(168+300+168)m连续钢桁矮塔斜拉桥方案设计

俞 萍

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)



(168+300+168)m连续钢桁矮塔斜拉桥方案设计

俞 萍

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

以米家川特大桥工程为例，从主桁结构、主塔构造、桥墩构造、基础设计四方面，介绍了主桥的结构构造，并结合主桥外部主要荷载，分析了该桥的刚度、强度以及稳定性，结果表明，该桥所用的钢管混凝土高墩连续钢桁矮塔斜拉桥桥型结构是合理的。

矮塔斜拉桥，连续钢桁梁，结构构造，主墩

山区铁路选线地形复杂，铁路桥隧相连，而高速铁路因最小半径要求很大，常规铁路桥梁方案很难适应高速铁路的需要；而控制性桥梁对高速铁路建设投资、工期又有很大影响。本文结合银西铁路控制工程米家川特大桥主桥(168+300+168)m连续钢桁梁矮塔斜拉桥设计，根据对墩高172 m，主跨300 m连续钢桁矮塔斜拉桥的整体构思及分析计算成果，介绍了该桥的主要构造尺寸拟定及其材料选择、全桥静力、动力分析、刚度控制及稳定性分析等，得出了钢管混凝土高墩连续钢桁矮塔斜拉桥桥型合理的结论。该结论对类似工程具有一定参考和指导价值。

1 概况

1.1 桥型概述

米家川特大桥位于甘肃庆阳地区，为银西铁路的控制工程。本桥桥高172 m，跨越米家川沟，主桥采用(168+300+168)m双塔双索面连续钢桁矮塔斜拉桥。全桥位置线，桥面纵坡1.28%，桥上为双线铁路，桥面全宽12.6 m。该斜拉桥采用墩塔梁体系，斜拉索扇形布置，梁上索距12 m，塔上索距2.0 m。桥墩采用四柱型钢管混凝土墩。

1.2 外部环境

桥址区年平均气温10 ℃，极端最高气温36.4 ℃，极端最低气温-22.6 ℃；最大风速22.5 m/s。地震动峰值加速度为0.05g，动反应谱特征周期为0.45 s，相当于地震基本烈度6度。经现场波速测井(C3Z-27)得剪切波速为Vse=260.3，根据GB 50111—2006铁路工程抗震设计规范(2009版)场地划分为Ⅱ类。

2 主桥结构构造

2.1 主桁结构

1)主梁纵向。主梁采用连续钢桁梁，桁高15.0 m，桁式为无竖杆三角形桁架；主桁节间中心距12 m，双线铁路线间距5.0 m。节间内距为12.6 m，如图1所示。

2)主桁横向。下平联每节间主桁节点处设置一根大横梁，每节间中心处增设一根次横梁，不设纵梁。 采用密布横梁整体正交异性钢桥面系：正交异性板整体桥面结构，由纵肋、横梁与钢桥面板焊连成整体；顺桥向每隔6.0 m设一道横梁。正交异性钢桥面板采用16 mm钢板，与箱型下弦杆的上水平板焊连。其下部设置间距600 mm的U型纵肋，遇横梁腹板时断开，如图2所示。

3)基本杆件构造。上下弦杆采用箱型截面，腹杆的基本截面形式采用H型截面，与主桁节点采用插入方式连接；少量杆件较长、压力较大的腹杆采用箱型截面，与主桁节点采用四面对接的方式连接。基本杆件构造尺寸如表1所示。

表1 结构纵横向变形及限值表

2.2 主塔构造

主塔采用造型简洁的直塔结构，桥面以上部分为分离的两个桥塔，塔柱为空心钢管截面，顺桥向间距12.0 m，横桥向间距19.0 m，主塔桥面以上有效结构高度59 m。斜拉索的倾角较小，最小倾角为19°，最大倾角为48°。塔柱直径2.5 m厚度5 cm的钢管，斜拉索采用外径11 cm的钢绞线，其构造大样如图3所示。

2.3 桥墩构造

主墩构造。主墩采用钢管混凝土桥墩，钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受力过程中的相互作用，充分发挥两种材料的力学性能，即管内混凝土受到钢管紧箍作用处于三向受压状态，强度和延性进一步提高。同时，管内混凝土的存在可以避免钢筋过早发生局部屈曲，保证其高强力学性能得到充分发挥。本桥由4根直径250 cm～320 cm的主管以及直径100 cm的连接管组成，其构造大样如图4所示，构造尺寸如图5所示。

2.4 基础设计

主墩基础采用42根φ3.0 m柱桩，桩长60 m，嵌入岩石10 m。计算参数：水平地基比例系数m=20 000，基本承载力σ0=800 kPa，岩石单轴抗压强度R=8 000 kPa。桩基布置平面及其与墩底钢管的关系如图6所示。

3 主桥外部主要荷载

自重：主桁钢材容重按98.4 kN/m3考虑，其他杆件容重按90.3 kN/m3考虑。钢管混凝土按组合材料确定。二期恒载按180 kN/m计算，包括线路及桥面上设备。列车活载采用ZK荷载。拟定桥梁施工温度为10 ℃，根据桥址气象资料，温度力按升温25 ℃，降温35 ℃考虑。风力按TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范中4.4.1条执行。

4 主要计算结果

4.1 计算模型

采用MIDAS CIVIL2010建模分析,全桥共分为3 232个节点，6 243个单元,其中80个拉索单元，5 633个梁单元，530个板单元，计算模型如图7所示。

模型中承台底采用节点弹性支撑，其6个方向的支撑刚度则根据桩基布置其地基土层的特性计算，计算结果如表2所示。

表2 承台底刚度表

4.2 自振特性分析

因《高速铁路规范》中仅给出了跨度不大于96 m的混凝土梁部自振频率的限值。本桥超出了规范的范畴。因此，通过国内外多座大跨度斜拉桥的主梁竖弯基频的统计，最终得到竖弯基频近似公式：f=C/L。其中，L为主跨跨径，m；C为统计系数，本桥拟取值105；f=0.35。采用软件MIDAS进行桥梁的模态分析，总共获取了桥梁的前80阶模态，其中前10阶模态的频率值和振型描述如表3所示。

表3 结构自振特性表

4.3 刚度指标

1)全桥主要刚度。如图8所示，在静活载作用下，跨中挠度28.7 cm，挠跨比1/1 060，边跨挠度5.0 cm，挠跨比1/3 360，梁端转角1.7‰ rad。

2)桥塔刚度。塔顶位移见表4。

表4 塔顶位移表

4.4 强度计算

1)主桁杆件最大轴向力为1.78e+004 kN及-3.45e+004 kN，最大轴向应力为98.7 MPa及-132.9 MPa。2)钢管混凝土主墩最大轴力为7.4e+003 kN及-8.4e+004 kN；最大轴向应力16.7 MPa及-48.7 MPa。3)桥塔最大轴力为1.19e+004 kN及-2.55e+

004 kN；最大轴向应力8.06 MPa及-6.41 MPa。

4.5 稳定分析

稳定分析又叫屈曲分析，MIDAS的线性屈曲分析功能主要用于求解由桁架单元、梁单元或者板单元构成的结构的临界荷载系数和对应的屈曲模态。临界荷载和屈曲模态意味着所输入的临界荷载作用到结构时，结构就发生与屈曲模态相同形态的屈曲。

桥墩成桥状态一阶屈曲模态见图9，成桥阶段一类稳定性分析失稳模态见表5。

表5 成桥阶段一类稳定性分析失稳模态

模态阶数1234稳定安全系数K44.451.355.966失稳模态边跨侧下层竖向腹杆顺桥向向内侧弯曲主跨侧下层竖向腹杆顺桥向向内侧弯曲整体顺桥向弯曲下面第三层腹杆向外侧顺桥向弯曲

主墩成桥后，弹性稳定安全系数在44以上，远大于 4，整体稳定不控制设计。

5 结语

米家川特大桥(168+300+168)m连续钢桁矮塔斜拉桥，是银西可研东方案主推桥型。本文中该桥主要构件形状及尺寸的选取，均是通过多方案比选后的最终结果。并且通过介绍了全桥控制性的分析过程和计算结果，得出的结论是该桥型在结构上是合理的，希望对在高速铁路中高墩大跨桥梁的桥型选择提供一定的参考价值。

[1] TB 10002.1—2005，铁路桥涵设计基本规范[S].

[2] TB 10621—2014，高速铁路设计规范[S].

[3] 臧 华，刘 钊.钢管混凝土桥墩的应用与研究[J].中国工程科学，2007(9)：71-75.

[4] 吴祖根.矮塔斜拉桥设计综述[J].市政技术，2010(1)：66-69.

[5] 赵晓萍.矮塔斜拉桥静力特性的对比分析[J].四川建筑，2008(8)：134-137.

[6] 马建锋.钢管混凝土高桥墩的极限承载力分析[J].钢结构，2009(10)：24-27.

Schematic design on(168+300+168)m short-pylon cable-stayed bridge with continuous steel trusses

Yu Ping

(ChinaRailwayFirstSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd,Xi’an710043,China)

Taking Mijiachuan extra-large bridge engineering as an example, starting from four aspects of major truss structure, major tower structure, bridge pier structure and foundation design, the paper introduces the major bridge structure, analyzes the bridge rigidity, strength and stability by combining with the external bridge load. Results show that: the short-pylon cable-stayed bridge structure with continuous steel trusses is rational.

short-pylon cable-stayed bridge, continuous steel truss, structure, major pier

1009-6825(2016)10-0185-03

2016-01-25

俞 萍(1981- )，女，工程师

U448.27

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