高烈度震区大跨度铁路混合梁斜拉桥主梁设计

刘 龙，李恩良，杜宝军

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

混合梁斜拉桥桥式的边跨混凝土梁段对主跨的锚固作用强，可以提高主跨的竖向刚度，同时降低全桥的用钢量，经济性存在一定优势，因此铁路箱梁斜拉桥宜采用混合梁主梁形式[1-3]。自宁波铁路枢纽北环线甬江特大桥后[4]，国内陆续设计建造了多座大跨度箱梁铁路斜拉桥[5-9]，表1统计了已建或在建的几座典型铁路箱梁斜拉桥的跨度.设计地震加速度.梁高.挠跨比等参数，根据统计结果可知，在8度及以上的高烈度震区还没有铁路箱梁斜拉桥建成。

表1 国内部分已建或在建的铁路箱梁斜拉桥

国内地震活动频度高.强度大，华北.西北.西南大部分地区均属于高烈度震区，有必要对高烈度震区大跨度铁路混合梁斜拉桥设计开展研究，以新建包头—银川铁路乌海黄河特大桥工程为背景，介绍该桥主梁的设计方案及抗震计算方法，为高烈度震区同类型桥梁主梁设计提供借鉴。

1 工程背景

新建包头—银川铁路正线为双线高速铁路，设计速度250 km/h，采用有砟轨道。包银铁路乌海黄河特大桥在乌海市海南区与石嘴山市惠农区交界处跨越黄河，左岸为宁夏石嘴山市惠农区，右岸为内蒙乌海市海南区，现状河槽宽约240 m，包银铁路线位与黄河现状河槽交角为101°。桥位处地震动峰值加速度0.2g，反应谱特征周期0.40 s，地震基本烈度为8度。

受防洪.通航等因素制约，主桥采用1-(80+80+260+80+80)m斜拉桥，整联长582.4 m。主桥整体为双塔5跨式斜拉桥，边跨设置辅助墩，桥面以上有效塔高72.5 m，采用混合主梁，半漂浮结构体系。乌海黄河特大桥主桥立面布置如图1所示。

图1 乌海黄河特大桥主桥立面布置(单位：m)

2 主梁结构设计

2.1 梁高

主梁是列车直接作用的结构，承受二期恒载.列车竖向力.斜拉索力.横向风力等。斜拉桥主梁设计基本上为索梁协同刚度控制，目前在建或已经建成的同类型箱梁斜拉桥竖向挠跨比一般控制在1/700左右，梁高一般在4.0～5.0 m。

因此，在有效塔高73 m.斜拉索12对.索间距10.5 m的前提下，针对不同梁高对主梁的刚度.材料用量等指标进行对比。

由表2可得如下结论。

表2 不同梁高情况下刚度.变形及材料用量

(1)随着梁高的增加，双线静活载作用下主跨中的挠度逐渐减小，梁端转角逐渐减小。当梁高为4.0 m时，主梁中跨的挠跨比大于1/700。

(2)梁高增加，主体结构自重增大，会导致斜拉索.主塔.下部结构及其他部件工程量的增大，进而增加了抗震设计的难度。

另外，从受力角度分析，若进一步减小梁高，会削弱主梁的抗弯性能，梁高的减小往往会大幅增加混凝土箱梁顶底板的厚度，降低预应力的效率。

3种梁高方案均可行，梁高4 m时主梁自重最轻.工程量最少，但主梁竖向刚度最小，中跨的挠跨比大于1/700。因此，从降低抗震设计难度.技术可行.经济适用.确保安全的角度综合考虑，推荐主桥梁高采用4.25 m(梁底至挡砟墙内侧0.2 m处)，中心梁高4.336 m，该梁高与已建成的类似桥梁相比较为适中。

2.2 梁段划分

本桥钢箱梁标准节段长10.5 m，钢混结合段长5.25 m，边跨合龙段长5.25 m，中跨合龙段长1.5 m，主塔两侧各11.75 m范围设底板铁砂混凝土压重。混凝土分为3个节段，A节段长46 m，B节段长58.2 m，C节段长17 m。主梁梁端划分如图2所示。

图2 主梁梁段划分示意(单位：m)

2.3 钢箱梁

钢箱梁为正交异性板结构，采用Q370qE钢板。结构由顶板.上斜顶板.下斜底板.底板及竖腹板围封而成。根据受力和刚度过渡要求，钢箱梁分5个区.4个梁段类型，在不同区段采用不同的板厚，其中，顶.底板厚16 mm，主塔处渐变加厚至28 mm；中纵腹板厚18 mm，主塔处渐变加厚至28 mm；边纵腹板厚36 mm。

顶板采用U肋加劲，U肋高280 mm，开口宽300 mm，底宽200 mm，板厚8 mm，横向间距600 mm；底板采用U肋加劲，U肋高260 mm，开口宽400 mm，顶宽250 mm，板厚8 mm，横向间距700 mm或750 mm；中纵腹板采用板肋加劲，共设200 mm×18 mm.240 mm×22 mm.260 mm×24 mm三种规格，竖向间距600 mm；边纵腹板采用板肋加劲，规格为260 mm×24 mm，竖向间距800 mm；风嘴仓内顶板.底板及风嘴边板采用板肋加劲，顶板板肋规格为200 mm×18 mm，底板及风嘴边板板肋规格为160 mm×16 mm[10-14]。钢箱梁的截面形式如图3所示。

图3 钢箱梁截面(单位：mm)

主梁采用现场熔透焊接施工，加劲肋采用拼接板拼接方式。

2.4 混凝土箱梁

混凝土箱梁采用C55混凝土，三向预应力体系，单箱5室等高截面，外形与钢箱梁一致。混凝土箱梁一般截面顶板.底板.中腹板板厚均为35 cm，边腹板板厚40 cm。吊点处设置40 cm厚横隔板，节间不设置横隔板，辅助墩顶.无索区中间及梁端各设置1处横隔板，钢混结合段及辅助墩附近顶板.底板.腹板局部加厚，吊点处边腹板局部加厚，预埋锚拉板。混凝土梁段采用满堂支架分段现浇形式。混凝土箱梁的截面形式如图4所示。

图4 混凝土箱梁截面(单位：cm)

3 主梁抗震设计

为降低全桥的地震响应，高烈度震区混合梁斜拉桥主梁抗震设计主要考虑2点原则：(1)确定合理的钢-混分界面位置，尽量减轻主梁自重；(2)选择合理的抗震约束体系。

3.1 钢-混分界面位置

铁路混合梁斜拉桥通常将钢-混分界面设置在主跨内靠近桥塔处，以获得更大的竖向刚度及经济效益，如宁波北环线甬江特大桥.汉巴南铁路嘉陵江特大桥.昌赣客专赣江特大桥等。但这样设计会导致主梁自重过大，增大桥梁的地震响应，不利于抗震设计。

兼顾抗震设计与经济性，将钢-混分界面位置设在次边跨跨中，单侧混凝土梁段长121.2 m，钢箱梁段长340 m，与传统斜拉桥钢-混分界面的设置相比，主梁总重降低约20.8%。

3.2 抗震约束体系

桥体采用半漂浮结构体系，即塔墩固结.塔梁分离。主塔.辅助墩.边墩顶均设置竖向支撑钢支座，顺桥向可大位移滑动，横桥向线路一侧固定，另一侧满足正常滑动；在主塔两侧各设置2台纵向阻尼器.2台横向阻尼器，在辅助墩两侧各设置2台纵向阻尼器；在边墩.辅助墩顶设置横向防落梁装置。抗震约束体系示意如图5所示。

图5 抗震约束体系示意

在运营工况时，主梁纵向处于半漂浮状态，阻尼器不发生作用，支座纵向仅发生正常滑动位移；在横向固定支座限制下，主梁横向可自由伸缩。

在地震工况时，主梁纵向处于半漂浮状态，阻尼器开始发挥作用，支座纵向开始产生大位移滑动；横向多遇地震作用时，在横向固定支座限制下各支座横向发生正常滑动位移，横向固定支座承受横向地震力；横向罕遇地震作用时，横向固定支座剪力销剪断，防落梁装置及主塔与主梁间的横向阻尼器开始发挥作用。

3.3 阻尼器参数比选

液体黏滞阻尼器其黏滞阻尼力(出力)与速度的关系见式(1)[15-18]

F=CVα

(1)

式中，C为黏滞阻尼系数，kN/(m/s)α；V为黏滞消能器变形速度；α为非线性速度指数，原则上结构用阻尼器的α取值一般在0.3～1.0，对阻尼器速度指数的优化和使用经验都显示采用0.3～0.5的非线性速度参数较为理想。

设计过程中对采用不同参数C.α时主梁位移.塔顶位移.主塔弯矩以及阻尼器出力情况进行了对比研究，研究结果见表3.表4。

表3 纵向阻尼系数及指数对比

表4 横向阻尼系数及指数对比

研究表明：

(1)随着横向黏滞阻尼系数增大，结构相关横向位移逐渐减小，塔柱横向弯矩逐渐减小，阻尼器输出力逐渐增大，阻尼器尺寸逐渐增大。在结构受力满足要求的前提下，考虑梁底空间推荐横向黏滞阻尼器系数取4 000 kN/(m/s)α。

(2)随着横向阻尼指数增大，结构相关横向位移逐渐增大，塔柱横向弯矩逐渐增大，阻尼器输出力逐渐减小。在满足结构受力前提下，结合工程常用参数推荐横向阻尼器的阻尼指数取0.3。

(3)随着纵向黏滞阻尼系数增大，结构相关纵向位移逐渐减小，塔柱纵向弯矩逐渐增大，阻尼器输出力逐渐增大，阻尼器尺寸逐渐增大，推荐纵向黏滞阻尼器系数取5 000 kN/(m/s)α。

(4)随着纵向阻尼指数增大，结构相关纵向位移逐渐增大，塔柱纵向弯矩逐渐增大，阻尼器输出力逐渐减小。结合工程常用参数推荐纵向阻尼器的阻尼指数取0.3。

通过上述研究，最终采用的阻尼器参数见表5。

表5 阻尼器设计参数

4 主梁计算情况

采用MIDAS Civil有限元程序建立主桥模型(图6)，主梁.主塔采用梁单元，斜拉索采用桁架单元，斜拉索的垂度效应采用等效弹性模量法模拟[19-20]，计算荷载包括恒载.混凝土收缩徐变.预应力效应.沉降作用.ZK活载及其动力效应.制动力.温度荷载.风荷载.冰压力等，并按主力.主附等进行荷载组合。

图6 全桥有限元模型

4.1 主桥刚度

经计算，双线静荷载作用下主跨最大竖向位移362 mm，挠跨比1/718；横向风力.温度等作用下，主梁跨中横向变形最大为29.7 mm，挠跨比为1/8 754；梁端转角1.302‰。

4.2 主梁强度检算

主梁应力结果见表6。

由表6可知，混凝土梁的应力均满足TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》及TB 10091—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》要求。

表6 主梁应力结果 MPa

4.3 车桥耦合振动仿真分析

对CRH2客车以速度150～300 km/h通过桥梁时的车-桥系统空间耦合振动进行了动力学仿真计算与分析研究，计算中考虑了单线及双线行车，计算结论如下。

(1)当CRH2型车以速度150～250 km/h通过该桥时，在上述计算工况下，桥梁的动力响应均在容许值以内，列车横.竖向振动加速度满足限值要求，列车行车安全性能满足要求，乘坐舒适性达到“良好”标准以上。

(2)当CRH2型车以速度275～300 km/h通过该桥时，在上述计算工况下，桥梁的动力响应均在容许值以内，列车横.竖向振动加速度满足限值要求，列车行车安全性能满足要求，乘坐舒适性能够达到“合格”标准以上。

5 结语

包银铁路乌海黄河特大桥是国内首座位于高烈度震区的高速铁路斜拉桥，具有高烈度震区.跨度大.竖向刚度弱等设计难点，依托该桥对主梁结构及抗震设计开展研究，得到以下结论。

(1)综合考虑抗震设计难度.技术可行.经济适用.确保安全等因素，确定了主梁梁高.节段长度.箱梁板厚等技术参数。

(2)为降低桥梁的地震响应，将钢-混分界面设在次边跨跨中，与传统斜拉桥的钢-混结合面的设置位置相比，主梁总重降低20.8%。

(3)采用竖向钢支座+纵横向阻尼器+防落梁装置的支承约束体系，地震时依靠纵横向阻尼器耗能，依靠防落梁装置限位。

(4)综合考虑结构位移.桥塔内力.阻尼器出力及阻尼器尺寸等因素，确定了本桥纵横向阻尼器的设计参数。

基于以上研究结论的主梁计算结果表明，其强度.刚度.行车安全性及乘坐舒适性均能满足规范相关要求，研究成果可为高烈度震区大跨度铁路混合梁斜拉桥的主梁设计提供参考。