某跨铁路转体斜拉桥设计研究

华 波 刘 钥 董高潮 李 洋 李方涛

(1.中国市政工程西北设计研究院有限公司 兰州 730030； 2.中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063)

1 工程概况

跨庐山站立交工程位于江西省九江市发展大道与铁路走廊带相交位置，是九江市新建快速路系统工程的重要节点工程。桥位距离庐山站以南约1.1 km，在铁路走廊带185 m范围内依次穿越14股现状、规划预留线。

前期针对主桥共提出了99 m+244 m+110 m双塔单索面预应力混凝土斜拉桥、68 m+102 m+225 m单塔双索面钢箱梁斜拉桥、115 m+115 m单塔双索面预应力混凝土斜拉桥、218 m等高度钢系杆拱桥4个桥型方案。2013年7月中国铁路总公司运输局《关于穿(跨)越高速铁路营业线和邻近工程等方案审查有关问题的通知》(运工桥隧函[2013]316号)规定：“当确须采用上跨铁路方案时，应采用上跨结构转体施工”[1]。为保证施工期间铁路的运营安全，尽量减少施工及后期桥梁维修对铁路的干扰，经专家评审和铁路、规划等相关部门讨论后，选用双塔预应力混凝土梁结构，并采用平面转体施工法进行施工[2-3]。主桥采用双塔单索面预应力混凝土斜拉桥，孔跨布置为99 m+244 m+110 m=543 m，子、母塔转体质量分别为3.1万t和3.4万t[4]。桥梁总体布置图见图1。

图1 桥梁总体布置图(单位：m)

2 结构体系比选

在混凝土斜拉桥中，根据塔柱、主梁和桥墩三者固结方式的不同，可以组成4种不同的结构体系，即漂浮体系、支承体系、塔梁固结体系和刚构体系[5]。

考虑到本桥上跨铁路走廊带，跨径较大，若采用塔、梁固结体系，本桥竖向荷载较大，则需要设置大吨位的支座，以支承上部结构在运营期间产生的巨大支反力，支座吨位难以满足目前的制造工艺要求，且后期无法更换，故本桥设计不采用适用于小跨径斜拉桥的塔梁固结体系。

考虑到桥址处地震基本烈度为VI度，设计基本地震动加速度峰值为0.05g，抗震计算不控制设计，而本桥属于中等跨度斜拉桥，运营工况控制结构计算，故本桥设计不采用适用于超大跨度斜拉桥的漂浮体系。

考虑到本桥下塔墩高度约20 m，此高度区间正处于支撑体系与刚构体系的交界点。若采用支撑体系，则主梁内力在塔顶支承处出现一定的负弯矩峰值，制动力、温度和收缩徐变时产生较大的水平力，需要能够承受巨大水平力的特殊支座或其它构造措施。对本桥而言，主梁采用支架浇筑后转体施工，转体期间需临时固结塔、梁、墩，在刚构体系无法实现的情况下可考虑支撑体系。

刚构体系的特点是塔、墩、梁固结，其优点是避免大型支座，转体施工时减少了主梁与索塔临时锁定构造，而且结构的整体刚度很大，使得主梁、塔柱的挠度均较小；但温度和收缩徐变内力较大，且在主梁、塔、墩固结处负弯矩较大。由于本桥采用超大吨位转体施工，并存在临近既有铁路的深基坑，因此在满足结构受力要求的前提下，从施工的便利性、后期维护等因素出发优先选择刚构体系。

2.1 下塔墩结构形式及尺寸确定

采用刚构体系的斜拉桥桥墩通常采用双薄壁和空心墩截面形式。下文就此2种截面进行结构受力性能对比，下塔墩2种截面结构尺寸布置见图2。双薄壁墩和空心墩内力比较见表1。

图2 下塔墩2种截面结构尺寸布置图(单位：m)

表1 双薄壁墩和空心墩内力比较表

由表1可见，采用空心墩截面的内力远远大于双肢薄壁墩截面。经分析，刚构体系对温度和收缩徐变效应比较敏感，空心墩的刚度比双肢薄壁墩大，结构弯矩在温度和收缩徐变下的弯矩远远大于双肢薄壁墩。而双肢薄壁柔性墩，抗推刚度较小，在一定程度上能够随着温度的变化而伸缩。有效降低温度、混凝土徐变等引起的次内力，从而减小墩身弯矩。双薄壁截面形式结构内力较小，下部结构桩基础和承台具有较好的经济性，故推荐采用双薄壁实心墩。

2.2 双薄壁墩设计参数分析

本次设计研究了在墩宽(16 m)一定的情况下，双薄壁采用不同厚度S对下塔墩关键截面内力的影响，双薄壁墩墩身厚度变化对墩底内力的影响见表2。

表2 双薄壁墩墩身厚度变化对墩底内力的影响

注：表中的比值均为与塔柱壁厚1.0 m的内力比值，弯矩值仅考虑关键因素即恒载和温度对墩底内力的影响。

由表2可知，薄壁敦厚度S变化对双肢墩底内力影响很大，特别是墩底弯矩随S的增加而急剧增大，当S从1 m增至2 m时，边跨侧和中跨侧肢墩的墩底弯矩增大约5倍。在结构作用下，双肢墩底均产生向中跨方向弯曲的弯矩，故边跨侧肢墩的墩底轴力随着S的增大而逐渐减小，比值变化范围为由1减至0.93，而中跨侧肢墩的墩底轴力随着S的增大而逐渐增大，比值变化范围为由1增至1.3。

从表2中可以看出轴力变化在S为1.1～1.2 m间出现拐点，当S从1 m增大至1.1 m时，中跨一侧肢墩的墩底轴力大于边跨一侧的肢墩；当S从1.2 m增大至2.0 m时，中跨一侧肢墩的墩底轴力小于边跨一侧的肢墩。故取塔柱壁厚S为1.2 m，此时边跨侧与中跨侧的轴力和弯矩值基本相等。

综上所述，下塔墩选用双肢薄壁墩截面，壁厚S=1.2 m，结合塔柱的纵向尺寸9.0 m，双肢间距为7.8 m。

3 BIM技术应用

跨庐山站立交工程主桥初步设计采用BIM正向设计，为国内第一座采用BIM正向设计的转体斜拉桥。

根据《中国市政工程设计行业BIM指南》，本桥初设BIM模型满足桥梁工程模型几何表达精度等级G2级要求；满足信息深度等级N2级要求；满足模型精细度交付等级L2级。桥梁总体布置BIM图见图3。

图3 桥梁总体布置BIM图

3.1 主梁结构

主梁采用单箱三室大悬臂预应力混凝土箱梁，采用C55混凝土，中心梁高为3.5 m，顶宽42.0 m，设1.5%双向横坡。底宽16.0 m，边箱箱室宽12.0 m，中箱箱室宽5.0 m，悬臂4.5 m，端部厚20 cm，根部厚70 cm，中腹板厚度0.5 m。中(边)跨标准节段主梁顶板厚28 cm，底板厚28(32) cm，中腹板厚50 cm，斜腹板厚28(32) cm。主梁标准断面布置BIM图见图4。

图4 主梁标准断面布置BIM图

为防止主梁在施工中出现裂缝，主梁断面在顶、底板中均匀配置施工纵向预应力束，边跨与中跨合龙处配置顶、底板合龙预应力束，施工预应力钢束布置BIM图及边、中跨合龙预应力钢束布置BIM图见图5～图7。为减小后期收缩徐变产生的次内力，中跨合龙前可以先张拉一批预应力钢束。

图5 施工预应力钢束布置BIM图

图6 边跨合龙预应力钢束布置BIM图

图7 中跨合龙预应力钢束布置BIM图

为平衡主跨与边跨不平衡恒载及活载在此产生的负反力，在临近端横梁的边跨密索区边箱室内设置铁沙混凝土进行压重，另将2.0 m厚的端横梁设计成梯形实体段。

3.2 斜拉索及锚固构造

斜拉索采用扇形索面布置，斜拉索安装时在塔端张拉，主梁端锚固。斜拉索梁上索间距边跨侧为6.0 m、梁端加密索间距至3.0 m、中跨侧为6.0 m。斜拉索采用7丝Фs15.2热镀锌钢绞线(fpk=1 860 MPa)。斜拉索采用定型产品，规格分别为：250A-55，250A-61，250A-73，250A-85，250A-91和250A-109。

3.3 桥塔结构

本涉铁工程采用不对称孔跨设计，桥塔采用独柱形子母塔。子塔高79 m，桥面以下塔墩高度22 m，桥面以上塔高57 m；母塔高83 m，桥面以下塔墩高度20 m，桥面以上塔高63 m。桥塔采用矩形刻槽截面，上塔柱作为索锚区采用空心箱形截面，尺寸为9 m×3.8 m，塔身纵桥向刻2道1.5 m长、0.1 m深的槽，采用C60混凝土，下塔墩选用双肢薄壁墩截面。桥塔及基础布置BIM图见图8。

图8 桥塔及基础布置BIM图

4 穿塔段构造处理

梁、塔、墩交接位置处主梁截面纵桥向与主塔截面等长，为9 m；横桥向与下塔墩截面等宽，为16 m。交接位置区域共设3道横隔梁，横隔梁纵向间距4.2 m、厚度为0.6 m，中腹板厚度在与塔墩梁固结实体段相交区域腹板厚度由0.5 m渐变至1.5 m。塔墩梁固结段构造BIM图见图9。梁、塔、墩交接位置处往往受力比较复杂，作者对穿塔段周围构造进行了实体分析，为了缩减论文的篇幅，本文仅列举了穿塔段截面和标准截面在恒载工况下实体截面的轴向应力情况。恒载工况下穿塔段、标准截面轴向应力图见图10。

图9 塔墩梁固结段构造BIM图

图10 恒载工况轴向应力(单位：MPa)

由图10可见，标准截面和穿塔段截面在恒载作用下，整个横截面应力分布较为均匀，基本符合平截面假定，传力较为合理，说明塔墩梁固结段构造处理较为合适。

5 转体系统比选

5.1 转体系统方案及原理

转体系统主要由支撑系统、牵引系统和平衡系统三大部分组成。支撑系统由上、下转盘构成，上转盘支承上部转体结构，下转盘和承台相连，通过上转盘相对于下转盘的转动，达到转体目的；顶推牵引系统由反力和施力设备构成，提供转体转动动力；平衡系统由结构本身及保证转体平衡的平衡荷载(配重)组成[6-7]。目前，不同转体系统的支撑系统和平衡系统大体一致。

本文针对牵引系统的不同提出2种方案，方案一为传统的钢绞线拽拉式转体系统；方案二为齿轮齿条式驱动转体系统。方案一、二转体系统结构图见图11、图12。

图11 方案一转体系统结构图(单位：cm)

图12 方案二转体系统结构图(单位：cm)

如图11、12所示，方案一在转盘内预埋牵引索，在承台上设置牵引反力座为转体系统提供转体牵引力和扭矩；方案二通过设置支撑驱动系统为整个转体系统提供抗倾覆力矩及转体牵引力。转体时，电机驱动齿轮旋转，由于齿条固定在滑道上，因此，齿轮旋转的同时带动减速机架、台车架、撑脚及上转盘一起旋转，达到转体目的。

5.2 转体系统比选

2种转体系统各有优缺点，比较结果见表3。

表3 2种转体系统优缺点比较表

综上比较，从施工难易、经济性、施工期间对铁路运营的影响等因素考虑，推荐采用价格低且技术成熟的钢绞线拽拉式转体系统。

5.3 转体体系结构及基础

主桥采用平面转体施工法跨越既有铁路，转体结构(见图11)设置在主塔塔柱底部，由转盘、球铰、撑脚、环形滑道、牵引系统、助推系统和临时支撑及锁定等部分组成[7-8]。

转体系统采用球面直径6.0 m、球体半径10.0 m的钢球铰，设计竖向承载力为3.4×105kN。下转盘设置转动系统的下球铰、环形下滑道及8组千斤顶反力座。上转盘长16 m、宽17 m、高2.0 m；转台直径15.6 m，高度1.1 m。主塔基础采用八边形承台，截面尺寸为24.0 m×29.0 m×5.8 m，外侧设置6.0 m×6.0 m的倒角。

6 结语

1) 对主桥进行了体系比选，在满足结构受力要求的前提下，从施工的便利性、后期维护等因素出发选择采用塔、墩、梁固结的刚构体系；对下塔墩截面进行对比分析采用结构受力较小、对下部结构具有较好经济性的双薄壁实心墩；并对双薄壁采用不同厚度进行参数分析，选择了较优的厚度。

2) 主桥初步设计全程采用BIM正向设计，是国内第一座采用BIM正向设计的斜拉桥。

3) 对穿塔段构造进行了实体分析，结果表明标准截面和穿塔段截面应力分布较为均匀，传力较为合理，塔墩梁固结段构造处理较为合适。

4) 针对钢绞线拽拉式与齿轮齿条驱动式2种转体系统进行对比，从经济性和对既有铁路运营的影响等因素进行比选，采用钢绞线拽拉式转体系统。