喀腊塑克水库特大桥主桥设计分析

邓创成

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

1 工程概况

本桥位于新疆阿尔泰低山丘陵区，为跨越喀腊塑克水库而设。喀腊塑克水库是额尔齐斯河干流上具有不完全多年调节功能的控制性工程，也是引额供水工程中重要的水源工程之一。喀腊塑克水利枢纽工程为大(1)型Ⅰ等工程。水库总库容24.19亿m3，调节库容19.18亿m3。两岸山体基岩出露，桥位右岸阿勒泰侧山势较缓，自然坡度约30°，左岸富蕴侧岸边山势陡峻，切割强烈，自然坡度约65°。线路路肩与沟底的高差约102 m，该段出露地层为第四系全新统冲积卵石土，两侧出露基岩为上石炭统片岩。大里程河岸常年受水流冲刷，山体陡峭，岩性为上石炭统片岩，节理、片理发育，表面岩体经剥蚀风化十分破碎，部分发生崩塌。桥址处场地地震动峰值加速度0.17g(相当于地震基本烈度Ⅶ度)，地震动反应谱特征周期0.45 s，场地类别为Ⅰ类[1]。

2 主桥方案及孔跨的确定

主桥桥位处地形起伏，喀腊塑克水库水面宽阔，水深达65 m左右，桥位大里程侧山坡陡峻，桥墩宜布设在陡坡稳定边坡内。考虑到陡坎设墩困难，深水基础施工难度大等因素，桥梁需一次性跨越深水水库及陡峭山坡段。

综合考虑，本次设计按桥梁主跨270 m跨越水库深水区及山坡陡坎。孔跨布置为9×32 m+(140+270+140)m矮塔斜拉桥+3×32 m+1×24 m预应力混凝土梁桥，桥全长981.49 m。主桥立面见图1。

图1 主桥立面(单位：cm)

3 矮塔斜拉桥设计

3.1 主桥结构尺寸

3.1.1 箱梁

梁体采用变高度箱梁，一联总长552.3 m，边支座中心至梁端距离0.75 m，计算跨度为(140.0+270.8+140.0)m。箱梁采用单箱单室直腹板箱型截面(见图2)，中支点梁高14.0 m，边支点梁高7.0 m；梁体下缘按1.8次抛物线变化，抛物线方程为y=0.001 211x1.8；箱梁顶宽9.0 m,底宽8.5 m；箱梁顶板厚0.6 m，底板厚0.5～1.2 m，边腹板厚0.55～0.95 m。梁体端部设置1.5 m厚隔墙，中部设置4.8 m厚隔墙，所有隔墙设置1.6 m×2.0 m过人洞，梁体端部及中部设置直径1.0 m圆形进人洞，箱梁腹板设置直径10 cm的通风孔[2-6]。

图2 箱梁断面(单位：cm)

3.1.2 主塔

桥塔高度为桥面以上38 m，钻石型结构，截面为7.0 m(纵向)×3.0 m(横向)的矩形，桥塔上部放坡比例1∶12.5，底部收坡比例1∶26.4。桥塔构造见图3。

3.1.3 斜拉索

斜拉索采用双索面扇形布置，全桥设置56对共112根拉索，梁上拉索水平间距6.0 m，塔部斜拉索竖向间距1.2 m。

图3 桥塔构造(单位：cm)

3.2 材料选择

箱梁梁体采用C55混凝土,混凝土弹性模量3.60×104MPa，极限抗压强度37.0 MPa，极限抗拉强度3.3 MPa。桥塔采用C50混凝土,混凝土弹性模量3.55×104MPa，极限抗压强度33.5 MPa，极限抗拉强度3.1 MPa。斜拉索采用φS15.2的钢绞线索体，全桥共M250-27,34,55三种规格，拉索锚固端位于桥塔侧，主梁侧为张拉端。张拉端和锚固端均采用M250系列锚具锚固，混凝土桥面处拉索设置永磁调节式磁流变阻尼器。

3.3 结构计算

3.3.1 荷载

恒载包括结构构件自重、附属设施质量(二期恒载)，不均匀沉降，混凝土收缩徐变，二期恒载采用值85 kN/m。活载采用单线中-活载，活载动力系数采用1.07。横向摇摆力取100 kN，其作用点在垂直线路中心线的钢轨顶面。箱梁整体升降温按整体升温15 ℃，整体降温30 ℃，桥面板升温根据规范为5 ℃。施工临时荷载挂篮重量(含施工机具、人员等)每套按 2 000 kN 计，合龙吊架重量300 kN。地震力按地震动峰值加速度0.17g计算。

荷载组合分别以主力、主力+附加力进行组合，取最不利组合进行设计，并对特殊荷载进行检算。

3.3.2 结构静力计算

施工及运营阶段采用西南交通大学“桥梁结构分析系统BSAS”对梁体、桥塔及斜拉索等进行检算。全桥共分为211个单元，其中箱梁117个单元，桥塔38个单元，拉索56个单元。结合施工流程，共划分95个施工阶段，第95阶段为运营阶段。运营阶段弯矩及剪力包络图见图4。主要计算结果见表1、表2。

图4 运营阶段包络图

表1 施工阶段静力计算结果

表2 运营阶段静力计算结果

3.3.3 结构动力计算

动力计算采用MIDAS有限元程序，将结构离散，计算中按照实际基础模拟基底弹性支撑，全桥共分350个单元[7]。结构前10阶自振特性如下表3。

表3 结构自振特性

3.3.4 结构动力仿真分析

根据西南交通大学桥梁结构振动研究室研制的桥梁结构动力分析程序BDAP V2.0，采用空间有限元方法建立该桥的全桥动力分析模型，对其空间自振特性进行计算[8]，主要结论如下：

1)桥梁振动性能

主桥跨中、塔顶等桥梁典型断面的最大动力响应均小于规范规定的限值，桥梁动力性能良好。

2)列车行车安全性

主桥在货车C80以速度60～90 km/h,客车以速度100～180 km/h通过时，车辆的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标均在限值以内,说明列车运行的安全性得到保障。

3)列车乘坐舒适性

主桥在C80货车以速度60～90 km/h通过时，重车、空车的竖向和横向运行平稳性均达到“优”；在SS+25K客车以速度100～180 km/h通过时，机车、客车的横向运行平稳性均达到“优”或“良”。

4 结语

矮塔斜拉桥结构性能介于斜拉桥和连续梁之间，具有以下的结构特点：

1)主梁的刚度大，以梁为主，索为辅，斜拉索实质上起体外预应力索的作用。

2)桥塔的建筑高度低，拉索的倾角小，拉索为梁提供较大的轴向力。

3)后期换索对行车运营干扰小，可在不中断行车仅限速的情况下进行。

4)矮塔斜拉桥的主梁可按常规梁式桥的悬灌法施工，且索力无须调整或调整有限，其施工控制的难度较一般斜拉桥大大降低，另外桥塔建筑高度的有效降低，可以大大降低桥塔的施工难度[9]。

喀腊塑克水库特大桥利用矮塔斜拉桥的特点，结合现场地形地质条件，通过对主桥的受力分析，可知主桥各项指标均满足规范要求，保证了桥梁结构在施工及运营阶段的安全性。