新建郑万客运专线铁路独塔斜拉桥设计关键技术研究

陈名欢

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 工程概况

新建郑州至万州铁路河南段联络线特大桥为(32+138+138+32)m预应力混凝土独塔斜拉桥，跨郑西高铁。该桥为塔墩梁固结体系，为减小施工期间对既有铁路运营的影响，主梁平行于既有线路支架现浇，然后平转主梁至设计线位，再浇筑合龙段。

本桥桥位与郑西高铁斜交角度为17°，平面位于曲线半径R=1 400 m曲线上，线路纵坡为29.1‰。为避免由于曲线引起的桥面加宽，梁部采用曲梁曲做形式。桥址平面示意如图1所示。

图1 桥址平面示意

2 技术标准

线路情况：单线铁路，有砟轨道。

设计速度：160 km/h。

设计活载：ZK活载。

线路信息：本桥平面位于曲线半径R=1 400 m曲线，线路纵坡29.1‰。

横向布置：桥面全宽11.0 m，斜拉索锚固在箱内顶板梗斜下缘，横向布置如图2所示。

图2 桥面横向布置示意(单位：cm)

桥下净空：桥下跨越既有郑西高铁，斜交角度为17°；梁底至郑西高铁轨顶最小距离为10 m，检查小车高度控制在梁底以下1.5 m范围之内。

地震基本烈度：地震动峰值加速度为0.1g，地震动反应谱特征周期为0.45 s(地震基本烈度为7度)。

不均匀沉降：索塔基础不均匀沉降按2.5 cm考虑，其他按1.5 cm考虑。

3 结构设计

本桥跨越郑西客专及省道，综合考虑经济、安全、美观，满足功能性要求，合理的跨度及减小桥梁施工对既有线路的影响，采用(32+138+138+32) m预应力混凝土独塔斜拉桥[1-2]，全长341.5 m，先平行与郑西客专支架现浇，再转体至设计线位[3-4]。桥梁总体布置如图3所示。

图3 桥梁立面布置(单位：cm)

3.1 主梁

混凝土箱梁采用单箱双室等高截面，截面全宽11 m，中跨中心处梁高2.5 m，边跨中心处梁高3.0 m。普通截面分标准横截面和加厚横截面、隔板截面3种截面。标准横截面顶板厚度为25 cm，底板厚度为30 cm，中腹板厚30 cm，斜底板厚25 cm；加厚横截面顶板厚度为30 cm，底板厚度为30 cm，中腹板厚30 cm，斜底板厚30 cm；支点隔板截面顶板厚度为60 cm，底板厚度为60 cm，中腹板厚90 cm，斜底板厚60 cm，主梁标准横截面如图4所示。

图4 主梁标准横截面(单位：cm)

底板在4 m范围内上抬1.39 m以减小风阻力。拉索处设横梁，横梁厚度为0.5 m。主梁两端底板上设进人孔，每个箱室均设检查孔，便于在箱内对索梁锚固块等进行检查与换索。底板上设截水槽、泄水孔，边腹板与中腹板上设通气孔。主梁采用C55混凝土，纵向预应力钢筋采用标准强度fpk=1 860 MPa、φj15.2 mm高强度低松弛钢绞线。

3.2 索塔及基础

索塔采用钻石型，桥面以上索塔采用倒“Y”形，桥面以下塔柱为独柱型。塔底以上索塔全高为86.0 m，桥面以上塔高61.0 m，桥面以下塔高25.0 m，桥面以上塔的高跨比为1/2.262。索塔纵向宽度桥面以上至塔顶均为6 m，桥面以下由6 m线性加宽至塔底10 m，索塔四角设30 cm×30 cm倒角。

上塔柱斜拉索锚固区横桥向宽度为5.2 m，纵桥向6.0 m，采用单箱单室截面，顺桥向壁厚1.0 m，横桥向壁厚0.8 m。索塔锚固区设置纵、横向预应力螺纹钢筋，“#”字形布置。中塔柱为两分离式倾斜塔柱，倾斜度1∶7.7054。单箱单室截面，每柱横桥向宽度为3.2 m，顺桥向壁厚0.8 m，横桥向壁厚0.9 m。下塔柱采用独柱式。单箱单室截面，横向宽度由16.8 m渐变至13 m，顺桥向尺寸由上端6.0 m渐变至10.0 m，顺桥向壁厚1.0 m、横桥向壁厚为1.5 m，底部设置3.5 m实体段。

中塔柱与下塔柱在塔梁交接处与主梁固结，组成塔墩梁固结体系，该区域采用预应力混凝土结构，配置φs15.2 mm低松弛预应力钢绞线，锚固于索塔外侧壁上；索塔锚固采用侧壁式锚固。桥塔布置及构造如图5所示。

图5 桥塔布置及构造(单位：cm)

地质为第四系全新统冲洪积层(Q/4al+pl/)和上更新统冲洪积层(Q/3al+pl/)，主要地层为粉质黏土、粉土、粉砂和砾砂等。基础采用21根φ2.20 m的钻孔灌注桩，按摩擦桩设计，桩长99 m，最大沉降16.8 mm，纵、横桥向刚度为4 670.0 kN/cm。

3.3 斜拉索

斜拉索采用符合《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》(GB/T18365—2001)、《桥梁缆索用热镀锌钢丝》(GBT 17101-2008)要求，公称直径φ7 mm，抗拉标准强度1670 MPa、成品拉索弹性模量E=2.0×105MPa的Ⅱ级松弛镀锌平行钢丝拉索。拉索空间双索面体系，扇形布置，采用PES(C)7-151、PES(C)7-187、PES(C)7-211、PES(C)7-223、PES(C)7-241五种规格，全桥共22对拉索，斜拉索梁上间距12 m，塔上索距(锚点竖向间距)1.8～3.0 m。索梁采用齿块锚固形式，拉索与索塔采用内置式齿块的锚固方式，张拉端设置在塔内，斜拉索在梁端设外置式阻尼器以抑制风雨振，并在其下端2.5 m高的范围内外包不锈钢管。

3.4 转动体系

转动球铰采用成套产品，其竖向承载力165 000 kN，横向设置0.841 m偏心。球铰主要由上球铰、下球铰、滑动摩擦板、销轴、骨架组成。下转盘施工时预埋球铰、滑道定位骨架，下球铰、滑道准确定位后，浇筑下盘后浇混凝土。球铰安装须保证球冠水平，中心立管垂直。设计起转牵引力为2×2 082.0 kN，设计转动牵引力为2×1 249.1 kN。

3.5 主桥施工步骤

本桥下塔柱采用支架现浇施工，爬模施工中、上塔柱。索塔施工结束，沿郑西客专进行主梁现浇施工。先进行主跨预应力钢筋张拉，第一次调整索力至设计预订状态使梁体脱模，在合适的时机进行主跨转体并落梁；然后张拉边跨预应力钢束，调整主梁与副主跨对齐，进行中跨合龙施工；最后拆除边跨支架，张拉剩余预应力钢束补张斜拉索。待桥面工程及附属工程施工完毕，第二次调整成桥索力。

4 主桥结构计算

4.1 有限元模型

图6 主桥有限元模型

本桥采用Midas/Civil建立空间模型，进行施工阶段及运营阶段分析，计算荷载包括结构构件及附属设备自重、预加力、收缩徐变、支座不均匀沉降、列车活载、列车竖向动力作用、离心力、横向摇摆力、体系温度、局部温差等荷载；充分考虑结构非线性效应，斜拉索按Ernst公式考虑拉索垂度引起的弹性模量修正。主梁、索塔采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟。本模型节点共282个，梁单元113个，桁架单元44个。主桥有限元模型如图6所示。

4.2 荷载组合

(1)施工阶段荷载组合

结构自重+预应力+收缩徐变+施工荷载。

(2)运营阶段荷载组合

主力：恒载；恒载+活载(竖向活载、摇摆力)。

主力+附加力：恒载+活载+附加力(制动力、风力、整体温度、顶板温度)。

4.3 主梁变形检算

ZK静活载作用下，单线静活载挠度为103.1 mm，温度挠度为25.2 mm。ZK静活载挠度+0.5倍温度荷载挠度为115.8 mm，挠跨比1/1 192；0.63倍静活载挠度+全部温度荷载挠度为90.2 mm，挠跨比1/1 530。

在静活载作用下，梁体的竖向挠度满足规范要求，不大于计算跨度的1/1 000；梁端转角为-0.652‰rad，满足规范要求不大于2‰rad；在摇摆力作用下，边跨最大横向位移为0.135 mm，跨中最大横向位移为0.584 mm；在离心力作用下，边跨最大横向位移为0.371 mm，跨中最大横向位移为3.085 mm；在风力作用下，边跨最大横向位移为0.149 mm，跨中最大横向位移为0.605 mm；在温度力作用下，边跨最大横向位移为1.176 mm，跨中最大横向位移为1.262 mm；在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度变化的作用下，梁体最大水平位移5.536 mm，小于梁体计算跨度的1/4 000。考虑成桥运营1 500 d，徐变位移为-17.99 mm，满足规范要求。

4.4 主梁及索塔受力检算

按照《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》，主梁运营阶段法向压应力、拉应力、剪应力、主拉应力、主压应力检算如表1所示，各项指标均满足规范要求[5-7]。

表1 运营阶段主梁检算结果

运营阶段各钢束最大拉应力比σy/Ryj为0.588，满足规范要求；ZK活载作用下钢绞线最大应力幅为65.1 MPa，小于140 MPa的容许值，疲劳荷载作用下钢绞线应力幅值满足规范要求。

桥塔下塔柱及上塔柱受力均较小，中塔柱主力工况混凝土最大压应力为5.85 MPa，裂缝宽度为0.00 mm，钢筋应力为13.8 MPa；中塔柱主力+附加力工况混凝土最大压应力为6.09 MPa，裂缝宽度为0.01 mm，钢筋应力为16.47 MPa，混凝土应力、裂缝宽度、钢筋应力均满足规范要求。

4.5 斜拉索受力检算

斜拉索除要求有较大的静力安全系数外，还要求具有足够的疲劳抗力[8-9]。本桥斜拉索强度安全系数不小于2.5；考虑斜拉索垂度变化、主梁挠度以及风致震动引起的斜拉索挠曲力，跨中斜拉索疲劳活载应力幅设计允许值取131 MPa，全桥斜拉索疲劳活载应力幅按不大于130 MPa考虑；应力变幅不超过250 MPa。斜拉索成桥应力如图7所示，应力幅及应力变幅如图8所示。

图7 斜拉索成桥应力

图8 斜拉索应力幅及应力变幅

由图7、图8可知，斜拉索最小安全系数为3.02，应力幅为110.8 MPa小于130 MPa，应力变幅为176.3 MPa小于250 MPa，斜拉索的安全系数、应力幅、应力变幅均满足要求。施工阶段，斜拉索安全系数最小值为3.54，满足施工阶段受力要求。

斜拉桥运营一定年限后，根据实际受力将会涉及换索，此时桥梁需满足单线限速通行要求。与此同时，列车正常通行下斜拉索突然失效(断裂)时，也要确保结构和列车行车安全[10]。本设计考虑斜拉索断索及换索特殊工况，其中断索荷载组合：恒载+活载(单线列车正常行车)；换索荷载组合：恒载+活载(单侧限速通行)。最不利荷载组合下，索塔及主梁应力如表2所示，混凝土主梁和索塔的正应力均在规范容许值范围内，满足规范要求。各种断索工况下，斜拉索最小强度安全系数为2.8，大于安全系数2.5，均满足要求。

表2 换索最不利组合下索塔及主梁应力 MPa

注：表中应力以拉为正，以压为负。

4.6 索塔锚固实体分析

独塔斜拉桥索塔锚固区受力复杂，为全桥受力关键位置，其构造、配筋及受力特点与矮塔斜拉桥差异明显[11-13]，对该部分进行专门的优化设计，采用MIDAS/FEA，建立索塔锚固区实体模型。依据圣维南原理，截取塔顶以下44.8 m范围进行实体有限元模型分析，从而避免边界影响锚固区截面应力分布和应力结果的真实性。桥塔采用实体单元模拟，预应力钢束采用一维钢筋单元模拟。空间有限元模型共89 471个节点，394 800个单元。整体坐标系顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，有限元模型及纵横向螺纹钢束如图9、图10所示。

索塔锚固区实体计算分别考虑主+附+寒潮、主+附+日照、换索+寒潮、换索+日照这四种工况对应的无预应力状态、有预应力状态，结构纵向应力分析、横向应力分析、最大主应力、锯齿块局部应力分析等几种情况。计算分析对换索时机、锚固区域优化设计、预应力及普通钢筋配置提供较强的理论及实践依据，有效改善结构受力，构造合理，结构安全可靠。

图9 桥塔有限元模型

图10 纵横向螺纹钢束布置

4.7 主桥稳定性分析

本桥在施工难度大，涉及复杂的体系转换，且跨越郑西高铁，结构稳定问题突出。因此，开展主体结构施工过程及成桥稳定分析具有重要的理论及实践意义[14-15]。施工期结构失稳状况如表3所示；施工阶段弹性屈曲失稳状况如在各计算工况下，结构弹性稳定系数均远大于《公路斜拉桥设计规范》和《公路斜拉桥设计细则》中斜拉桥弹性稳定系数应大于4的要求。稳定系数整体表现为下降的趋势，施工阶段的最小稳定系数发生于转体阶段，此时稳定系数为36.5，本施工阶段1阶屈曲模态表现为主梁竖向弯曲。

在施工阶段，结构在无风和有风时，结构的弹性稳定系数变化很小，顺桥向风荷载作用下与无风状态下弹性稳定系数基本一致，横桥向风荷载作用下，结构的弹性稳定系数有所减少，减小幅度均在2%以内。

表3 施工阶段1阶弹性屈曲失稳模态结果

在运营阶段，在各计算工况下，结构弹性稳定系数均远大于《公路斜拉桥设计规范》和《公路斜拉桥设计细则》中斜拉桥弹性稳定系数应大于4的要求，安全富裕量大，如表4所示。

表4 运营阶段弹性屈曲失稳模态结果

在运营状态下，结构在无风和有风时，弹性稳定系数几乎不变或者变化很小，减小幅度均在1%以内，结构稳定性主要是由恒载和列车荷载的分布形式决定。

5 动力分析

5.1 自振特性计算

采用Midas/Civil建立主桥动力有限元模型，将二期恒载转换为质量，主桥前10阶自振频率及振型如表5所示。

表5 主桥前10阶自振频率及振型特征

5.2 车桥耦合计算

高速铁路有较高的行车舒适性要求，桥梁刚度控制，对变形要求较高。对本桥车桥耦合分析，模型计算了CRH3、E500通过桥梁时车桥系统空间动力响应，列车编组及计算工况如表6所示[16]。

表6 列车编组计算工况

当CRH3、E500以120～180 km/h速度通过该桥时，在计算工况下，桥梁的动力响应均在容许值以内，列车行车安全性满足要求；列车竖、横向振动加速度满足限值要求；当CRH3、E500以120～180 km/h(桥梁设计速度段)通过该桥时，列车乘坐舒适性均能够达到“优秀”标准，以180 km/h(检算速度)通过该桥时，列车乘坐舒适性为“良好”标准。

5.3 主桥抗震分析

本桥采用反应谱和时程反应进行抗震分析，经分析采用0.2g抗震支座，各项指标均满足《铁路工程抗震设计规范》的要求，结构设计合理，安全可靠。

6 结论

(1)采用(32+138+138+32) m独塔斜拉桥形式，先平行于既有铁路支架现浇主梁，再转体至施工线位，最大限度减小对桥下既有高铁的影响，保障净空。

(2)本桥为大纵坡弯桥，整体受力、线形控制应充分考虑纵坡、曲线半径等结构空间效应和斜拉索的非线性和松弛等影响。

(3)高铁独塔斜拉桥与矮塔斜拉桥在结构布置及受力性能方面呈现较大差异，对其设计需充分考虑二者力学行为特性；对于独塔斜拉桥索塔细部及配筋优化设计明显改善结构受力，为施工期及后期换索结构受力合理提供有力保障。

(4)客运专线为保障行车舒适性，要求结构刚度大，变形小。本桥结构受力合理，刚度大，兼顾常规斜拉桥跨越能力优势的同时，能适应客运专线大跨桥梁的发展需要，增大了该结构体系的工程应用范围。

[1] 曾甲华，刘智春，陈裕民，等.转体施工钢箱梁独塔斜拉桥设计[J].世界桥梁，2016，44(4)：11-15.

[2] 李巍，石振武，姜洪伟，等.寒区独塔斜拉桥支架施工控制过程仿真分析[J].中外公路，2015，35(1)：122-125.

[3] 严国敏.现代斜拉桥[M].成都：西南交通大学出版社，1999.

[4] 张文才.转体斜拉桥转体体系施工技术与造价分析[J].铁路工程造价管理，2010(11)：25-31.

[5] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—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] 朱志营，齐成龙.铁路桥梁正常使用极限状态可靠度校准研究[J].铁道标准设计，2015，59(1)：80-83.

[8] 刘士林，王似舜.斜拉桥设计[M].北京：人民交通出版社，2006.

[9] 殷志祥，高哲，冯瑶.车辆荷载作用下斜拉索疲劳可靠度分析[J].工业建筑，2017，47(6)：163-167.

[10] 张乃乐.大跨度铁路斜拉桥换索方案设计与受力性能分析[J].铁道标准设计，2017，61(4)：79-82.

[11] 尹书军.怀邵衡铁路沅江特大桥主桥设计[J].铁道标准设计，2016，60(9)：68-70，78.

[12] 鲁志强，陈松.大跨铁路斜拉桥索塔环向预应力布束方案计算比较研究[J].铁道标准设计，2012(4)：74-79.

[13] 叶华文，李翠娟，徐勋，等.独斜塔斜拉桥预应力索塔锚固区模型试验研究[J].西南交通大学学报，2014，49(1)：52-58.

[14] 吴大宏，王立中，张帅，等.津保矮塔斜拉桥空间分析研究[J].铁道工程学报，2013，30(4)：56-60，119.

[15] 邓晓光，卢志芳，李倩.三塔斜拉桥主梁节段施工非线性稳定性分析[J].桥梁建设，2015，45(2)：116-121.

[16] 宋子威，杨利卫，王德志.福平铁路乌龙江(144+288+144)m部分斜拉桥主桥设计[J].铁道标准设计，2017，61(11)：42-46.