淮宿蚌高鐵跨京臺高速矮塔斜拉橋設計研究

摘要 新建淮宿蚌高鐵采用（38+120+228+120+38）m預應力混凝土矮塔斜拉橋跨越京臺高速公路。文章以其為研究對象，對設計參數的合理取值做了對比分析，同時利用空間有限元軟件對橋梁結構的靜力和車橋耦合動力性能進行計算。可得到如下結論：（1）橋梁靜力受力性能良好，剛度、強度滿足規(guī)范要求。（2）橋梁動力響應滿足要求，列車行車舒適性良好。（3）當橋墩較矮時，塔梁固結塔墩分離體系可有效釋放溫度力。（4）設置外伸跨可有效減少矮塔斜拉橋梁端轉角。（5）主梁工后徐變變形對橋塔高度變化較為敏感。

關鍵詞 矮塔斜拉橋；有限元 ；橋梁設計；受力

中圖分類號 U448.27 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）07-0060-03

0 引言

隨著國內鐵路建設的迅猛發(fā)展，矮塔斜拉橋結構形式以其較好的跨越能力和經濟性廣泛應用于鐵路橋梁中。該文以淮宿蚌高鐵跨京臺高速矮塔斜拉橋為研究對象，通過對比分析得到合理的設計參數，對結構的靜力和動力性能進行分析計算。結果表明結構受力狀態(tài)良好，可為高速鐵路同類型橋梁的設計提供參考借鑒。

1 項目概況

新建淮北至宿州至蚌埠高速鐵路于DK69+270.000處上跨京臺高速公路。節(jié)點位置京臺高速公路現狀為4 m高路基段，路面寬28 m，雙向四車道，規(guī)劃紅線寬度為42 m，線路間夾角為21°。為保證主墩承臺不能侵入高速公路路基邊坡，項目設計選定主跨228 m矮塔斜拉橋方案一跨跨越。橋梁總布置圖見圖1。

京臺高速特大橋設計速度為350 km/h。雙線，線間距5.0 m。活載采用ZK活載。線路平面位于直線上，縱斷面為人字坡。鋪設CRTSⅢ型板式無砟軌道。

圖1 京臺高速特大橋主橋立面布置圖

2 關鍵參數確定

2.1 結構體系選擇

矮塔斜拉橋常用的結構體系[1]主要有兩種：塔墩梁固結體系和塔梁固結塔墩分離體系。塔墩梁固結體系亦可稱為連續(xù)剛構體系，橋塔、橋墩和主梁連接為一體，采用該體系結構剛度大，不設支座，在主梁懸臂施工過程中主墩位置無須采取措施設置臨時剛接。但由于約束條件增多，在溫度作用及主梁收縮徐變作用下，下部結構和基礎會產生較大的內力。塔梁固結塔墩分離體系亦可稱為連續(xù)梁體系，即主梁和橋塔為一體，主梁和橋墩直接設支座，結構受力和常規(guī)連續(xù)梁類似，溫度和收縮徐變變形能夠得到有效釋放。

該橋墩高較矮，主墩墩高分別為8.5 m、9 m，抗推剛度大。若采用塔墩梁固結體系，橋墩最大溫度應力達91.9 MPa，遠超規(guī)范要求，故該橋采用塔梁固結塔墩分離體系。

2.2 邊中跨比選

經統(tǒng)計歸納[2-3]，國內鐵路矮塔斜拉橋的邊中跨比在0.45～0.55之間。通過調整邊跨跨度，得到對應橋梁結構的靜力計算結果，見表1～2。

從表1可以看出，不設外伸跨時，隨著邊跨跨度的增加，邊跨剛度減小，梁端轉角增加。當邊跨小于120 m時邊墩支座出現負反力，梁端轉角均大于1.0‰，不滿足規(guī)范要求，故需設置外伸跨。

從表2可以看出，設置外伸跨可有效控制梁端轉角。相同邊跨，外伸跨的變化對主梁跨中靜活載位移影響不大，但對輔助墩支反力影響較大。外伸跨跨度小于30 m時，輔助墩支反力壓力儲備太小，給支座的設置帶來困難。結合該橋橋位，推薦邊跨跨度120 m，外伸跨跨度38 m，即橋梁跨徑布置為（38+120+228+120+38）m。

2.3 塔高比選

目前國內鐵路矮塔斜拉橋的塔跨比（橋面到斜拉索最上排理論錨固點高度與主跨跨度的比值）一般為1/6～1/8[4-5]。不同塔高對應的靜力計算結果見表3。

從表3可以看出，隨著塔高增加，跨中靜活載撓度逐漸減小，索梁活載比增加。主梁工后徐變變形對塔高變化較為敏感，且隨著塔高增加，主梁跨中徐變變形上拱增加。當塔高為35 m時，主梁徐變變形得到了較好的控制，索梁活載比較高，主梁受力能得到相對較好的改善。

3 主橋設計

3.1 主梁

主梁采用單箱雙室直腹板預應力混凝土箱梁，梁體由中支點13 m梁高按梁底二次拋物線變化為邊支點6 m梁高。箱梁頂寬和底寬分別為14.3 m和11.5 m。在箱室中心處頂板厚51.5 cm，腹板厚分別為90 cm、60 cm、50 cm，底板厚由跨中的45 cm按拋物線變化至中支點的120 cm，中支點局部加厚為250 cm。

3.2 橋塔

橋塔為矩形截面直立形式，塔全高38.4 m，有效高度（最頂端拉索理論錨固點到橋面距離）35 m，截面尺寸為2.6 m×5 m。塔底2 m范圍內塔柱縱向尺寸由5 m加寬到6 m。塔柱內外側設15 cm倒角。

3.3 拉索及索鞍

斜拉索橫向雙索面，每個塔柱設9對斜拉索。拉索采用1 860 MPa環(huán)氧涂覆鋼絞線，依靠分絲管索鞍在橋塔內通過并錨固于梁體。塔上和梁體索間距分別為1.2 m、9 m。全橋共設置了兩種規(guī)格的斜拉索，每個塔柱最外側3根為73絲，內側6根為61絲。

3.4 橋墩及基礎

主墩采用圓端形實體墩，墩高分別為8.5 m和9 m，

橫向×縱向尺寸為15.5 m×6.0 m，承臺尺寸為22.9 m×

22.9 m×5.5 m。基礎采用鉆孔灌注樁，按摩擦樁設計。主墩為16-Φ2.5 m、次邊墩為11-Φ1.5 m、邊墩為14-Φ1.25 m。

4 結構計算

4.1 靜力計算

縱向計算采用有限元軟件Midas Civil 2021，建立空間桿系計算模型。主梁、橋塔均采用梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。模型如圖2所示：

4.1.1 剛度

主梁靜活載及考慮溫度影響的梁體豎向撓度最大為145 mm，小于規(guī)范[6]限值1.1 L/1 500。活載作用下兩端轉角0.18‰rad。在列車橫向搖擺力、離心力、風力和溫度力作用下，主梁跨中的橫向水平撓度為4.11 mm，為跨度的1/44 618。邊跨、中跨最大徐變變形值分別為?2.1 mm，

3.6 mm。

4.1.2 主梁

運營階段主力及主+附作用下主梁正應力見圖3、圖4。從圖中看出主梁上下緣壓應力分布比較均勻。主梁應力、強度、抗裂、抗剪計算結果見表5，均滿足規(guī)范[7]要求。

4.1.3 斜拉索

主力組合下斜拉索應力656.8～692.8 MPa，主+附組合下斜拉索應力693.6～727.2 MPa，最小安全系數2.58gt;2.5，滿足規(guī)范要求。斜拉索最大應力幅為67.2 MPa。

4.1.4 橋塔及橋墩

橋塔在主力及主+附作用下均為小偏心受壓構件，主力作用下混凝土最大壓應力6.91 MPa，主+附作用下最大壓應力為7.52 MPa。

橋墩在主力及主+附作用下也均為小偏心受壓構件，主力作用下混凝土最大壓應力5.33 MPa，主+附作用下最大壓應力為7.6 MPa。

4.2 車?橋耦合分析

利用大型有限元分析軟件Midas建立橋梁多自由度有限元模型進行車橋耦合分析。選取380BL動車組進行動力性能分析，16輛編組，不平順采用京津城際鐵路實測不平順數據，為反映其長期運營狀態(tài)下的發(fā)展，乘以1.3的放大系數。

橋梁自振頻率及對應的前10階振型見表6。當列車行駛速度在250～350 km/h時，橋梁豎向振動加速度最大為0.148 m/s2，橫向振動加速度最大為0.068 m/s2。橋梁動力響應滿足規(guī)范要求。

列車車體垂向加速度最大值為1.291 m/s2，橫向車體加速度最大值為0.789 m/s2。列車安全性滿足要求。垂向舒適度指標在250～350 km/h范圍內最大值為2.748，達到“良”。橫向舒適度指標在250～350 km/h范圍內最大值為2.597，達到“良”。

5 結語

淮宿蚌高鐵跨京臺高速特大橋采用大跨度預應力混凝土矮塔斜拉橋，是整條線路的控制性節(jié)點工程。該橋采用塔梁固結、塔墩分離的結構體系，通過對比分析確定合理設計參數，保證結構在靜力和動力方面均處于良好的受力狀態(tài)。同時，結構剛度良好，能滿足鋪設無砟軌道要求，可為高速鐵路同類型橋梁的設計提供參考借鑒。目前該橋已開始施工，預計2025年建成。

參考文獻

[1]陳從春. 矮塔斜拉橋[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2016： 15-18.

[2]陳良江， 文望清. 中國鐵路橋梁（1980—2020）[M]. 北京：中國鐵道出版社有限公司， 2021： 643-644.

[3]李小珍， 肖海珠. 高速鐵路橋梁[M]. 北京：中國鐵道出版社有限公司， 2021： 222-223

[4]張欣欣. 池黃高鐵三塔矮塔斜拉橋設計關鍵技術研究[J]. 鐵道工程學報， 2020（9）： 23-28.

[5]宋子威. 鐵路大跨度混凝土部分斜拉橋關鍵技術研究[J]. 鐵道工程學報， 2018（4）： 49-53

[6]國家鐵路局. 鐵路橋涵設計規(guī)范： TB10002—2017[S]. 北京：中國鐵道出版社， 2017.

[7]國家鐵路局. 鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范： TB10092—2017[S]. 北京：中國鐵道出版社， 2017.