千米級公鐵兩用跨海斜拉橋桁梁斷面形式研究

夏小任, 楊裕堯

(昌九城際鐵路股份有限公司，江西 南昌 330002)

斜拉橋作為一種主梁承彎、主塔承壓和拉索受拉的組合體系橋梁，結構受力明確，形式優美，可以同時滿足大跨度和受力的需求，被廣泛地應用在國內外跨海跨江的橋梁建設中。

近年來，隨著工程界對資源節約型和環境友好型理念，以及可持續性發展理念的深入理解，公路和鐵路共用橋位的思路得到各國工程師的青睞，公鐵兩用斜拉橋成為一種重要的占用跨?？缃ǖ蕾Y源節約型的橋型。由于同時具備了跨越能力、受力合理、結構優美、資源節約等多方面的優勢，伴隨著高速鐵路在我國的迅猛發展，國內的超大跨度公鐵兩用斜拉橋得到了迅猛發展，相繼建成了如銅陵長江大橋，滬蘇通長江大橋和平潭海峽大橋等具有代表性的公鐵兩用斜拉橋[1]。

目前，千米級公鐵兩用斜拉橋可選用的主梁布置形式主要有公鐵同層布置鋼箱梁方案和公鐵分層布置鋼桁梁斷面。公鐵分層鋼桁梁斷面結構剛度大，公路、鐵路行車影響小，經常被用來作為千米級橋梁的主梁斷面。千米級大跨公鐵橋梁跨度大、荷載重、結構非線性效應顯著，且風-車-橋耦合效應突出等問題尤為突出，不僅給結構設計帶來了巨大的挑戰，而且也給后期施工安全、結構質量控制和運營維護提出了更高的要求[2]，因此對其主梁斷面形式開展研究具有重要的現實意義。

1 概 況

1.1 工程概況

某跨海工程為充分利用通道資源，節約工程投資，工可階段同精度研究了雙線鐵路+六車道高速公路的公鐵合建橋梁方案，根據通航安全、防撞合理、技術可行、經濟性等要求，主通航孔橋采用140+420+1080+406+140 m斜拉橋，非通航孔橋采用 126+224+700+224+126 m斜拉橋，橋式立面布置見圖1。

圖1 橋式立面布置/m

主通航孔橋采用半漂浮體系，主塔采用鉆石型C60鋼筋混凝土橋塔，承臺以上塔高330 m，斜拉索采用抗拉標準強度為2000 MPa的平行鋼絲索，扇形索面布置[3]。

橋址區域風環境惡劣，受臺風影響頻繁，設計基準風速達42 m/s，科學合理的選擇主梁斷面形式是本橋的設計關鍵，國內外對千米級公鐵兩用橋桁梁斷面形式有一定的科研、工程經驗積累，但一般多針對四線鐵路+六車道公路技術標準下的主梁斷面開展。為探尋適用于雙線鐵路+六車道公路千米級斜拉橋最優主梁斷面形式，掌握不同主梁結構形式的受力特性及優缺點，更好地對超大跨度公鐵合建橋梁建設方案進行技術決策，有必要對其主梁形式、風-車-橋耦合效應等開展相關專題研究[4～7]。本文采用MIDAS CIVIL2020建立三維空間有限元模型(圖2)對斜拉橋的主梁斷面形式進行了計算分析，其中主梁、橋塔、下部結構采用梁單元，斜拉索采用索單元，材料按照主橋設計方案對應模擬，全橋模型共計9420個節點，25407個單元。

圖2 主通航孔橋三維模型

1.2 技術標準

1.2.1 公路技術標準

所采用的公路技術標準為：

(1)公路等級：高速公路；

(2)車道：雙向六車道；

(3)設計速度：100 km/h；

(4)荷載等級：公路Ⅰ級；

(5)公路路面總寬：33 m。

1.2.2 鐵路技術標準

所采用的鐵路技術標準為：

(1)鐵路等級：高速鐵路；

(2)設計行車速度：250 km/h；

(3)正線數目：雙線；

(4)正線線間距：4.6 m；

(5)設計荷載：ZK荷載。

2 建設條件

2.1 海域地形

橋址位置海域海底地形總體上為東低西高，水道窄而深，狹窄處寬度約為3 km，平均高程-50 m，底部剖面呈中部低、兩端高的馬鞍形態，中部最低高程可達-110 m[8～10]。

2.2 氣象條件

工程區域年平均氣溫16.9 ℃，年極端最高氣溫40.6 ℃，年極端最低氣溫-6.6 ℃。

設計最大風速v10=42 m/s，年平均7級以上大風天數53 d，8級以上大風天數18 d[7～9]。

2.3 海域水文

300年一遇最高潮位+3.92 m，最低潮位-2.69 m，最大設計流速3.14 m/s；20年一遇最高潮位+3.19 m，最低潮位-2.41 m，最大設計流速2.98 m/s；百年一遇最大浪高8.89 m[8～10]。

2.4 通航

通航代表船型為7萬t級集裝箱船和8萬t級油船，通航尺度為900 m×62.65 m，最高通航水位3.35 m，最低通航水位-2.18 m[8～10]。

2.5 地震

抗震設防標準為Ⅶ度，地震動峰值加速度0.10g，基本地震動加速度反應譜特征周期0.35 s[11]。

3 主梁斷面形式調研

對國內外40余座已建、在建的公鐵分層合建斜拉橋主梁斷面進行了統計調研，對于雙線鐵路+公路標準公鐵分層合建斜拉橋，主要采用的截面形式有矩形截面、倒梯形截面、雙片斜桁斷面以及三片桁斷面形式(表1)，由圖3公路分層合建斜拉橋主梁斷面形式占比可知，采用倒梯形主梁斷面的比例最大，三片桁的比例最少[12～19]。

圖3 公鐵分層合建斜拉橋主梁斷面形式占比

表1 公鐵分層合建橋梁常用主梁橫斷面

4 主梁結構方案

4.1 主梁截面形式

主航道橋主跨達1050 m，橋區設計基準風速達42 m/s，主桁截面選擇除滿足使用功能基本要求外，還要綜合考慮剛度、結構受力、風-車-橋耦合效應等因素。結合上節國內外眾多同類橋梁的實踐經驗[16]，常用的橫斷面布置主要有以下2種：倒梯形截面和矩形截面。本文在上述2種斷面形式的基礎上增加研究了上層公路橋面兩側為鋼箱的倒品字形截面，采用MIDAS CIVIL2020建立三維空間有限元模型，對3種主梁斷面(圖4)從靜動力方面進行了綜合比選(表2)。

表2 主梁橫斷面形式比選

圖4 主梁截面方案/cm

(1)靜力性能方面，相較于方案一,方案二雖橫向剛度及豎向剛度較好，但其荷載作用梁端轉角及最大縱坡變化值較大，軌道平順性最差，方案三雖橫向剛度、豎向剛度和軌道平順性較好，但其用鋼量增加了4.9%，經濟性稍差。

(2)動力特性方面，方案二的顫振臨界風速最大，方案一、方案三顫振臨界風速相對較小，但大于檢驗風速73.4 m/s；方案二豎向渦振起振風速最小，扭轉渦振起振風速最大。

綜上所述，3個方案豎向剛度、荷載作用下主梁最大縱坡變化值差別不大，方案二和方案三橫向剛度大，抗風性能好，但用鋼量大，經濟性差，推薦采用方案一倒梯形主梁斷面。

4.2 主桁寬度

對于推薦的倒梯形主梁斷面，上層公路橋面寬度受公路技術標準要求，斜拉索橫向間距最小需要35 m，下層鐵路橋面系受鐵路技術標準寬度要求，兩片桁橫向間距最小需要14 m，為研究主桁寬度對鋼桁梁斜拉橋各項性能的影響，對比研究了桁寬14，15，16，17 m 4種方案。采用MIDAS CIVIL2020對4種主梁方案從靜動力方面進行了綜合比選(表3)。

表3 主桁寬度比選

(1)靜力性能方面，隨著桁寬的增加，主梁橫向剛度、豎向剛度及主梁用鋼量變大，梁端轉角及荷載作用下最大縱坡變化值減小。當桁寬增加21.4%，主梁橫向剛度增大11%，豎向剛度增大2.3%，梁端轉角減小3.4%，荷載作用下最大縱坡變化值減小3.2%，主梁用鋼量增大4.1%。

(2)動力性能方面，隨著桁寬的增加，扭彎比、顫振臨界風速及扭轉渦振起振風速增大，豎向渦振起振風速變化不大。當桁寬增加21.4%，扭彎比增大4.7%，顫振臨界風速增大8.5%，豎向渦振起振風速基本不變，扭轉渦振起振風速增大4.6%。

綜上所述，4種方案均可滿足規范要求，桁寬對主梁橫向剛度和顫振臨界風速影響較大，對主梁豎向剛度、荷載作用下最大縱坡變化值、梁端轉角和渦振起振風速影響較小，綜合考慮主梁斷面布置和經濟性能，推薦采用桁寬15 m主梁方案。

4.3 主桁高度

主梁桁高主要受行車凈空、橫向桿件受力、主橋橫、豎向剛度和節點構造細節控制，根據建筑限界計算結果，本橋最小主桁高度需要13.466 m，為研究主桁高度對鋼桁梁斜拉橋各項性能的影響，對比研究了桁高13.5，14.5，15.5 m 3種方案。采用MIDAS CIVIL2020對3種主梁方案從靜動力方面進行了綜合比選(表4)。

表4 主桁高度比選

(1)靜力性能方面，隨著桁高的增加，主梁橫向剛度、梁端轉角及荷載作用下最大縱坡變化值減小，豎向剛度及主梁用鋼量增大。當桁高增加14.8%，主梁橫向剛度減小2.9%，豎向剛度增大5.2%，梁端轉角減小12.6%，荷載作用下最大縱坡變化值減小10.4%，主梁用鋼量增大1.7%。

(2)動力性能方面，隨著桁高的增加，扭彎比、顫振臨界風速及扭轉渦振起振風速降低，豎向渦振起振風速增大。當桁高增加14.8%，扭彎比降低3.3%，顫振臨界風速降低1.1%，豎向渦振起振風速增大1.6%，扭轉渦振起振風速降低1.9%。

綜上所述，3種方案均可滿足規范要求，桁高對主梁豎向剛度、梁端轉角、荷載作用下最大縱坡變化值影響較大，對主梁橫向剛度、顫振臨界風速影響較大，對渦振起振風速影響較小，考慮到梁高越高主梁用鋼量越大，經濟性越差，推薦采用桁高13.5 m主梁方案。

4.4 主桁節間長度

千米級公鐵兩用斜拉橋跨度大、技術標準高，加勁梁主桁內力較大，主桁架需采用較大的桿件截面，較短的節間長度弦桿桿端將產生較大的次彎距。

由國內公鐵兩用斜拉橋鋼桁梁節間長度統計結果(表5)可以看出，千米級公鐵分層合建鋼桁梁斜拉橋普遍采用的節間長度為14 m，本橋鋼桁梁采用整體節點，節點位置焊縫密集，減小弦桿高度與節間長度之比，降低桿件次應力很有必要；但節間長度過大，桿件重量和主梁節段重量將加大，不便于施工，綜合考慮主桁受力、主梁重量、節間數量，節間長度推薦采用14 m。

表5 國內公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋主梁節間長度

5 推薦主梁方案設計

5.1 主桁節間長度

綜上所述，本橋主梁推薦采用倒梯形主梁斷面，采用N形桁，橫向桁間距15 m，桁高13.5 m，節間距14 m，上層公路橋面采用正交異性板橋面,下層鐵路橋面采用整體鋼箱，斜拉索索梁錨點設置在上層兩側幅桁位置，采用錨拉板方案。鋼梁主結構的鋼材材質采用Q370qD，局部桿件采用Q420qD。

5.2 抗風計算結果

通過抗風數值模擬，得到本橋的抗風性能主要結論如下。

(1)在風攻角α=0°的情況下，成橋的阻力系數為0.736；升力系數曲線和力矩系數曲線的斜率為正值，升力系數和阻力系數之和為正值，可以滿足橋梁氣動穩定性要求。

(2)在風攻角α=0°的情況下，主梁顫振臨界風速區間為87～89 m/s，大于相應狀態的顫振檢驗風速73.48 m/s，顫振穩定性能滿足要求[20,21]。

5.3 風-車-橋耦合動力分析結果

(1)橋梁在列車通過時的最大動力系數1.052，未發生顯著共振。

(2)無風狀態下，CRH動車組以120～240 km/h車速通過時，滿足各項車輛運行安全性、平穩性指標，平穩性指標為優。

(3)當橋面平均風速不超過20 m/s時，CRH動車組限速220 km/h通行；橋面平均風速25 m/s時，CRH動車組限速200 km/h通行；橋面平均風速30 m/s時，CRH動車組限速160 km/h通行。

6 后期安全質量管理要求

對于采用倒梯形主梁斷面的千米級公鐵兩用斜拉橋，考慮到主梁截面橫向桁間距15 m，桁高13.5 m，且單個節間距達14 m，為保證后期施工安全、結構質量控制和運營維護安全，對其安全質量管理提出了具體要求：

(1)從科學發展管理層面講，積極運用先進的技術，對傳統的施工技術加以改進，實施好鋼桁梁弦桿制造、桿件焊接、桿件制孔等關鍵工序，一方面能降低橋梁建設的質量安全風險，另一方面又能延長橋梁服役后的使用壽命，確保每一個施工環節達到國家標準，最終為工程順利建設提供支撐。

(2)從全壽命管理層面講，在保證工程順利建設的前提下，應對超大跨度斜拉橋運營養護安全管理提出更高的要求，建立車輛和環境耦合作用下斜拉橋綜合健康監測系統，全面反映大橋尤其是鋼桁梁的結構狀況及行車狀態，及時發現鋼桁梁整體構件和局部桿件潛在的安全隱患，通過與BIM管理系統相結合，實現大橋全壽命期的信息共享與利用，以及公鐵兩用斜拉橋運營養護管理模式向“預見修”的方向發展。

7 結 論

雙線鐵路+六車道高速公路千米級公鐵分層合建鋼桁梁斜拉橋，跨度大、技術標準高，選擇合理的主梁斷面形式不僅是橋梁的設計關鍵，而且也與后期橋梁的施工、運營和維護等息息相關。本文以某千米級跨海橋梁工程為研究對象，對雙線鐵路+六車道高速公路公鐵分層合建鋼桁梁的主梁斷面形式、主桁寬度、主桁高度、主桁節間長度進行了對比研究，主要結論如下。

(1)對于雙線鐵路+公路標準公鐵分層合建斜拉橋，國內外類似工程主要采用的截面形式有矩形截面、倒梯形截面、雙片斜桁斷面以及三片桁斷面形式，其中采用倒梯形主梁斷面的比例最大。

(2)倒梯形主梁斷面同其他斷面形式相比，豎向剛度、主梁最大縱坡變化值相當，橫向剛度及抗風性能稍差，但主梁用鋼量小，經濟性好，推薦采用倒梯形主梁斷面。

(3)桁寬對主梁橫向剛度和顫振臨界風速影響較大，對主梁豎向剛度、荷載作用下最大縱坡變化值、梁端轉角和渦振起振風速影響較小，推薦采用桁寬15 m。

(4)桁高對主梁豎向剛度、梁端轉角、荷載作用下最大縱坡變化值影響較大，對主梁橫向剛度、顫振臨界風速影響較大，對渦振起振風速影響較小，推薦采用桁高13.5 m。

(5)結合橋梁腹桿受力、節間重量、節間數量等因素綜合比較，節間長度推薦采用14 m。

(6)推薦主梁方案靜力性能、風-車-橋耦合效應良好，滿足規范要求。

(7)從科學發展管理和全壽命管理層面提出了千米級公鐵兩用斜拉橋安全質量管理具體要求，可為類似橋梁的建管養提供參考。