大跨度双线铁路独塔斜拉桥约束体系研究

约束体系直接影响到桥梁使用荷载及地震等特殊荷载作用下的内力位移响应，是桥梁结构受力体系最为关键的一环。目前公路独塔斜拉桥已有较多应用，主要采用漂浮及半漂浮体系，中小跨度中亦有采用文献[1]中所述速度锁定器的形式。在铁路斜拉桥方面，文献[2] [3]介绍了对称布置的175m主跨四线铁路独塔斜拉桥采用了塔梁固结的约束体系；文献[4]在一座独塔混合梁斜拉桥方案研究阶段提及采用半漂浮体系，但对于约束体系没有深入的研究；文献[5]介绍了120m主跨的小跨度独塔斜拉桥，采用了全固结约束体系。深茂铁路潭江桥为目前国内第一座大跨双线铁路独塔混合梁斜拉桥，时速200公里，双线中—活载，相比公路桥，具有活载大、刚度大、轨道稳定性要高的特点。常规小跨度桥梁的塔梁固结形式、固定支座或速度锁定器的约束形式已不能满足抗震设计需要，且震后主体结构难以修复，影响生命线及时贯通，此外的固定支座或速度锁定器难以解决双线铁路活载引起的纵向固定支座的疲劳问题。而该桥若采用漂浮及半漂浮体系，在使用期间已经不能仅靠支座摩阻力来限制主梁纵向频繁移动，导致轨道结构稳定性差。另外混合梁斜拉桥的混凝土梁段自重大，横向地震效应明显，宜采取合适措施提高其经济性。结合以上特点，本文深入研究了该桥的纵向及横向约束体系，并提出了合理的支座及阻尼器设置方案。

1. 工程概况

新建深圳至茂名铁路潭江特大桥位于江门市新会区，主桥为主跨256m双线独塔钢箱混合梁斜拉桥。其结构新颖，是目前国内首座大跨度双线铁路独塔混合梁斜拉桥，其约束体系的选择应兼顾抗震性能与200公里时速双线铁路特点。

1.1 上部结构

主桥为双线（31.85+57+130 +256+63.9）m独塔混合梁斜拉桥， 主跨256m为潭江通航孔，桥长540.55m。其中（31.85+57）m为混凝土箱梁，（130+256+63.9）m为钢箱梁，钢混结合面设置于10#墩顶附近。主桥两侧接48m现浇简支箱梁。混凝土梁采用箱形等高截面，桥面宽14m，中心处梁高4.6m。钢箱梁采用带风嘴的钢箱截面，桥面宽14m，中心梁高4.6m，风嘴宽2.6m。

1.2 下部结构

桥塔采用H型混凝土桥塔，塔高175m，下塔柱高18.8m。索塔承台平面尺寸为20.2×33.2m，厚6m，设3m高塔座。基础采用桩基础，承台底按行列式布设15根φ3m钻孔灌注桩。边墩及辅助墩均采用变截面花瓶形实体墩，墩高19.3～24.7m，宽4.4m。主跨侧辅助墩墩承台尺寸为10.6×18.6m，厚3.5m，承台底按行列式布设15根φ1.5m钻孔灌注桩。其余桥墩承台尺寸为10.6×14.6m，厚3.5m，每个承台按行列式布设12根φ1.5m钻孔灌注桩。主塔桩基础嵌入强风化花岗岩中，桥墩基础桩底均嵌入强风化花岗岩中。钻孔桩及承台采用C40混凝土。

2. 地质及场地条件

地质条件：表层为淤泥、粉质黏土、细砂；下伏基岩为全风化花岗岩、强风化花岗岩、弱风化花岗岩。场地的抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.10g。

3. 计算模型及边界条件

弹塑性阻尼器的恢复力模型采用双线性模型模拟，球形钢支座的相对滑动效应采用双线性模型对其进行模拟。对于液压型粘滞阻尼器，其非线性模型如式(1)所示：

图1 桥型布置图(单位：m)

F=CVα(式 1)

式中，——阻尼力，kN；

——阻尼系数,kN/(m/s)α，主要与阻尼孔开孔面积有关；

——阻尼器相对速度，m/s；

α——速度指数（此处取0.15）。

根据加速度反应谱，对多遇地震、设计地震和罕遇地震分别人工合成了3条地震动加速度时程，对有限元模型进行非线性时程分析。地震输入方式为：1)纵向＋竖向；2)横向＋竖向两种方式。

4. 约束体系研究

4.1 顺桥向约束体系研究

在既有工程经验的基础上，提出了如下三种顺桥向约束体系：

纵向体系1：桥塔与梁体间设纵向固定支座；纵向体系2：采用半漂浮体系，桥塔处设竖向支撑支座及纵向粘滞阻尼器；纵向体系3：桥塔与梁体固结。

以上三种体系，桥墩处均设纵向活动支座。

静力计算结果表明，在列车荷载作用下，（体系2）梁端位移量达到22cm，位移量过大且发生频率多，不仅影响到轨道结构的稳定性，亦加大了拉索二次弯曲应力，影响行车安全及结构安全。故使用期间纵向宜采用固定约束。此外活载引起的支座处纵向疲劳问题也应引起足够重视。

地震作用下墩底弯矩对比见表1，结果表明采用粘滞阻尼器耗能（体系2）时，梁体和塔顶位移虽然有所增加，但结构的内力响应（关键截面内力、承台底反力等）都有所降低，特别是在罕遇地震作用下，塔底的弯矩响应减小30%，较为明显。而塔梁固结（体系3）的位移和内力响应相比设固定支座方案（体系1）没有明显区别。

表1 罕预地震下不同纵向约束体系的墩底弯矩对比表

图2 不同横向约束体系下的墩底弯矩对比(kN.m)

结合计算成果，顺桥向约束体系考虑如下几点原则：

（1）使用荷载下桥塔支座采用剪力销纵向固定，其机械熔断力必须能抵抗列车活载引起的桥塔纵向固定支座的静力及疲劳荷载。

（2）常遇地震、90%设计地震作用下，桥塔纵向固定支座不能破坏，一方面是以减小维护量，另一方面是疲劳强度的要求。

（3）达到设计地震水平及以上时，桥塔固定支座剪断，阻尼器熔断解锁，粘滞阻尼器发挥作用。

（4）地震过后，桥塔支座液压熔断装置自动重新锁定，可临时通车。

（5）震后临时通车情况下，靠熔断装置锁定的阻尼器不能解锁，液压熔断力需大于使用阶段荷载。

4.2 横桥向约束体系研究

斜拉桥边墩及辅助墩基础一般均为地震力控制设计，其中混合梁的混凝土梁段范围内的辅助墩及临大跨侧的辅助墩更为明显。10#墩横向地震响应较大，基础抗力不足，其必须设置减隔震措施。基于此，比较了如下四类约束体系：

横向体系1：所有桥墩、桥塔均横向固定；横向体系2：10#、12#墩处横向活动，其余横向约束；横向体系3：10#、12#墩处设横向E型钢阻尼器，其余横向约束；横向体系4：8#、10#、13#墩横向设E型钢支座，其余横向约束。

从计算结果可知：后三个方案均能有效降低10#墩底弯矩，但体系2会大幅增大8#、9#边墩及桥塔弯矩，体系3对8#、9#边墩及桥塔弯矩影响较小，体系4与体系3相比优化不大且支座类型更为复杂，故推荐采用横向体系3。

结合计算成果，横桥向约束体系考虑如下几点原则：

（1）设计地震下，横向固定支座（含E型钢支座）不坏。

（2）罕遇地震作用下，支座可横向剪断，与挡块结合后可限制梁体横向位移。此外横向E型钢支座在应在容许最大位移范围内。

4.3 选定的约束体系及布置

经纵、横向约束体系比选，最终选定的约束体系如下：桥塔处（11#）安装纵向液压熔断阻尼钢支座（机械剪断力9000kN，液压熔断力3000kN，粘滞阻尼器C=3500、α=0.15）；辅助墩（10#、12#）安装横向E型钢阻尼球形钢支座；边墩（8#、9、13#）安装普通球型钢支座；桥塔处（11#）设横向限位橡胶支座；8#、9#、13#设横向限位挡块。

图3 主桥支座布置示意图（m）

表2不同地震水平下的约束方式

表3 桥塔支座各项抗力验算（kN）

5. 抗震性能及使用性能验算

对最终选定的约束体系进行抗震及使用荷载验算，结果表明：

（1）多遇及90%设计地震作用下，支座未屈服，见表3，主桥所有墩柱、桥塔截面及桩基础最不利单桩截面地震弯矩小于其初始屈服弯矩，截面保持为弹性工作状态，满足预期性能目标要求。

（2）90%以上设计地震及罕遇地震作用下，支座屈服，见表3，粘滞阻尼器开始发挥作用，主桥所有墩柱、桥塔截面及桩基础最不利单桩截面地震弯矩小于其等效屈服弯矩，截面基本保持为弹性工作状态，满足预期性能目标要求。

（3）粘滞阻尼器额定最大行程192mm＜300 mm满足额定行程，E型钢阻尼器最大位移85mm＜110mm满足E型钢阻尼器极限位移要求。

6. 结语

深茂铁路潭江桥设计结合双线独塔斜拉桥受力特点，顺桥向采用了桥塔处设固定支座+液压熔断阻尼器的组合支座的形式，既满足了使用期间纵向约束的静力及疲劳要求，保证了行车安全及结构安全，又能很大程度上减小地震作用，且震后支座能自动锁定，保证生命线的及时贯通。横桥向采用了辅助墩顶设E型钢阻尼支座的形式，优化了桥墩的地震响应，很大程度上减小了下部结构工程量，取得了良好的效果。目前各阻尼组合支座的设计、制造及部分实验抽检已基本完成。

随着我国铁路建设的快速发展，大跨度铁路斜拉桥的应用会越来越多，本文可为今后类似工程提供参考。