陳 平

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

高墩大跨T構(gòu)矮塔斜拉橋是一種介于PC連續(xù)剛構(gòu)和PC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(jié)構(gòu)特點。其受力特征是以主梁受彎、受剪來承擔(dān)大部分荷載，斜拉索對主梁起加勁作用并承擔(dān)一部分荷載，相當(dāng)于一般PC梁橋的體外預(yù)應(yīng)力索。近年來，隨著我國山區(qū)鐵路建設(shè)，修建了大量的高墩大跨剛構(gòu)橋及矮塔斜拉橋，但高墩大跨T構(gòu)矮塔斜拉橋設(shè)計研究相對較少。本文以甕安河大橋為例，介紹鐵路高墩大跨T構(gòu)矮塔斜拉橋的設(shè)計研究，為今后復(fù)雜山區(qū)同類鐵路橋梁設(shè)計提供借鑒[1-4]。

1 工程概況

甕安河大橋位于貴州省甕安縣境內(nèi)，橋梁跨越兩山之間深切V形深谷，山勢極為陡峭，兩岸地勢起伏較大，相對高差約25 m。兩岸植被多為樹林、灌木及雜草。甕安臺基巖出露不良，多為塊石、滾石，只有局部地區(qū)有基巖裸露。兩岸無公路，無便道，交通不便。橋區(qū)內(nèi)表層為第四系全新統(tǒng)殘坡積(Q4el+dl)粉質(zhì)黏土層，主要分布在丘坡上；下伏地層為下第三系(E)鈣質(zhì)角礫巖及二疊系上統(tǒng)長興組(P2c)灰?guī)r。

甕安河大橋設(shè)計流量為2 815.65 m3/s，設(shè)計水位為823.67 m，設(shè)計流速為8.83 m/s。線路法線與水流方向垂直。橋址區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期分區(qū)為0.35 s。

考慮小里程側(cè)橫向地形陡峭，無設(shè)置拱橋拱腳等的地形地貌情況，考慮結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、景觀效果、施工難度、工程經(jīng)濟性等方面設(shè)計控制要素的影響，該橋橋型采用T構(gòu)矮塔斜拉橋。孔跨布置為 (155+155)m，中支點梁底以下塔高130 m，設(shè)計施工難度較大，為同類橋梁之最。全橋立面布置如圖1所示。

圖1 全橋立面布置(單位：cm)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：①線路等級,國鐵Ⅰ級；②正線數(shù)目,單線，有砟軌道；③設(shè)計速度,120 km/h；④設(shè)計活載,ZKH活載。

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

本橋采用塔墩梁固結(jié)體系,主梁采用C55混凝土，索塔及橋墩采用C50混凝土，承臺及樁基礎(chǔ)采用C30混凝土[5]。

3.1 主梁構(gòu)造

主梁采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁寬9.0 m，梁高由中支點14.0 m變化至跨中的5.0 m，梁底曲線為拋物線。頂板厚42 cm，主塔處加厚至150 cm，腹板厚45～90 cm，底板厚35～150 cm。斜拉索與主梁之間錨固采用箱外混凝土齒塊錨固，錨固處對應(yīng)設(shè)置箱內(nèi)橫梁。主梁跨中橫斷面如圖2所示。

圖2 主梁跨中橫斷面(單位：cm)

3.2 塔墩構(gòu)造

塔墩總高184 m，橋面以上塔高40 m，橋面以下塔高130 m。主塔與主梁固結(jié)，固結(jié)處高度為14 m。上塔柱為H形橋塔，總高40 m，采用矩形實心截面，縱向尺寸為4.0 m，橫向尺寸為2 m，下部采用順橋向分叉結(jié)構(gòu)與主梁銜接。橋面以下墩柱截面采用矩形空心截面，縱橫向均設(shè)置坡度，橫向呈A形，縱向尺寸由墩頂10 m變化至墩底的16 m，橋墩墩頂橫向尺寸為10 m，墩底為雙肢矩形截面，兩肢中心距離為18 m。塔墩布置如圖3所示[6-8]。

圖3 塔墩布置(單位：cm)

3.3 斜拉索構(gòu)造

斜拉索采用55-15.2 mm的高強度低松馳鋼絞線，斜拉索在上塔柱上采用V形分絲管索鞍[7]。斜拉索關(guān)于索塔對稱布置，全橋共20對斜拉索，最內(nèi)側(cè)索距離塔中心46 m，索在梁上的縱向間距為8，10 m，在塔上的豎向間距為1 m，最外側(cè)索的水平夾角為18°。

3.4 基礎(chǔ)

根據(jù)地形及地質(zhì)情況，主墩基礎(chǔ)按照柱樁設(shè)計，采用24-φ2.8 m鉆孔灌注樁，樁長12 m，承臺尺寸為23.0 m×35.0 m×5.0 m。

3.5 施工方法

本橋橋塔采用液壓爬模法施工，主梁采用對稱懸臂掛籃澆筑，同時張拉斜拉索的施工方法。主要施工步驟如下：①首先采用爬模法分段進行主塔塔身施工；②利用托架施工塔梁固結(jié)0號塊，在0號塊上拼裝掛籃，對稱懸澆塔柱兩側(cè)的1號梁段；③對稱懸澆兩側(cè)主梁梁段直至合龍段，支架現(xiàn)澆邊直段，合龍成橋；④最后施工橋面工程和附屬結(jié)構(gòu)，通車運營。

4 結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

采用MIDAS/Civil建立整體有限元模型，主梁索塔采用梁單元，斜拉索采用桁架單元模擬，全橋共有290個單元，296個節(jié)點。

4.1 主梁檢算結(jié)果

采用影響線加載，在靜列車活載作用下跨中最大下?lián)现?5.2 mm，撓跨比1/1 819，其豎向剛度滿足行車要求。在豎向靜活載作用下，梁端最大轉(zhuǎn)角2.7‰，滿足橋臺與橋梁之間梁端轉(zhuǎn)角小于3.0‰的要求。在列車橫向搖擺力、橫向風(fēng)力和溫度作用下，主梁最大水平撓度48.9 mm，撓跨比1/3 169，橫向剛度值滿足該橋的行車要求。

4.2 斜拉索檢算結(jié)果

斜拉索采用鍍鋅鋼絞線，破斷安全系數(shù)按照2.5控制，疲勞應(yīng)力幅按照100 MPa控制。主+附工況下，斜拉索最大應(yīng)力值668.4 MPa，安全系數(shù)為2.8，疲勞荷載作用下斜拉索最大疲勞應(yīng)力幅為38.3 MPa，均滿足規(guī)范要求。

4.3 索塔檢算結(jié)果

各工況下索塔截面處于全截面受壓狀態(tài);主+附工況下，最大壓應(yīng)力值-22.3 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.4 穩(wěn)定性分析

對裸墩、最大懸臂、成橋運營3個關(guān)鍵施工階段的最不利工況進行穩(wěn)定性分析，3個階段荷載工況分別為：①裸塔階段,自重、風(fēng)荷載。②最大懸臂階段,自重+節(jié)段澆筑差+施工不平衡堆載+單側(cè)掛籃跌落+風(fēng)荷載。③成橋階段,自重+二期恒載+列車活載單側(cè)布置+風(fēng)荷載。

裸塔階段結(jié)構(gòu)一階失穩(wěn)模態(tài)為橫向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為21.9，穩(wěn)定系數(shù)值較大，其穩(wěn)定性滿足要求。

最大懸臂階段結(jié)構(gòu)一階失穩(wěn)模態(tài)為橫向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為8.9，滿足規(guī)范彈性屈曲穩(wěn)定系數(shù)>5的要求，其穩(wěn)定性滿足要求,見圖4。

圖4 最大懸臂階段失穩(wěn)模態(tài)

成橋運營階段結(jié)構(gòu)一階失穩(wěn)模態(tài)為橫向失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為22.9，該階段穩(wěn)定系數(shù)明顯高于最大懸臂階段，其穩(wěn)定性滿足要求。

5 結(jié)語

在山區(qū)鐵路中，由于其特殊的地形、地貌及地質(zhì)特

點，考慮景觀性、施工難度及經(jīng)濟性，高墩大跨T構(gòu)矮塔斜拉橋不失為一種合理的橋型。高墩大跨T構(gòu)斜拉橋的索塔縱橫向剛度及穩(wěn)定性是該橋設(shè)計的關(guān)鍵，本橋塔墩橫向采用了人字形造型，并設(shè)置了橫梁，縱向適當(dāng)放坡等結(jié)構(gòu)構(gòu)造，索塔縱橫向剛度及靜、動力穩(wěn)定性均滿足設(shè)計要求。該類橋型結(jié)構(gòu)合理，力學(xué)性能良好，且施工難度和經(jīng)濟指標(biāo)相對較低，對于深谷地區(qū)具有良好的應(yīng)用前景，為山區(qū)鐵路橋梁的設(shè)計提供了一種新思路。