杭溫鐵路楠溪江主跨240 m混凝土斜拉橋設(shè)計(jì)

郭安娜,李喜平,劉振標(biāo)

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063； 2.中國(guó)鐵建股份有限公司橋梁工程實(shí)驗(yàn)室,武漢 430063)

1 工程概況

新建杭州—溫州鐵路(義烏—溫州段)工程楠溪江特大橋主橋?yàn)?40.5+79.5+240+79.5+40.5) m雙塔混凝土斜拉橋，橋址位于浙江省溫州市永嘉縣三江街道內(nèi)，于鐵路里程DK314+170.1～DK314+406.2處跨越楠溪江，河流與線路大里程夾角為81.23°。上游約38 m處為既有甬臺(tái)溫鐵路楠溪江特大橋(40+3×64+40) m連續(xù)梁，小里程側(cè)輔助跨上跨諸永高速公路。見圖1。

圖1 主橋地理位置

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級(jí)：高速鐵路，雙線，正線線間距5.0 m。

速度目標(biāo)值：160 km/h(只針對(duì)該橋)。

設(shè)計(jì)活載： ZK標(biāo)準(zhǔn)活載。

軌道類型：有砟軌道。

線路條件：主橋平面位于直線上，立面位于5.815‰縱坡上。

航道等級(jí)：內(nèi)河五級(jí)航道，最高通航水位5.98 m，凈高6.25 m，最低通航水位4.42 m。

設(shè)計(jì)水位：1/100頻率洪水位7.05 m，1/300頻率洪水位7.1 m，施工水位4.62 m。

地震基本烈度：根據(jù)GB 18306—2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，橋址區(qū)基本地震動(dòng)峰值加速度0.05g，基本地震動(dòng)反射譜特征周期0.35 s，地震基本烈度6度。

環(huán)境類別及作用等級(jí)：碳化環(huán)境作用等級(jí)為T1、T2級(jí)；氯鹽環(huán)境作用等級(jí)L1；化學(xué)侵蝕環(huán)境作用等級(jí)H1。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋采用雙塔雙索面混凝土斜拉橋[1]，橋跨布置為(40.5+79.5+240+79.5+40.5) m，半漂浮體系[2]，橋長(zhǎng)481.6 m(含支座中心到梁端0.8 m)。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁[3]，索塔采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[4]，每個(gè)橋塔有2個(gè)塔柱，每個(gè)塔柱下設(shè)承臺(tái)，兩個(gè)承臺(tái)間設(shè)系梁相連，斜拉索采用平行雙索面體系[5]。主橋總體布置見圖2。

圖2 主橋總體布置(單位：m)

3.1 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室截面[6]，頂寬14.4 m，底寬12 m，梁高4.0 m，中心處梁高4.0 m，頂板橫橋向設(shè)2%的“人”字橫坡，橋面布置如圖3所示。主梁橫截面分標(biāo)準(zhǔn)橫截面和加厚橫截面2種，輔助墩塔側(cè)第二對(duì)斜拉索至梁端之間(邊跨壓重區(qū))為加厚截面區(qū)域，其他為標(biāo)準(zhǔn)截面區(qū)域。標(biāo)準(zhǔn)橫截面的頂板厚35 cm，底板厚35 cm，腹板厚110 cm；加厚橫截面的頂板厚50 cm，底板厚50 cm，腹板厚110 cm。主梁橫斷面如圖4所示。

圖3 主梁橋面布置(單位：cm)

圖4 主梁截面構(gòu)造(單位：cm)

混凝土箱梁每7.5 m設(shè)置1道厚30 cm斜拉索橫隔梁[6]，與斜拉索位置對(duì)應(yīng)設(shè)置，其構(gòu)造如圖5所示。索塔、連接墩及輔助墩支點(diǎn)處各設(shè)置1道加厚橫隔梁，索塔處橫隔梁厚3 m，輔助墩處橫隔梁厚2.0 m，連接墩處端橫隔梁厚3.0 m。橋塔處兩側(cè)設(shè)置2道無索橫隔板，厚30 cm。

圖5 橫隔梁截面構(gòu)造(單位：cm)

混凝土箱梁采用雙向預(yù)應(yīng)力體系，縱向預(yù)應(yīng)力采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線和預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋，橫向預(yù)應(yīng)力索均采用鋼絞線預(yù)應(yīng)力筋。

3.2 橋塔和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

橋塔采用H形橋塔[7]，因地形情況不同，兩個(gè)橋塔高度不一致，36號(hào)橋塔承臺(tái)以上高度85.5 m，37號(hào)橋塔承臺(tái)以上高度為80.35 m，橋面以上塔高65.83 m。上塔柱為兩分離式豎直塔柱，高34.65 m，橫橋向塔柱中心距(索面距)10.9 m；中塔柱和下塔柱為兩分離式傾斜塔柱，傾斜度為1:7.125，中塔柱高34.53 m；36號(hào)橋塔下塔柱高16.32 m，37號(hào)橋塔下塔柱高11.17 m。

橋塔塔柱橫橋向?qū)挾葹?.5 m，順橋向?qū)挾壬纤鶠?.5 m，由塔柱上橫梁中心線處線性加寬至塔底，36號(hào)橋塔塔底寬為7.751 m，37號(hào)橋塔塔底寬為7.624 m。塔柱采用單箱單室截面，順橋向壁厚1.2、1.3、1.5 m，橫橋向壁厚0.9、1.0、1.2 m。37號(hào)橋塔下塔柱因高度較矮，采用實(shí)心矩形截面。橋塔構(gòu)造如圖6所示。

圖6 橋塔構(gòu)造(單位：m)

橋塔上橫梁采用等寬變高單箱單室截面[8]，截面寬4.5 m，高3～4 m，與塔柱為倒角連接。考慮到索塔下塔柱較矮，為滿足景觀和受力要求，塔柱在主梁下方設(shè)分離式下橫梁[9-11]，采用等寬變高實(shí)心矩形截面，截面寬4.5 m，高3.0～5.394 m，頂面與塔柱為倒角連接，底面以圓弧連接。索塔下橫梁下設(shè)置肋板，順橋向?qū)?.0 m，橫橋向?qū)?.5～4.808 m。37號(hào)橋塔三維輪廓如圖7所示。

圖7 37號(hào)橋塔三維輪廓

每個(gè)塔柱下設(shè)承臺(tái)，承臺(tái)尺寸為15.5 m×11 m×6.0 m，兩個(gè)承臺(tái)間設(shè)系梁[12]相連，系梁為寬8.0 m、高6.0 m的箱形截面。每個(gè)承臺(tái)下設(shè)置5根φ3.0 m鉆孔灌注樁，每個(gè)橋塔共10根樁，按柱樁設(shè)計(jì)，每個(gè)橋塔系梁均設(shè)4根φ1.25 m輔助樁，均為鉆孔灌注樁。

3.3 斜拉索設(shè)計(jì)

斜拉索采用φ7 mm熱擠聚乙烯低松弛鋅鋁合金鍍層平行鋼絲拉索，平行雙索面體系，扇形布置，全橋共60對(duì)斜拉索。索梁錨固主梁腹板內(nèi)，錨固點(diǎn)橫向間距10.9 m，縱向間距為7.5 m，錨固點(diǎn)距梁底高度為0.5 m，如圖8所示。

圖8 索梁錨固開槽(單位：cm)

斜拉索與索塔錨固采用內(nèi)置式的鋼錨箱[13]，塔上橫向索距10.9 m，鋼錨箱錨點(diǎn)豎向間距2.0 m和2.2 m；斜拉索張拉端設(shè)置在塔內(nèi)。鋼錨箱構(gòu)造如圖9所示。

圖9 索塔鋼錨箱構(gòu)造示意

4 橋梁主體靜力分析

4.1 整體計(jì)算模式

全橋總體靜力分析采用Midas Civil空間有限元軟件，計(jì)算荷載包括恒載、列車活載、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、溫度變化、風(fēng)載、列車制動(dòng)力、支座沉降等，考慮不利荷載組合對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行從施工到運(yùn)營(yíng)狀態(tài)全過程計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容包括實(shí)際成橋狀態(tài)、結(jié)構(gòu)整體剛度，支座反力，混凝土主梁及索塔內(nèi)力、應(yīng)力、強(qiáng)度，斜拉索各階段的索力、應(yīng)力及強(qiáng)度安全系數(shù)等[14]。有限元模型如圖10所示。

圖10 Midas有限元模型

4.2 主梁檢算結(jié)果

4.2.1 主梁應(yīng)力、強(qiáng)度、抗裂

按照TB10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]，檢算主梁的正應(yīng)力、剪應(yīng)力、主應(yīng)力、強(qiáng)度和抗裂系數(shù)，結(jié)果表明，橋體主梁的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，檢算結(jié)果見表1。

表1 主梁應(yīng)力、強(qiáng)度、抗裂檢算 MPa

4.2.2 主梁變形

根據(jù)TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]，驗(yàn)算各工況下主梁變形。橫向風(fēng)及搖擺力作用下主梁橫向撓度37.1 mm，橫向撓跨比1/6 612；靜活載作用下梁端轉(zhuǎn)角為0.295‰，不同荷載組合下主跨跨中豎向撓度見表2。結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)變形滿足規(guī)范要求。

表2 不同荷載組合下主跨跨中豎向撓度

4.3 索塔檢算結(jié)果

主力作用下塔柱最大壓應(yīng)力8.3 MPa，橋塔上橫梁最小壓應(yīng)力6.95 MPa，最大壓應(yīng)力8.71 MPa；主力+附加力作用下塔柱最大壓應(yīng)力8.5 MPa，橋塔上橫梁最小壓應(yīng)力5.62 MPa，最大壓應(yīng)力9.85 MPa。索塔全截面受壓，應(yīng)力滿足要求。成橋狀態(tài)下，塔頂向邊跨側(cè)偏移0.036 m；靜活載作用下，塔頂向中側(cè)跨偏移0.080 m，索塔剛度大。

4.4 斜拉索檢算結(jié)果

主力作用下斜拉索全部受拉，最大拉應(yīng)力727.1 MPa，最小拉應(yīng)力519.8 MPa；主力+附加力作用下，斜拉索最大拉應(yīng)力734.1 MPa，最小拉應(yīng)力515.9 MPa，安全系數(shù)2.53～2.86，均滿足斜拉索容許安全系數(shù)≮2.5的要求。疲勞最大應(yīng)力幅129.7 MPa。跨中斷1對(duì)索時(shí)，安全系數(shù)2.18～2.92，大于安全系數(shù)2.0。

4.5 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

利用有限元軟件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算模態(tài)分析，識(shí)別出結(jié)構(gòu)每個(gè)階次的周期、頻率、模態(tài)參數(shù)，可以為橋梁抗震、抗風(fēng)等動(dòng)力性能分析提供設(shè)計(jì)依據(jù)。表3列出了主橋運(yùn)營(yíng)階段前10階和第19階振型自振頻率和主要振型特征。

表3 主橋運(yùn)營(yíng)階段11階自振頻率和振型

5 主梁實(shí)體分析

本橋箱形主梁橫隔板縱向間距7.5 m，橫向腹板間距10.9 m，根據(jù)《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，橋面板應(yīng)按雙向板計(jì)算[17]。為研究橋面板傳力情況，建立主梁節(jié)段實(shí)體模型[18]。頂、底板施加橫向索，查看橋面板自重、二恒、活載工況下的橫向應(yīng)力情況，橋面板上緣應(yīng)力結(jié)果如圖11所示。約束腹板位移，不考慮箱形縱向索和全橋縱向彎矩，查看自重、二恒、活載工況下橋面板縱向應(yīng)力情況，橋面板上緣應(yīng)力結(jié)果如圖12所示。

圖11 橋面板橫橋向上緣應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖12 橋面板縱橋向上緣應(yīng)力云圖(單位：MPa)

恒載+活載組合下，橋面板上緣縱向應(yīng)力0.59 MPa，橫橋向應(yīng)力1.54 MPa，對(duì)比橋面板單項(xiàng)荷載下縱向和橫向應(yīng)力情況，可以得出，該橋箱形主梁橋面板以橫向傳力為主。

6 工后徐變變形分析

高速鐵路橋梁須具備長(zhǎng)期變形小的特征[19]，保證運(yùn)營(yíng)期間軌道平順性，設(shè)計(jì)中需要控制混凝土梁的后期收縮徐變變形[20-21]。通過改變主梁中跨底板索和斜拉索索力兩種方式控制主梁后期徐變，工況1～工況4采用調(diào)整主梁中跨底板索面積，斜拉索索力不變；工況5、工況6在工況2的基礎(chǔ)上增大斜拉索索力。對(duì)比主梁底板索和斜拉索索力對(duì)成橋線形、主梁上下緣應(yīng)力和后期徐變值的影響，結(jié)果見表4、表5。

表4 主梁底板索對(duì)工后徐變值的影響

從表4、表5可以看出，通過增大斜拉索索力，使主梁在成橋狀態(tài)產(chǎn)生上拱的位移，調(diào)整主梁線形和主梁跨中截面上、下緣的應(yīng)力狀態(tài)，可以降低后期收縮徐變變形；此外，增加底板預(yù)應(yīng)力鋼束也可以降低收縮徐變效應(yīng)帶來的不利影響，但不如調(diào)整斜拉索索力有效。

通過斜拉索和混凝土主梁預(yù)應(yīng)力索調(diào)整，橋體3年運(yùn)營(yíng)期，主跨跨中因混凝土收縮徐變產(chǎn)生的下?lián)现禐?6.9 mm，如圖13所示。

圖13 3年運(yùn)營(yíng)期主梁混凝土下?lián)现?單位：mm)

7 結(jié)論

(1)新建杭州—溫州鐵路(義烏—溫州段)工程楠溪江特大橋主橋采用(40.5+79.5+240+79.5+40.5) m雙塔混凝土斜拉橋，結(jié)構(gòu)剛度大，受力合理，安全可靠。

(2)橋塔下橫梁采用帶板肋的分離式橫梁，承臺(tái)之間設(shè)置系桿，橋塔構(gòu)造滿足受力要求，解決了下塔柱過矮、空間狹小問題。

(3)橋體箱形主梁橫隔板縱向間距7.5 m，橫向腹板間距10.9 m，通過主梁節(jié)段實(shí)體分析，主梁橋面板不完全符合傳統(tǒng)意義上的雙向板設(shè)定，仍然以橫向受力為主。

(4)混凝土主梁3年運(yùn)營(yíng)期后下?lián)现?6.9 mm，通過收縮徐變研究得出，增大斜拉索索力和主梁底板預(yù)應(yīng)力鋼束面積，調(diào)整主梁線形和主梁跨中截面上、下緣的應(yīng)力狀態(tài)，可以降低后期收縮徐變變形，且增大斜拉索索力方式對(duì)控制收縮徐變效果更加明顯。