铁路高墩大跨T构矮塔斜拉桥设计研究

陈 平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

高墩大跨T构矮塔斜拉桥是一种介于PC连续刚构和PC斜拉桥之间的一种组合体系桥型，具有塔矮、梁刚、索集中的结构特点。其受力特征是以主梁受弯、受剪来承担大部分荷载，斜拉索对主梁起加劲作用并承担一部分荷载，相当于一般PC梁桥的体外预应力索。近年来，随着我国山区铁路建设，修建了大量的高墩大跨刚构桥及矮塔斜拉桥，但高墩大跨T构矮塔斜拉桥设计研究相对较少。本文以瓮安河大桥为例，介绍铁路高墩大跨T构矮塔斜拉桥的设计研究，为今后复杂山区同类铁路桥梁设计提供借鉴[1-4]。

1 工程概况

瓮安河大桥位于贵州省瓮安县境内，桥梁跨越两山之间深切V形深谷，山势极为陡峭，两岸地势起伏较大，相对高差约25 m。两岸植被多为树林、灌木及杂草。瓮安台基岩出露不良，多为块石、滚石，只有局部地区有基岩裸露。两岸无公路，无便道，交通不便。桥区内表层为第四系全新统残坡积(Q4el+dl)粉质黏土层，主要分布在丘坡上；下伏地层为下第三系(E)钙质角砾岩及二叠系上统长兴组(P2c)灰岩。

瓮安河大桥设计流量为2 815.65 m3/s，设计水位为823.67 m，设计流速为8.83 m/s。线路法线与水流方向垂直。桥址区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期分区为0.35 s。

考虑小里程侧横向地形陡峭，无设置拱桥拱脚等的地形地貌情况，考虑结构的力学性能、景观效果、施工难度、工程经济性等方面设计控制要素的影响，该桥桥型采用T构矮塔斜拉桥。孔跨布置为 (155+155)m，中支点梁底以下塔高130 m，设计施工难度较大，为同类桥梁之最。全桥立面布置如图1所示。

图1 全桥立面布置(单位：cm)

2 主要技术标准

主要技术标准为：①线路等级,国铁Ⅰ级；②正线数目,单线，有砟轨道；③设计速度,120 km/h；④设计活载,ZKH活载。

3 主桥结构设计

本桥采用塔墩梁固结体系,主梁采用C55混凝土，索塔及桥墩采用C50混凝土，承台及桩基础采用C30混凝土[5]。

3.1 主梁构造

主梁采用变截面预应力混凝土箱梁，梁宽9.0 m，梁高由中支点14.0 m变化至跨中的5.0 m，梁底曲线为抛物线。顶板厚42 cm，主塔处加厚至150 cm，腹板厚45～90 cm，底板厚35～150 cm。斜拉索与主梁之间锚固采用箱外混凝土齿块锚固，锚固处对应设置箱内横梁。主梁跨中横断面如图2所示。

图2 主梁跨中横断面(单位：cm)

3.2 塔墩构造

塔墩总高184 m，桥面以上塔高40 m，桥面以下塔高130 m。主塔与主梁固结，固结处高度为14 m。上塔柱为H形桥塔，总高40 m，采用矩形实心截面，纵向尺寸为4.0 m，横向尺寸为2 m，下部采用顺桥向分叉结构与主梁衔接。桥面以下墩柱截面采用矩形空心截面，纵横向均设置坡度，横向呈A形，纵向尺寸由墩顶10 m变化至墩底的16 m，桥墩墩顶横向尺寸为10 m，墩底为双肢矩形截面，两肢中心距离为18 m。塔墩布置如图3所示[6-8]。

图3 塔墩布置(单位：cm)

3.3 斜拉索构造

斜拉索采用55-15.2 mm的高强度低松驰钢绞线，斜拉索在上塔柱上采用V形分丝管索鞍[7]。斜拉索关于索塔对称布置，全桥共20对斜拉索，最内侧索距离塔中心46 m，索在梁上的纵向间距为8，10 m，在塔上的竖向间距为1 m，最外侧索的水平夹角为18°。

3.4 基础

根据地形及地质情况，主墩基础按照柱桩设计，采用24-φ2.8 m钻孔灌注桩，桩长12 m，承台尺寸为23.0 m×35.0 m×5.0 m。

3.5 施工方法

本桥桥塔采用液压爬模法施工，主梁采用对称悬臂挂篮浇筑，同时张拉斜拉索的施工方法。主要施工步骤如下：①首先采用爬模法分段进行主塔塔身施工；②利用托架施工塔梁固结0号块，在0号块上拼装挂篮，对称悬浇塔柱两侧的1号梁段；③对称悬浇两侧主梁梁段直至合龙段，支架现浇边直段，合龙成桥；④最后施工桥面工程和附属结构，通车运营。

4 结构计算结果

采用MIDAS/Civil建立整体有限元模型，主梁索塔采用梁单元，斜拉索采用桁架单元模拟，全桥共有290个单元，296个节点。

4.1 主梁检算结果

采用影响线加载，在静列车活载作用下跨中最大下挠值85.2 mm，挠跨比1/1 819，其竖向刚度满足行车要求。在竖向静活载作用下，梁端最大转角2.7‰，满足桥台与桥梁之间梁端转角小于3.0‰的要求。在列车横向摇摆力、横向风力和温度作用下，主梁最大水平挠度48.9 mm，挠跨比1/3 169，横向刚度值满足该桥的行车要求。

4.2 斜拉索检算结果

斜拉索采用镀锌钢绞线，破断安全系数按照2.5控制，疲劳应力幅按照100 MPa控制。主+附工况下，斜拉索最大应力值668.4 MPa，安全系数为2.8，疲劳荷载作用下斜拉索最大疲劳应力幅为38.3 MPa，均满足规范要求。

4.3 索塔检算结果

各工况下索塔截面处于全截面受压状态;主+附工况下，最大压应力值-22.3 MPa，满足规范要求。

4.4 稳定性分析

对裸墩、最大悬臂、成桥运营3个关键施工阶段的最不利工况进行稳定性分析，3个阶段荷载工况分别为：①裸塔阶段,自重、风荷载。②最大悬臂阶段,自重+节段浇筑差+施工不平衡堆载+单侧挂篮跌落+风荷载。③成桥阶段,自重+二期恒载+列车活载单侧布置+风荷载。

裸塔阶段结构一阶失稳模态为横向失稳，稳定系数为21.9，稳定系数值较大，其稳定性满足要求。

最大悬臂阶段结构一阶失稳模态为横向失稳，稳定系数为8.9，满足规范弹性屈曲稳定系数>5的要求，其稳定性满足要求,见图4。

图4 最大悬臂阶段失稳模态

成桥运营阶段结构一阶失稳模态为横向失稳，稳定系数为22.9，该阶段稳定系数明显高于最大悬臂阶段，其稳定性满足要求。

5 结语

在山区铁路中，由于其特殊的地形、地貌及地质特

点，考虑景观性、施工难度及经济性，高墩大跨T构矮塔斜拉桥不失为一种合理的桥型。高墩大跨T构斜拉桥的索塔纵横向刚度及稳定性是该桥设计的关键，本桥塔墩横向采用了人字形造型，并设置了横梁，纵向适当放坡等结构构造，索塔纵横向刚度及静、动力稳定性均满足设计要求。该类桥型结构合理，力学性能良好，且施工难度和经济指标相对较低，对于深谷地区具有良好的应用前景，为山区铁路桥梁的设计提供了一种新思路。