怀邵衡铁路（90+180+90）m矮塔斜拉桥总体设计

宋子威，李喜平，刘智春

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063）

怀邵衡铁路（90+180+90）m矮塔斜拉桥总体设计

宋子威，李喜平，刘智春

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063）

怀（化）邵（阳）衡（阳）铁路沅江特大桥主桥采用（90+180+90）m矮塔斜拉桥，该桥式方案具有建造经济、造型美观、施工方便、整体刚度大等优点。本文介绍该桥总体设计、构造设计、施工方法等内容并进行了静力、动力计算分析。计算结果表明：该桥在施工及运营阶段的刚度、强度均满足设计规范要求，桥梁具有良好动力性能，可为类似铁路桥梁提供参考。

铁路桥；矮塔斜拉桥；组合结构；桥梁设计

1　工程概况

沅江特大桥位于湖南省洪江市安江镇岔头乡境内，是怀邵衡铁路上一座重要桥梁。桥址处沅江宽约570 m，河道较顺直，水流较缓，桥梁轴线与沅江主河道斜交角度为72°，沅江水深较深，河床面较平缓，最大水深在8.5 m左右。

1.1主要技术标准

1）线路标准：双线铁路，有砟轨道，客货共线，速度目标值200 km/m，线路为平坡、直线，线间距为5.0 m。

2）活载标准：中-活载。

3）通航标准：规划为Ⅳ级航道，双向通航净宽≥140 m、通航净高≥8.0 m。

4）地震效应：地震动峰值加速度为0.05g，动反应谱特征周期为0.35 s。

5）桥梁主体结构设计使用年限：100年。

1.2工程地质及水文地质

桥址处地层主要是粉质黏土、卵石土、板岩、泥质砂岩，底层为弱风化砂砾岩。

沅江流域面积F=40 350 km2，百年设计流量Q1%=26 400 m3/s，百年设计水位H1%=168.15 m，流速V1%=2.45 m/s。线路法线与水流方向夹角为83°。

1.3桥式选择

受铁路线路选线控制，怀邵衡铁路跨沅江桥位法线与航道方向斜交角度达18°；由于斜交角度较大，根据通航论证要求，沅江特大桥主跨必须一跨跨越沅江双向航道范围，根据桥梁孔跨布置及防洪评价、通航论证要求，沅江特大桥主跨采用（90+180+90）m矮塔斜拉桥。梁体中支点、跨中梁高分别为9.6，5.0 m，分别为主跨的1/18.75和1/36.0；塔、梁固结，中墩、边墩顶均设置纵向活动支座，桥面以上塔高28.0，高跨比1/6.4。立面布置见图1［1］。

图1　主桥立面布置（单位：m）

2　主桥设计

2.1主梁

主梁采用单箱单室直腹板截面（图2），中支点处梁高9.6 m，高跨比为1/18.75；边支点及跨中处梁高5.0 m，高跨比为1/36。跨中等高度梁段长38.0 m，中间69 m梁底曲线采用二次抛物线变化。

主梁顶板全梁等宽13.6 m，底宽9.4 m。顶板厚42 cm，在中支点附近处加宽至102 cm；底板厚度由中跨5.5 m梁高处的50 cm渐变至中支点附近处120 cm。腹板厚度分60，80，100 cm，并在梁塔墩结合块附近一定区域渐变加厚到120 cm。

全梁共布置横隔板5道，分别设在梁的两端、墩塔梁固结处及跨中。斜拉索各锚固点主梁箱内及前一节段分别设置1.6 m高横梁1道，全梁共计32道。

主梁采用纵、横、竖三向预应力体系，纵向预应力束包括顶板悬臂束、腹板下弯束、中跨底板束、边跨底板束、中跨顶板束、边跨顶板束。纵向预应力采用低松弛预应力钢绞线。箱梁横向预应力采用5-15.24 mm低松弛预应力钢绞线，交错单端张拉，横向间距40 cm。竖向预应力筋采用型号为PSB930的预应力用螺纹钢筋。

2.2桥塔

桥塔采用双柱式桥塔，桥面以上塔高28.0 m，桥面以上塔的高跨比为1/6.4。为适应分丝管索鞍，塔柱采用矩形实体截面，顺桥向宽4.8 m，横桥向宽2.4 m，斜拉索中心距离线路内侧2.0 m，外侧2.4 m。详见图3。

2.3斜拉索［2-3］

斜拉索为平行双索面，采用单丝涂覆环氧涂层钢绞线拉索体系，外套HDPE。斜拉索梁上间距6.0 m，与主梁采用成品锚具形式（图4），主梁内设置锚固梁，张拉端设置在梁上。斜拉索在塔端采用分丝管索鞍贯通，间距为1.0 m。斜拉索规格分55-7φ 5 mm，43-7φ5 mm 2种，端索水平夹角为21.73°，斜拉索（锚固点至桥塔理论交点）最长约76.43 m，最短约41.5 m。斜拉索采用单根张拉，整体调索。

2.4桥墩与基础

主墩采用圆端形实体桥墩，墩高分别为20.0， 21.5 m，顺桥向为5.0 m，横桥向为12 m。桥墩基础采用15φ2.5 m钻孔桩基础。顺桥向3排，桩间距6.9 m，横桥向5排，桩间距5.5 m。承台尺寸为17.8 m× 26.0 m×5.0 m，上设9.6 m×14.8 m×2.0 m加台。

图2　箱梁典型截面（单位：cm）

图3　桥塔构造（单位：m）

图4　斜拉索锚固示意

3　主桥结构计算

3.1静力分析［4］

本桥建立空间有限元模型，主梁、桥塔、桥墩、承台及桩基础均采用梁单元模拟，利用一般支承、弹性连接、主从连接等边界单元模拟了桥梁塔墩梁固结、索梁连接、边墩支座边界条件。桩-土结构采用施加相应刚度矩阵的方法模拟。施工阶段分析中，考虑挂篮和湿重，将预应力索作为等代荷载施加于梁体，计入收缩徐变及预应力损失对结构受力的影响。所建立的有限元模型如图5所示。

3.1.1主梁检算（表1）

检算施工和运营阶段主梁的强度、抗裂性、应力及变形。施工阶段主梁最大压应力15.4 MPa；运营阶段，最不利荷载作用下主力工况主梁最大压应力14.59 MPa，最小压应力0.83 MPa；主力+附加力工况下主梁最大压应力15.18 MPa，最小压应力0.55 MPa，最大主压应力16.0 MPa，最大主拉应力2.98 MPa。主力工况下截面最小强度为2.33，主力+附加力工况下截面最小强度为2.27。最小抗裂安全系数为1.49，混凝土最大剪应力为4.0 MPa。

主跨跨中最大静活载挠度143.6 mm，为主跨的1/1 253.5，梁端转角为1.52‰。主梁在摇摆力+横向风力作用下的横向水平挠度为24.1 mm，挠跨比为1/11 935.4。以上检算结果均满足规范要求［5-7］。

3.1.2斜拉索检算

斜拉索最大活载应力幅为74.6 MPa，为中跨边索。斜拉索在主力工况下最大拉应力为824.8 MPa，最小安全系数为2.25；在主力+附加力工况下最大拉应力为845 MPa，最小安全系数为2.20。

计算该桥的竖向荷载分担比，成桥之前由设计确定。成桥之后，二期恒载、活载的竖向荷载分配则是按照结构刚度来分配。成桥状态下斜拉索分担的二期恒载比例为37.7%，分担活载比例为19.2%。由此可见斜拉索在施工阶段和成桥状态对主梁均有一定帮扶作用，可在一定程度上降低梁高。

图5　整体计算有限元模型

表1　主梁应力与抗裂、强度安全系数MPa

3.2动力分析

3.2.1自振特性

采用有限元软件建立动力分析模型，前10阶自振频率及振型特点见表2。

表2　沅江特大桥主桥前10阶代表性振型

3.2.2车桥耦合振动分析

采用空间有限元方法建立其车-桥动力分析模型，对该桥CRH2，CRH3动车组及C80货车作用下的车桥空间耦合振动进行了分析并评价了该桥的动力性能以及列车运行安全性与平稳性，主桥在CRH2与CRH3动车组以速度140～300 km/h、C80货车以速度60～120 km/h通行时，行车安全性和乘坐舒适性满足要求，其动力性能符合要求。

4　主桥施工步骤

采用挂篮悬臂浇筑法，施工过程中充分利用斜拉索，滞后一个悬臂节段张拉斜拉索。先合龙边跨，后合龙中跨。边跨无索区边直段及零号块采用支架现浇施工，上塔柱采用爬模（滑模）法施工。梁段采用悬臂灌注法施工，主梁合龙后张拉梁内预应力，施工桥面和附属工程，调整至斜拉索设计索力，通车运营。

5　结语

部分斜拉桥以主梁受力为主，主塔斜拉索辅助受力，相对梁式桥整体受力和变形均有显著改善，可提供较大的竖向刚度，适用于高速铁路桥梁。斜拉索可在悬臂浇筑过程中起加劲作用，成桥时又可与主梁共同受力，永临结合，较连续梁柔性拱桥式方案节约临时钢支撑约1 200 t，取得良好经济效果。

［1］中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建怀邵衡铁路沅江特大桥施工图［Z］.武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2014.

［2］高飞，陈淮，陈峥.矮塔斜拉桥的施工控制研究［J］.铁道建筑，2008（4）：1-3.

［3］李文献，宋强，覃巍巍，等.矮塔斜拉桥中交叉抗滑键的研究及应用［J］.桥梁建设，2012，42（6）：92-97.

［4］张运波，孙立伟.矮塔斜拉桥运营过程中的结构仿真分析［J］.铁道建筑，2014（7）：1-3.

［5］中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［6］中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［7］中华人民共和国铁道部.TB 10621—2014高速铁路设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2015.

Overall Design of（90+180+90）m Cable-stayed Bridge with Low Tower on Huaihua-Shaoyang-Hengyang Railway

SONG Ziwei，LI Xiping，LIU Zhichun
（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430063，China）

T he main bridge of Yuanjiang Bridge on Huaihua-Shaoyang-Hengyang railway is designed as（90+ 180+90）m cable-stayed bridge with lowtower.T his bridge design has advantages of economy，aesthetics，convenient construction and high stiffness.In this paper，the global and detailing design，and the construction method were introduced，and the behaviors under static and dynamic loads were analyzed.T he results show that the stiffness and strength at the construction and service stages meet the requirements of design code，and the bridge has good dynamic properties.

Railway bridge；Cable-stayed bridge with low tower；Hybrid structure；Bridge design

U445.2

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.02

1003-1995（2016）09-0006-04

（责任审编孟庆伶）

2016-03-07；

2016-06-15

中铁第四勘察设计院集团有限公司科研基金（2013K07）

宋子威（1984—），男，高级工程师，硕士。