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成達(dá)萬(wàn)高速鐵路渠江特大橋主橋橋式方案研究

2023-02-18 05:04:38尹春燕彭嵐平張夫健
關(guān)鍵詞:橋塔斜拉橋拉索

尹春燕,彭嵐平,張夫健

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 工程概述

新建成達(dá)萬(wàn)高速鐵路是京蓉高速鐵路的一部分,是中國(guó)高速鐵路網(wǎng)“八縱八橫”中“沿江通道”的重要組成,是四川東向出川的重要大通道。線路在達(dá)州市渠縣李馥鄉(xiāng)、河?xùn)|鄉(xiāng)跨越渠江,跨越處位于南陽(yáng)灘電站下游,河道順直,兩側(cè)河堤坡度較平緩,堤外為農(nóng)田、村落,地勢(shì)較緩;橋位所在兩岸防護(hù)對(duì)象均為農(nóng)田,不屬于鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍,橋區(qū)河段現(xiàn)狀無(wú)堤防和護(hù)岸工程規(guī)劃;橋址平面如圖1所示。

圖1 橋址平面

1.1 氣象、水文情況

橋址區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,冬季寒冷,夏季酷熱,四季分明,雨量充沛,終年濕潤(rùn)。橋址區(qū)年平均氣溫17.4 ℃,最冷月和最熱月平均氣溫6.6 ℃和27.4 ℃,極端最低和極端最高氣溫-3.3 ℃和42.7 ℃。年平均相對(duì)濕度80%,年平均風(fēng)速1.3 m/s,最大風(fēng)速17.9 m/s。

橋位以上匯水面積31 745 km2,三百年一遇洪峰流量33 500 m3/s,H300=258.71 m;百年一遇洪峰流量29 900 m3/s,H100=256.75 m;2020年3月期間水位高程234.65 m,受汛期影響水位高差變化很大。

1.2 通航情況

根據(jù)《廣安港總體規(guī)劃》、渠江規(guī)劃的船型及營(yíng)運(yùn)組織及貨物吞吐量預(yù)測(cè),規(guī)劃渠江航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)按Ⅲ-(3)級(jí)建設(shè),其航道尺寸為2.4 m×60 m×480 m(水深×寬度×彎曲半徑)。最高通航水位采用十年一遇洪水位253.93 m,最低通航水位242.60 m,通航凈高和通航凈寬分別為10 m和210 m。

1.3 地質(zhì)情況

橋址區(qū)位于川中丘陵區(qū),地勢(shì)起伏不大,多為農(nóng)田、旱地,房屋較為密集,場(chǎng)地區(qū)地層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。橋位上覆第四系覆蓋層主要為全新統(tǒng)人工堆積層素填土,殘坡積粉質(zhì)黏土及沖洪積粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土;下伏侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖,全風(fēng)化~弱風(fēng)化,σ0=120~500 kPa。

地震效應(yīng):地震動(dòng)峰值加速度為0.067g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

1.4 防洪及通航結(jié)論

渠江流域目前現(xiàn)有防洪規(guī)劃為《四川省渠江流域防洪規(guī)劃》,擬建橋梁位于達(dá)州市渠縣境內(nèi),左岸為河?xùn)|鄉(xiāng)箱石村,右岸為李馥鄉(xiāng)涼風(fēng)村,橋梁所在左右岸均防護(hù)對(duì)象均為農(nóng)田,不屬于鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍內(nèi),橋區(qū)河段現(xiàn)狀無(wú)堤防和護(hù)岸工程規(guī)劃。因此橋梁建設(shè)對(duì)防洪規(guī)劃無(wú)影響。

擬建渠江特大橋跨主河槽跨徑為248 m,滿足通航寬度210 m要求。橋梁最高通航水位采用10年一遇,對(duì)應(yīng)最高通航水位253.93 m,通航凈空高度10 m,通航要求最低梁底高程為263.93 m,橋梁跨渠江處最低橋梁底設(shè)計(jì)高程為283.23 m,比通航要求最低梁底高程為19.3 m,橋梁設(shè)計(jì)滿足通航要求。橋梁建設(shè)對(duì)航道規(guī)劃無(wú)影響。

陳家溝所在區(qū)域?yàn)猷l(xiāng)村,無(wú)防洪、水利水電、采砂等規(guī)劃,橋梁建設(shè)不存在對(duì)規(guī)劃的影響。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

成達(dá)萬(wàn)鐵路為高速鐵路,設(shè)計(jì)最高列車運(yùn)行速度350 km/h,雙線線路,直線,縱坡-6.5‰,線間距為5.0 m,軌道采用CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道,橋上不設(shè)人行道檢查車。

3 主橋結(jié)構(gòu)形式選擇

3.1 橋型選擇原則

橋型選擇需滿足安全、先進(jìn)、耐久性好、經(jīng)濟(jì)合理的要求,且應(yīng)符合景觀和環(huán)保的要求進(jìn)行設(shè)計(jì),并考慮因地制宜、便于施工和養(yǎng)護(hù)維修等因素[1]。

3.2 主橋橋式方案比選

本橋主跨跨度248 m,列車最高時(shí)速為350 km,針對(duì)列車活載荷載大、對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)豎向剛度和橫向剛度要求高的特點(diǎn),主橋橋式方案設(shè)計(jì)除滿足通航需求外,還應(yīng)符合列車高速行駛對(duì)橋梁剛度的要求;參照已建成的高速鐵路大跨橋梁工程,可供選擇的橋式方案有連續(xù)剛構(gòu)部分斜拉橋、鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋、連續(xù)剛構(gòu)拱橋[2-11]。

3.2.1 連續(xù)剛構(gòu)部分斜拉橋方案

部分斜拉橋方案為雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土主梁斜拉橋,主橋全長(zhǎng)505.6 m,計(jì)算跨徑為(128+248+128) m,采用墩-塔-梁固結(jié)體系,如圖2所示。主梁采用直腹板單箱雙室截面,中支點(diǎn)和中跨跨中梁高分別為13.5 m和6.5 m,梁體下緣采用二次拋物線變化,箱梁橋面寬15.0 m,箱寬12.6 m;全橋在邊支點(diǎn)、中支點(diǎn)處共設(shè)置4道橫隔板。主梁采用懸臂澆筑施工。

圖2 連續(xù)剛構(gòu)部分斜拉橋立面布置(單位:m)

橋塔采用H形索塔,橋面以上塔高39 m,高跨比1/6.3,橋塔采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),為矩形實(shí)心截面,塔頂縱橫向尺寸為6.0 m和2.5 m,塔底縱橫向尺寸8.0 m和2.5 m;橋塔在橋面以上約20 m處設(shè)1道橫撐。

斜拉索橫橋向?yàn)殡p索面布置,立面為扇形布置,每個(gè)橋塔對(duì)稱設(shè)置10對(duì)斜拉索,塔上索距為1.2 m,梁上索距為8.0 m,中間無(wú)索區(qū)長(zhǎng)30 m,斜拉索采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1860 MPa高強(qiáng)鋼絞線拉索,設(shè)雙層HDPE護(hù)套,拉索規(guī)格為(55-61-73)-7φ5 mm。斜拉索在橋塔處設(shè)分絲管索鞍,索鞍設(shè)單側(cè)抗滑錨固裝置;斜拉索在梁端設(shè)齒塊錨固,并在梁端進(jìn)行張拉。

兩個(gè)主墩墩高分別為52 m和48 m,主墩采用空心箱形截面;主墩基礎(chǔ)采用24根φ2.5 m的鉆孔摩擦樁。

主梁中跨最大豎向撓度為121.9 mm,撓跨比為1/2 034,梁端轉(zhuǎn)角0.87‰,最大徐變變形為20.1 mm(下?lián)?,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足高速鐵路鋪設(shè)無(wú)砟軌道的要求。部分斜拉橋方案在國(guó)內(nèi)外同類型鐵路橋梁的成功應(yīng)用多,設(shè)計(jì)和施工技術(shù)均比較成熟,結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)小。

3.2.2 鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋方案

部分斜拉橋?yàn)樾崩觿沤M合橋,主梁剛度大,動(dòng)力性能好。我國(guó)高鐵部分斜拉橋,一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土主梁。隨著橋梁跨度的增加,主梁梁高等比例加高,主梁恒載所占比重隨之加大,結(jié)構(gòu)承載力用于負(fù)擔(dān)活載的比例相對(duì)減少,承載力利用系數(shù)減小,對(duì)抗震設(shè)計(jì)和景觀設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn),對(duì)材料和能源都是極大的浪費(fèi)[3];另外混凝土主梁一般采用現(xiàn)澆施工,養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng),影響橋梁的整體施工進(jìn)度,而大跨橋梁往往是全線控制工程和運(yùn)梁通道,從而拖延了整體工期,制約了部分斜拉橋的進(jìn)一步發(fā)展。為解決上述困難,提出一種主梁高度低、梁體自重輕、施工速度快,且景觀性和環(huán)保性能好的鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋[12-14]。

鋼管混凝土桁架組合主梁斜拉橋方案為雙塔雙索面布置,主橋全長(zhǎng)569.4 m,計(jì)算跨徑為(48+112+248+112+48) m,為墩-塔-梁固結(jié)體系,如圖3所示。主梁主跨和輔助跨采用等高鋼管混凝土桁架組合主梁,桁架高7.1 m,橋面板厚0.4 m,梁全高7.5 m,高跨比為1/33.1;橋面寬為15.0 m,主桁采用無(wú)豎桿三角桁,節(jié)間長(zhǎng)8.0 m,上、下弦主桁中心距分別為12.92 m和7.0 m。上弦桿采用箱形截面,高約1 300 mm,腹板內(nèi)寬為800 mm;下弦桿采用鋼管混凝土圓形截面,直徑1 500 mm;斜腹桿采用H形截面,高800 mm,翼緣寬450~600 mm。主桁采用整體式節(jié)點(diǎn),上、下弦桿在節(jié)點(diǎn)外拼接,斜腹桿采用插入式與整體節(jié)點(diǎn)拼接;鋼管混凝土桁架組合主梁橫截面如圖4所示。主梁邊跨為等高度預(yù)應(yīng)力混凝土單箱雙室箱梁,梁高為6.0 m,頂板寬15.0 m,底板寬10.168 m。

圖3 鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋立面布置(單位:m)

圖4 鋼管混凝土桁架組合主梁橫截面布置(單位:m)

橋塔采用H形索塔,橋面以上塔高55 m,高跨比1/4.5,橋塔采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),為矩形實(shí)心截面,橫橋向?qū)挒?.6 m,順橋向塔頂和塔底寬為6 m和7 m,塔柱橫向設(shè)橫梁,以提高索塔橫向穩(wěn)定性。

斜拉索橫橋向?yàn)殡p索面布置,立面為扇形布置,每個(gè)橋塔對(duì)稱設(shè)置10對(duì)斜拉索,塔上索距為1.2 m,梁上索距為8.0 m,中間無(wú)索區(qū)長(zhǎng)16 m,斜拉索采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1 860 MPa高強(qiáng)鋼絞線拉索,設(shè)雙層HDPE護(hù)套,拉索規(guī)格為(31-37-43-55)-7φ5 mm。斜拉索在橋塔處設(shè)分絲管索鞍,索鞍設(shè)單側(cè)抗滑錨固裝置;斜拉索在梁端設(shè)拉錨箱錨固,并在梁端進(jìn)行張拉。

兩個(gè)主墩墩高為58.0 m和54.0 m,采用空心矩形截面,順橋向長(zhǎng)7 m,橫橋向?qū)挿謩e為17.75 m和15 m。主墩基礎(chǔ)采用19根φ2.5 m鉆孔摩擦樁。

該方案結(jié)構(gòu)新穎,與方案一部分斜拉橋相比,降低了主梁梁高,景觀性好;減輕了主梁自重,抗震性能優(yōu);同時(shí)節(jié)省了基礎(chǔ)數(shù)量和水中施工措施工程量。鋼管混凝土桁架主梁采用大節(jié)段懸拼施工,橋面板采用預(yù)制板、現(xiàn)場(chǎng)澆筑濕接縫施工,提高了施工效率。

主梁中跨最大豎向撓度為293.1 mm,撓跨比為1/846,梁端轉(zhuǎn)角0.21‰,最大徐變變形30.2 mm(下?lián)?,橫向撓跨比1/9 649,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足高速鐵路鋪設(shè)無(wú)砟軌道的要求。該方案效果圖如圖5所示。

圖5 鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋效果圖

3.2.3 連續(xù)剛構(gòu)拱橋方案

連續(xù)剛構(gòu)拱橋方案主橋全長(zhǎng)505.6 m,計(jì)算跨徑為(128+248+128) m,采用墩-梁固結(jié)體系,如圖6所示。主梁采用直腹板單箱雙室截面,中支點(diǎn)和中跨跨中梁高分別為14.5 m和6.5 m,梁體下緣采用二次拋物線變化,箱梁橋面寬15.5 m,箱寬13.3 m;全橋在邊支點(diǎn)、中支點(diǎn)處共設(shè)置4道橫隔板。

圖6 連續(xù)剛構(gòu)拱橋方案立面布置(單位:m)

拱肋計(jì)算跨度248 m,設(shè)計(jì)矢高49. 6m,矢跨比1/5,拱軸線方程采用二次拋物線。拱肋截面為等高啞鈴形,拱肋高4 m。拱肋弦管直徑1.4 m,由32 mm和26 mm厚的鋼板卷制而成,拱肋弦管之間用20 mm厚鋼板連接,拱肋弦管及腹板內(nèi)用C50無(wú)收縮混凝土填充。兩榀拱肋中心距14.5 m,拱肋間設(shè)1道“一”字撐,10道“K”撐,其中橫撐采用φ1 500 mm×24 mm空鋼管,斜撐采用φ900 mm×20 mm空鋼管,材料均為Q345qD鋼[15]。

梁部吊桿間距9.0 m,全橋共設(shè)25組吊桿,吊桿采用鋼絞線整束擠壓拉索,吊桿拉索型號(hào)為GJ15A-22(即22根φ15.2 mm鋼絞線)。

2個(gè)主墩墩高為51 m和47 m,主墩采用空心箱形截面;主墩基礎(chǔ)采用25根φ2.5 m鉆孔摩擦樁。

該方案充分發(fā)揮了梁拱的受力性能,因拱的存在,橋梁主跨豎向剛度有較大提高。主梁中跨最大豎向撓度為70.9 mm,撓跨比為1/3 500,梁端轉(zhuǎn)角0.9‰,最大徐變變形為16.5 mm(下?lián)?,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足高速鐵路鋪設(shè)無(wú)砟軌道的要求。主梁采用懸臂澆筑法施工,待全橋合龍后,在主梁上搭設(shè)支架,拼裝主拱肋;在拼裝拱肋時(shí),需消耗大量鋼材,增加了臨時(shí)工程費(fèi)。

3.3 橋式方案比選

對(duì)主橋橋式方案分別從景觀、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)先進(jìn)性、碳排放以及施工與養(yǎng)護(hù)方面綜合比較,比較見(jiàn)表1所示。

表1 各橋式方案綜合比選

經(jīng)綜合比較,方案三投資多,施工工期長(zhǎng),不推薦;其余兩個(gè)方案的全壽命周期投資基本相當(dāng),但方案二相比方案一具有主梁高度低、梁體自重輕、施工速度快(節(jié)省3個(gè)月),景觀性能和環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn),且方案二符合橋梁的工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能制造化方向,確定將鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋作為推薦方案。

4 鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋性能分析

4.1 靜力計(jì)算

采用Midas Civil 2019軟件建立整體分析模型,主梁、橋塔和承臺(tái)離散為梁?jiǎn)卧崩麟x散為桁架單元,梁?jiǎn)卧? 472個(gè),桁架單元104個(gè),節(jié)點(diǎn)1 330個(gè),離散模型如圖7所示。

圖7 鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋Midas有限元模型

主力和主+附工況下,主桁最大應(yīng)力分別為210.8 MPa和252.8 MPa,均小于Q345qD鋼容許應(yīng)力252 MPa和304.5 MPa,滿足規(guī)范要求[16-19]。

橋面板按A類構(gòu)件檢算,主力工況,橋面板全截面受壓,最小壓應(yīng)力為1.5 MPa;主+附工況,橋面板最大拉應(yīng)力為0.9 MPa,最大壓應(yīng)力為20.7 MPa,均小于C60容許應(yīng)力,滿足規(guī)范要求[16-19]。

斜拉索最大應(yīng)力845 MPa,安全系數(shù)為2.2,大于容許安全系數(shù)2.0;斜拉索最大應(yīng)力幅120 MPa,小于容許應(yīng)力幅140 MPa,均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 橋梁動(dòng)力特性

根據(jù)前述橋梁計(jì)算模型,對(duì)該橋的自振特性進(jìn)行計(jì)算與分析,前5階的自振頻率及振型主要特點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 橋梁動(dòng)力特性

4.3 列車走行性分析

建立車橋系統(tǒng)耦合振動(dòng)模型,模擬CRH3型車分別以設(shè)計(jì)車速250~350 km/h和檢算車速375~420 km/h通過(guò)橋梁,分析結(jié)果如下。

(1)當(dāng)CRH3型車以設(shè)計(jì)速度和檢算速度通過(guò)時(shí),橋梁動(dòng)力響應(yīng)、列車橫豎向振動(dòng)加速度、列車行車安全性能均滿足要求[20]。

(2)當(dāng)CRH3型車以設(shè)計(jì)速度和檢算速度通過(guò)時(shí),列車乘坐舒適性達(dá)到“良好”標(biāo)準(zhǔn)和達(dá)到“合格”標(biāo)準(zhǔn)以上[20]。

分析結(jié)果表明,本方案滿足列車時(shí)速350 km高速行車時(shí)橋梁安全和乘坐舒適的要求[21]。

5 結(jié)語(yǔ)

渠江特大橋主橋通過(guò)3種橋式方案優(yōu)缺點(diǎn)比較,分別從橋梁的景觀效果、經(jīng)濟(jì)性、施工難度、技術(shù)創(chuàng)新性、碳排放以及后期養(yǎng)護(hù)維修等方面進(jìn)行綜合比較,主跨(48+112+248+112+48) m鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋方案具有景觀好、經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)、碳排放少及具有技術(shù)創(chuàng)新等優(yōu)點(diǎn),該橋式方案在國(guó)內(nèi)高速鐵路線路中采用較少,在設(shè)計(jì)和施工上都具有較大挑戰(zhàn)。鋼管混凝土桁架組合梁斜拉橋符合橋梁的工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能制造化方向,本橋方案的選取可為高鐵橋梁智造提供一個(gè)方向,為同類型橋梁設(shè)計(jì)提供借鑒。

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