高速鐵路無砟軌道大跨度混合梁斜拉橋方案研究

楊海洋,李 輝,嚴章榮,焦亞萌,簡方梁,李金凱,楊喜文

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司橋梁工程設(shè)計研究院,北京 100055)

1 工程概況

通蘇嘉甬高速鐵路地跨蘇浙兩省，沿線主要有南通市、蘇州市、嘉興市、寧波市等4個地級城市，新建正線線路長度337.1 km，設(shè)計最高速度350 km/h，無砟軌道。望虞河大橋為跨越Ⅲ級航道申張線而設(shè)置，因跨越角度僅為43°，故主跨需采用340 m，通過前期比選，初步確定采用斜拉橋方案。

2 主要技術(shù)標準

2.1 線路標準

鐵路等級：高速鐵路。

正線數(shù)目：雙線。

設(shè)計速度：350 km/h。

線間距：5.0 m。

軌道結(jié)構(gòu)類型：無砟軌道。

2.2 溫度

沿線多年平均氣溫17.1 ℃，極端最高氣溫40.8 ℃，極端最低氣溫-8.7 ℃，最冷月(1月)平均4.3 ℃，最熱月(7月)平均29.3 ℃。

2.3 風(fēng)速

多年平均風(fēng)速2.6 m/s，最大風(fēng)速25.0 m/s。

2.4 設(shè)計荷載

ZK活載。

2.5 地震烈度

橋址區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，設(shè)計水平地震基本加速度約0.06g，橋址區(qū)場地土類型屬軟弱土～中軟土，場地類別為Ⅲ類。

3 方案介紹

望虞河大橋主橋采用主跨340 m雙塔雙索面混合梁斜拉橋，橋跨布置為(60+105+340+105+60) m，半漂浮體系，主橋全長671.5 m。平面位于直線上，立面包含9‰的縱坡，主橋橋式布置見圖1。

圖1 主橋橋式布置(單位：m)

3.1 主梁

目前跨度300 m級高速鐵路無砟軌道斜拉橋主梁采用的方案包括鋼箱結(jié)合梁(福廈鐵路安海灣特大橋[1]，泉州灣跨海大橋[2])、鋼箱混合結(jié)合梁(昌贛鐵路贛江特大橋[4]，渝黔鐵路太子坪烏江大橋)、鋼箱桁梁(商合杭鐵路裕溪河特大橋[3])3種方案。以上3種方案中，由于用鋼量少的緣故，鋼箱混合結(jié)合梁明顯具有更好的經(jīng)濟性，故本橋選用鋼箱混合結(jié)合梁方案。

近年來，波形鋼腹板主梁逐漸得到研究者和設(shè)計者的青睞[8-16]，并已在公路斜拉橋中得到應(yīng)用，但在鐵路斜拉橋中仍未有應(yīng)用和研究。波形鋼腹板由于僅有腹板采用鋼腹板，頂、底板仍為混凝土，其經(jīng)濟性及各項性能介于混凝土梁及結(jié)合梁之間，本文提出一種波形鋼腹板方案進行探討，初步研究波形鋼腹板方案在鐵路斜拉橋中的可行性。

3.1.1 方案1：鋼箱混合結(jié)合梁方案

方案1為本橋設(shè)計方案，主梁采用混合梁方案，邊跨及中跨距橋塔約23 m處(中跨第一根拉索及第二根拉索中間)采用混凝土主梁(圖2)，中跨部分主體采用鋼箱結(jié)合梁(圖3)。梁體最寬處16 m，高度4.5 m，除兩側(cè)邊腹板外，線路中心設(shè)置兩道中腹板。

圖2 混凝土梁斷面(單位：cm)

圖3 鋼箱結(jié)合梁斷面(單位：cm)

斜拉索與結(jié)合梁之間錨固采用錨拉板形式，錨拉板與結(jié)合梁邊腹板焊接。

3.1.2 方案2：波形鋼腹板混合梁方案

波形鋼腹板混合梁方案為本文提出的探討方案，具體為在鋼箱混合結(jié)合梁方案的基礎(chǔ)上，將鋼箱結(jié)合梁部分替換為波形鋼腹板主梁，混凝土主梁斷面保持一致。斜拉索與結(jié)合梁之間錨固仍采用錨拉板形式，波形鋼腹板與底板采用直接埋入連接，頂板通過在腹板頂面焊接翼緣板并在翼緣板上焊接連接件進行連接。

圖4 波形鋼腹板主梁斷面(單位：cm)

拉索位置及墩頂隔板采用混凝土隔板，僅波形鋼腹板部分及頂部翼緣采用鋼結(jié)構(gòu)。

3.2 橋塔

橋塔全高119.5 m，梁面以上塔高98 m，與主跨比為1/3.47。橋塔縱向?qū)挾葟乃數(shù)? m逐步加寬到塔底的10 m。塔頂拉索錨固間距分為1.8、2.0、2.4、2.8、3.2 m 5種，采用鋼錨箱進行錨固。

圖5 橋塔構(gòu)造(單位：m)

3.3 斜拉索

斜拉索采用標準抗拉強度1 770 MPa鍍鋅平行鋼絲拉索，空間雙索面扇形布置，全橋共60對斜拉索。邊跨混凝土梁部分拉索間距10 m，中跨結(jié)合梁部分拉索間距10.5 m，中跨跨中無索區(qū)長度10 m。

3.4 墩身及基礎(chǔ)

輔助墩及連接墩均采用圓端形實體墩，承臺厚3.5 m，連接墩采用10根φ1.5 m的鉆孔灌注樁，輔助墩采用15根φ1.5 m的鉆孔灌注樁。

橋塔承臺厚5 m，并設(shè)4 m加臺，均采用30根φ2.5 m鉆孔灌注樁。

4 合理結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)研究

本部分對本橋斜拉索布置及鋼混結(jié)合段合理位置進行研究，分析對象為鋼箱混合結(jié)合梁方案。

4.1 斜拉索布置

隨著斜拉索索距的減小，主梁拉索間彎矩逐漸減小。但在懸臂施工時，過小索距會增加主梁節(jié)段數(shù)，延長施工時間，且索距太密，對斜拉橋的景觀也有一定影響。

4.1.1 同等拉索截面下的剛度對比

首先對所有拉索采用同等斷面下的橋梁剛度進行對比分析，研究不同拉索布置的影響。

斜拉索梁上拉索間距對主梁受力及剛度均有較大影響，JTG/T 3365—01—2020《公路斜拉橋設(shè)計規(guī)范》[6]建議組合梁或鋼主梁采用8～16 m，混凝土主梁采用6～12 m，統(tǒng)計現(xiàn)有主跨300 m以上的鐵路組合梁斜拉橋梁上拉索間距如表1所示。

表1 現(xiàn)有高速鐵路無砟軌道斜拉橋拉索間距

結(jié)合現(xiàn)有資料，對表2中3種拉索布置下的斜拉橋剛度進行對比，分析不同索間距的影響。分析中斜拉索截面均采用LPES-241，結(jié)合梁及混凝土梁結(jié)合段位于中跨與橋塔中心相距24 m位置。

表2 3種斜拉索布置方案

經(jīng)計算，不同拉索間距布置下的斜拉橋各項剛度指標如表3所示。

由表3可以看出，減小索距能提高結(jié)構(gòu)剛度，但由于拉索根數(shù)增加，會導(dǎo)致拉索用量上升。

表3 不同斜拉索布置方案下的斜拉橋剛度指標

4.1.2 同等剛度下的拉索布置對比

實際中，不同位置的拉索會采用不同規(guī)格的拉索斷面，需要從拉索強度、疲勞應(yīng)力及整體剛度3個方面來對拉索進行斷面設(shè)計，并兼顧拉索種類不應(yīng)過多。

高速鐵路無砟軌道斜拉橋?qū)χ髁簞偠鹊囊筝^高，一般認為靜活載下中跨跨中豎向撓跨比應(yīng)為1/800以下，表4統(tǒng)計了現(xiàn)有跨度300 m級無砟軌道斜拉橋剛度。且根據(jù)車橋耦合分析結(jié)果，本橋鋼箱混合結(jié)合梁方案能滿足行車要求，故分析中均采用該剛度指標。

表4 現(xiàn)有高速鐵路無砟軌道斜拉橋剛度指標

本部分對不同拉索間距下的斜拉橋拉索進行優(yōu)化對比分析，兼顧各方面因素，保持靜活載下的中跨跨中豎向撓度略小于L/800，對比不同拉索間距下的拉索用量。僅對拉索截面進行優(yōu)化，調(diào)整斜拉橋整體剛度。

經(jīng)優(yōu)化調(diào)整拉索截面后，統(tǒng)計得不同拉索布置下的拉索用量見表5，可知在主梁剛度一致時，斜拉索間距越小，總的拉索用量越少，拉索間距增大盡管減少了拉索的根數(shù)，但拉索量不斷增大。

表5 等剛度時不同拉索布置下的拉索用量

分析發(fā)現(xiàn)，這是由于拉索對主梁剛度影響較大的區(qū)域為遠離橋塔的拉索，拉索間距越小時，對拉索面積的優(yōu)化調(diào)整更精準合理。

考慮到施工及拉索錨固等用鋼量，本方案采用拉索布置2，結(jié)合梁段拉索間距10.5 m，混凝土段拉索間距10 m，共30對斜拉索。

4.2 鋼混結(jié)合段位置分析

選取合理的鋼混結(jié)合位置，是混合梁斜拉橋設(shè)計和施工中的關(guān)鍵性問題[7]。結(jié)合部位置決定了鋼梁與混凝土梁的長度比例，對全橋結(jié)構(gòu)，特別是主梁整體受力影響很大；從結(jié)合部自身局部考慮，為防止混凝土梁開裂，合理的結(jié)合部位置還應(yīng)選在主梁彎矩較小的地方，此外，經(jīng)濟因素、施工因素也是結(jié)合部位置選取是必須要考慮的。

4.2.1 同等拉索截面下的剛度對比

本部分研究不同鋼混結(jié)合段位置對橋梁剛度的影響，分析中所有拉索采用同等斷面。

分別考慮鋼混結(jié)合段在中跨距橋塔1～2根拉索中間、2～3根拉索中間及結(jié)合段在邊跨距橋塔100 m位置3種情況。計算中拉索間距均按照拉索布置1方案考慮，即結(jié)合梁段索間距12 m，混凝土梁段索間距11 m。經(jīng)計算，不同結(jié)合段位置下的斜拉橋各項剛度指標如表6所示。

表6 不同結(jié)合段位置下的斜拉橋剛度指標

整體而言，拉索截面相同時，斜拉橋剛度隨混凝土梁長度的增加而增加，結(jié)合段設(shè)置在中跨部分時整體剛度明顯比設(shè)置在邊跨大，結(jié)合段設(shè)置在中跨距橋塔15 m和24 m時整體剛度相差不大。

表7是不同結(jié)合段位置下的結(jié)合位置梁部內(nèi)力。可知，結(jié)合段位于中跨距橋塔1～2根拉索中間時，主梁的豎向彎矩較中跨距橋塔2～3根拉索中間小，但均比結(jié)合段位于邊跨時大。

表7 不同結(jié)合段位置下的結(jié)合段內(nèi)力

4.2.2 同等剛度下的拉索布置對比

同樣，對斜拉橋整體剛度一致時的拉索用量進行對比分析。經(jīng)優(yōu)化調(diào)整拉索截面后，統(tǒng)計得不同結(jié)合段位置下的拉索用量見表8，可知在主梁剛度一致時，結(jié)合段布置在中跨位置的兩種布置形式的拉索用量較為接近，結(jié)合段位于邊跨時拉索用量稍小。

表8 等剛度時不同結(jié)合段位置下的拉索用量

考慮到施工難易程度及用鋼量，推薦采用結(jié)合段布置在中跨，第一根拉索和第二根拉索之間。

5 方案對比分析

本部分對常用的鋼箱結(jié)合混合梁方案及波形鋼腹板混合梁方案進行對比分析，以期初步得到波形鋼腹板的優(yōu)缺點及可行性。

5.1 剛度指標

采用MIDAS CIVIL 2020建立本橋兩種方案的全橋計算模型，方案1鋼箱結(jié)合梁部分采用兩個單元分別模擬頂板混凝土及下部鋼結(jié)構(gòu)槽型梁，并采用剛臂進行連接；方案2波形鋼腹板截面模擬時，不考慮腹板的抗彎作用(圖6，圖7)。

圖6 方案1計算模型

圖7 方案2計算模型

表9及表10分別為兩種主梁方案下豎向撓度、橫向撓度及梁端轉(zhuǎn)角計算結(jié)果。

表9 兩種主梁方案豎向撓度

表10 兩種主梁方案橫向撓度及梁端轉(zhuǎn)角

可知兩種方案下，主梁的剛度均滿足要求，方案2的整體剛度優(yōu)于方案1，但由于方案2中跨較重，方案2的拉索用量較方案1重約70 t。

將方案1拉索斷面修改為和方案2相同后，主梁中跨靜活載下豎向撓度403.92 mm，仍大于方案2的388.05 mm，可知由于波形鋼腹板斷面將底板改為混凝土，其剛度優(yōu)于鋼箱結(jié)合梁。

5.2 內(nèi)力及應(yīng)力分析

主力及主加附作用下兩種方案的拉索軸力及應(yīng)力見表11，主力下兩種方案拉索強度安全系數(shù)均大于2.5，主加附作用強度安全系數(shù)均大于2。拉索疲勞應(yīng)力幅方面，方案1最大為169.58 MPa，方案2最大為154.87 MPa，兩種方案拉索均滿足要求。

表11 兩種主梁方案拉索受力

主梁應(yīng)力方面，混凝土部分拉應(yīng)力均可通過施加預(yù)應(yīng)力消除，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力整體處于合理范圍，兩種方案均可滿足要求。

5.3 動力特性

表12列出了兩種方案的前10階振型周期及描述，可知方案2的周期均略大于方案1，基本增大幅度在5%以內(nèi)，這是方案2的主梁重于方案1的緣故。

表12 兩種主梁方案前10階振型

5.4 主要工程量對比

兩種方案橋塔及基礎(chǔ)尺寸基本一致，本部分對結(jié)合梁部分(波形鋼腹板梁部分)及拉索主要工程量進行對比，具體如表13所示。

表13 兩種主梁方案主要工程量對比

可知，由于波形鋼腹板梁方案將鋼箱結(jié)合梁方案替換為混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土用量有所增大，但用鋼量大幅減小，拉索用量增加約7%，在相同拉索用量下還具有更好的剛度，從經(jīng)濟性和結(jié)構(gòu)剛度方面，具有一定優(yōu)勢。

6 結(jié)語

現(xiàn)有300 m級無砟軌道高速鐵路斜拉橋主要有鋼箱結(jié)合梁、鋼箱混合結(jié)合梁、鋼箱桁梁3種方案，本文基于通蘇嘉甬高鐵340 m主跨的望虞河大橋，論述了其總體設(shè)計方案，對其合理拉索間距及鋼混結(jié)合段位置進行了研究，并提出一種波形鋼腹板梁方案進行初步探討，通過剛度、應(yīng)力、動力特性及主要工程量4個方面的對比分析，論證了該方案的優(yōu)缺點，主要結(jié)論如下。

(1)所有拉索采用同等斷面時，減小索距能提高結(jié)構(gòu)剛度，但會增加拉索用量；在主梁剛度一致時，斜拉索間距越小，總的拉索用量越少。本橋建議采用結(jié)合梁段拉索間距10.5 m，混凝土段拉索間距10 m，共30對斜拉索的拉索布置方式。

(2)拉索截面相同時，斜拉橋剛度隨混凝土梁長度的增加而增加，結(jié)合段設(shè)置在中跨部分時整體剛度明顯比設(shè)置在邊跨大；在主梁剛度一致時，結(jié)合段布置在中跨位置的兩種布置形式的拉索用量較為接近，結(jié)合段位于邊跨時拉索用量稍小。考慮到施工難易程度及用鋼量，推薦采用結(jié)合段布置在中跨，第一根拉索和第二根拉索之間。

(3)波形鋼腹板主梁重量及剛度均大于鋼箱結(jié)合梁方案，但跨度300 m級斜拉橋拉索受主梁剛度影響較大，因波形鋼腹板主梁增重導(dǎo)致的拉索用量增幅不大；在同等拉索用量情況下，波形鋼腹板方案剛度仍然占優(yōu)。同時，波形鋼腹板方案大幅減小了鋼箱結(jié)合梁方案的用鋼量，其經(jīng)濟性有明顯優(yōu)勢。

(4)鋼箱混合結(jié)合梁方案及波形鋼腹板混合梁方案各構(gòu)件整體應(yīng)力均在合理范圍，二者均能通過合理設(shè)計滿足高速鐵路斜拉橋的整體剛度及強度要求，但波形鋼腹板方案尚未在鐵路斜拉橋中得到應(yīng)用，還需對更多細節(jié)(如節(jié)點連接和疲勞、軌道線形控制等)進行深入研究。