構剛度主要由主梁提供，梁高對梁體剛度有著決定性作用。

4.3 矮塔斜拉T構橋型適應性分析

(1)鐵路梁橋上部結構自重較大，采用矮塔斜拉加勁可有效調整結構內力。斜拉索實質作用相當于體外預應力，利用大偏心距的優勢充分發揮拉索作用，降低主梁0號塊負彎矩峰值，從而降低梁高，節省梁部圬工，提高結構的跨越能力。

(2)矮塔斜拉T構與矮塔斜拉三跨連續結構受力特點有所不同。

①結構內力方面：從外部邊界條件看，T構橋型為靜定結構，結構荷載決定其內力分布；而三跨連續結構為超靜定結構，可通過邊跨配跨將恒載下的主跨跨中正彎矩轉化為支點負彎矩，充分發揮變高度梁的截面效率?？梢?，無論是T構還是三跨連續結構，均可以通過矮塔斜拉加勁改善梁體彎矩分布，優化鋼束配置，降低截面高度。

②結構剛度方面：三跨連續結構通常由主跨控制結構設計，邊跨跨度一般為主跨的0.5～0.7倍，能有效降低主跨跨中活載撓度，采用矮塔斜拉加勁亦能有效增加主跨剛度，因此具有較大的跨越能力，橋型適應性更強。而T構兩個邊跨完全相同，上部結構剛度主要靠梁體自身提供，跨度越大矮塔斜拉加勁效率越低，斜拉索功效顯著降低，因此，鐵路橋梁采用矮塔斜拉T構不宜將跨度做得過大。

(3)高速鐵路橋梁鋪設無砟軌道，對靜活載作用下梁端轉角要求嚴格(橋臺與橋梁之間θ≤1‰，相鄰兩孔梁之間θ1+θ2≤2‰)[9]，采用大跨度T型剛構橋型，容易出現梁端轉角控制結構設計的情況，導致轉角剛度控制截面梁高，造成梁部材料強度未充分利用。在此情況下再采用矮塔斜拉進行加勁，一是對梁部剛度提高十分有限；二是拉索加勁對梁體內力改善主要體現在降低0號塊負彎矩、優化體內束用量方面，其作用功效相對有限。因此，矮塔斜拉T構橋型在無砟軌道橋梁上的適用性相對有限，可采用梁端設置過渡短梁等方式解決轉角問題，方能發揮此種橋型的優勢。而對梁端轉角要求相對寬松的有砟軌道鐵路(200 km/h客貨共線鐵路及城際鐵路要求橋臺與橋梁之間θ≤3‰，相鄰兩孔梁之間θ1+θ2≤6‰；高速鐵路要求橋臺與橋梁之間θ≤2‰，相鄰兩孔梁之間θ1+θ2≤4‰)[10]，采用此種橋型能夠充分發揮矮塔斜拉加勁改善梁體內力的特點[11]，降低體內預應力鋼束用量指標，減小截面高度，以提升結構跨越能力。

5 結論

本文以渝(重慶)黔(黔江)鐵路長途河大橋為工程背景，開展了矮塔斜拉T構橋拉索布置范圍及索間距對梁體受力及剛度的影響規律分析，探討了矮塔斜拉T構橋型的適用性，得到以下主要結論：

(1)斜拉索靠近主塔布置、適當加密索間距、提高塔高有利于減小梁部負彎矩峰值。

(2)矮塔斜拉T構橋的斜拉索相當于主梁體外預應力束，其主要作用在于調整結構內力，對結構剛度貢獻較小，主梁剛度主要由梁體自身提供。

(3)鐵路矮塔斜拉T構橋設計時應綜合考慮地形地質、跨度、凈空及橋型受力特點等條件，把握好結構剛度與主梁截面強度的平衡點。

(4)矮塔斜拉T構橋結構較適于有砟軌道鐵路橋梁。