高速铁路三线独塔斜拉桥设计研究

余 浪,罗 艳

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031； 2.成都理工大学,成都 610059)

1 工程概况

某高速铁路位于四川地区，为节省工程投资，其正线与联络线跨越某河道时合修成一座三线桥。

桥位处河道江面宽阔，侵蚀堆积的漫滩、阶地地形平坦，沿江冲洪积河流堆积层较发育。两侧以构造剥蚀地形为主，构成方山台阶状丘陵地貌。丘槽相间，地形波状起伏。丘坡上基岩裸露，覆盖层薄。

根据区域地质勘察资料，桥址所在地层岩性较复杂，主要由第四系全新统人工弃土、人工填土、粉质黏土、粗圆砾土、卵石土及泥岩夹砂岩等组成。地下水主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，据钻孔揭露，地下水埋深0～15 m。桥址所在地区多年平均气温17.3 ℃，极端最高气温40.2 ℃，极端最低气温-5.4 ℃。年最大风速18.3 m/s，年平均风速1.2 m/s。

铁路等级为国家Ⅰ级。正线为双线无砟轨道，设计时速250 km；联络线为单线无砟轨道，设计时速80 km，设计活载采用ZK活载。桥位河道航道等级规划为Ⅳ级，设计基本风压值500 Pa，地震动峰值加速度0.05g。

2 桥梁方案研究

2.1 主跨跨度

桥轴线法线方向与水流流向的交角大于30°，相对横向流速大于0.8 m/s，规范[1]要求一跨过江或在通航水域中不得设置墩柱。桥位与下游成渝客专和上游弯道距离较近，其间距不满足规范相关规定。因此，通航部门要求桥梁采用一孔跨过通航水域方案。下游成渝客专采用(90+180+90) m连续梁拱桥跨越河道，本桥左主塔位于河滩区，与连续梁拱桥的边墩对孔设置；大里程在桥台附近跨越既有老成渝铁路，考虑通航及既有铁路影响，右主塔墩位于河道边缘岸坡附近，与成渝客专既有主墩对孔设置，基本满足一跨过江要求。因此，本桥主跨跨度采用300 m。

2.2 主梁形式

本桥为三线桥，主梁可考虑双层或平层[2-8]。因联络线需跨越正线，主梁若采用平层，联络线需首先平层通过主桥然后再抬高线位最后跨越正线，联络线需展线4 km，线路增加投资约2亿元。为节省工程投资，主桥采用双层钢桁梁，上层布置为联络线单线，下层布置为正线双线。

2.3 桥型方案

对于主跨300 m左右的铁路桥梁而言，桥式一般可选用钢桁拱或斜拉桥方案。本桥若采用钢桁拱方案，存在综合用钢量大，经济性较差，施工难度相对较大等不利因素[9-11]，所以本桥重点研究斜拉桥方案。对同等跨度的双塔斜拉桥和独塔斜拉桥[12-16]进行比较，总体布置见图1，结果对比见表1。

图1 双塔和独塔斜拉桥总体布置(单位：m)

表1 双塔与独塔斜拉桥方案对比

由图1及表1可知，2种方案均可行，其中，独塔斜拉桥整体刚度较大，能够满足桥梁结构及行车安全要求，与桥位地形适应性较好，对通航、边坡及既有铁路的影响较小，其水中基础规模也较小，工程投资较省。因此，主桥采用独塔斜拉桥方案。

3 结构设计研究

3.1 纵向约束体系

合理选择斜拉桥的结构约束体系可减小结构内力和位移响应。铁路斜拉桥需要较大的横竖向刚度，横竖向一般采用固定支承约束体系[17]。本桥位于6度地震区，地震力较低，纵向约束体系可不考虑地震力的影响。对于独塔斜拉桥而言，研究2种纵向约束体系：①半漂浮体系，全桥塔墩台纵向均设置活动支座，主塔再设置纵向阻尼器；②纵向固定体系，主塔设置纵向固定支座，其余墩台设置纵向活动支座。结果对比见表2。

表2 不同纵向约束体系的结果对比

由表2可知，与半漂浮体系相比，采用纵向固定体系后，塔底弯矩大幅增加，但桥塔以小偏心受压为主，且受力最不利位置在下塔柱与下横梁相交处，塔柱最大压应力增加9%，桥塔受力增加不大；基础方量增加7%，基础造价增加较少；但主梁梁端位移大幅减小，降低了伸缩装置的设计难度，确保了轨道结构的稳定性，提高了结构的行车安全。因此，本桥选择纵向固定体系。

3.2 辅助墩设置

本桥边跨位于河滩及河岸区，辅助墩的设置基本不受通航控制。考虑到结构受力和刚度大小等因素，研究了2种辅助墩设置方案： ①设置2个辅助墩，孔跨布置(87.5+75+75+300+75) m；②设置1个辅助墩，孔跨布置(87.5+150+300+75) m。结果对比见表3。

表3 不同辅助墩设置的结果对比

由表3可知，减少辅助墩后，主梁竖向刚度减小，梁端转角增大，塔顶变形变大，横向刚度和受力基本不变，但变化幅度均不大，辅助墩数量的减少对结构整体刚度及受力影响较小。综合刚度条件及经济性等因素，边跨设置1个辅助墩。

3.3 钢桁梁断面研究

3.3.1 主桁设计

主梁为双层钢桁梁，考虑上层为单线，下层为双线，研究2种主桁形式： ①常规的矩形断面，桁宽15 m；②上窄下宽的倒梯形断面，桁宽上层12 m、下层15 m。结果对比见表4。

表4 不同主桁断面的结果对比

由表4可知，与矩形断面相比，采用倒梯形断面，主梁竖向刚度加大，横向刚度变小，但变化幅度都不大；主梁用钢量及主梁上横梁受力均减小；索塔横梁跨度变小，索塔更加纤细，景观效果较好。因此，从主梁用钢量、杆件受力及景观效果方面考虑，主桁采用倒梯形断面。

3.3.2 桥面系设计

(1)桥面系形式

设计研究了2种桥面系： ①常规的正交异性板钢桥面板密横梁体系，桥面板厚16 mm，下设U肋及条形肋，钢密横梁为倒T形截面，与弦杆等高；②通长连续不断缝的混凝土桥面板密横梁体系，桥面板上层厚28 cm、宽10 m，下层厚30 cm、宽12.8 m，与钢密横梁通过剪力钉形成钢-混结合桥面，钢密横梁节点处为箱形截面，非节点处为工字形截面，与弦杆等高。2种方案均不设纵梁。结果对比见表5。

表5 不同桥面系的结果对比

由表5可知，与钢桥面相比，采用混凝土桥面，主梁横竖向刚度增加明显，其中竖向刚度增加13.7%，横向刚度增加20.5%；梁端转角减小11.8%，且钢桥面梁端转角超过规范[18]规定的1‰；主梁用钢量减少20%，造价大大减小。另外，混凝土桥面板基本不存在疲劳问题，减轻了后期养护维修的工作量，对过往列车产生的噪声也较小。因此，桥面系采用混凝土桥面板密横梁体系。

(2)混凝土桥面板施工方案

混凝土桥面板按预制考虑，研究了2种桥面板施工方案。①方案1：悬臂拼装钢桁梁，同时安装混凝土桥面板；②方案2：钢桁梁合龙后再开始安装混凝土桥面板。为减小主墩处桥面板拉应力，桥面板施工采取先跨中后支点等浇筑顺序，并在主墩处采取顶落梁等措施。结果对比见表6，其中，正为拉应力。

表6 不同施工方案的结果对比 MPa

由表6可知，方案1中，由于混凝土桥面板与钢桁梁共同承受主梁恒载、斜拉索力及列车荷载，主塔处混凝土桥面板压应力达到31.1 MPa，远远超过规范[19]规定的20 MPa。方案2中，由于混凝土桥面板不承受主梁自重及钢桁梁悬拼拼装时的斜拉索力，只承受主梁二恒、钢桁梁合龙后的部分斜拉索力及列车荷载，混凝土桥面板应力水平处于合理范围，配置2根φ28 mm、间距10 cmHRB400钢筋，按照拉弯构件配筋计算，钢筋最大应力185.4 MPa，最大裂缝宽度0.15 mm，结果满足规范[19]要求。因此，桥面板施工方案采用方案2，即钢桁梁合龙后再开始安装混凝土桥面板。

3.3.3 横联设计

为增大横向刚度，钢桁梁一般需设置横联。考虑到桥面系为混凝土桥面板密横梁体系，整体刚度较大，横向连接较强，研究了2种横联方案：(1)在每个节点处设置横联，横联为常规的“X”形，支点处为箱形截面，非支点处为工字形截面；(2)不设横联。结果对比见表7。

表7 不同横联设置的结果对比

由表7可知，主梁取消横联后，其横竖向刚度、梁端转角及横联受力基本不变。因此，从节约用钢量及主梁美观性考虑，主梁不设横联。

3.3.4 小结

钢桁梁采用倒梯形断面，双层钢-混结合桥面系，不设横联，设计简洁经济。主桁横断面见图2。

图2 主桁横断面(单位：m)

4 结构计算分析

主要计算结果如下。

(1)成桥状态。主跨跨中上拱34 mm，主跨靠近主墩附近下挠61 mm，主塔向岸侧水平偏位9 mm。长期收缩徐变下挠16 mm。

(2)结构刚度及变形。主跨跨中静活载竖向挠度221 mm，竖向挠跨比1/1 357，满足规范[18]要求。列车摇摆力、横向风力及温度作用下的梁体水平位移62 mm，水平挠跨比1/4 839，满足规范[20]规定的≯L/4 000要求(L为桥梁跨度)。梁端转角0.9‰rad，满足规范[18]规定的≯1‰rad要求。徐变+温度+列车荷载工况下主跨跨中竖向挠度262 mm，对应的曲率半径为42 939 m，大于规范[18]规定的时速250 km最小竖曲线半径25 000 m要求，满足列车时速250 km旅客舒适性对竖曲线离心加速度的要求。

(3)主梁。在主力作用下，钢梁最大拉应力189.8 MPa，最大压应力210.7 MPa，均未超过Q370qE钢材的容许弯曲应力，满足规范[19]要求。在主力作用下，混凝土桥面板最大拉应力13.5 MPa，最大压应力12.7 MPa。混凝土桥面板配置2根φ28 mm、间距10 cmHRB400钢筋，按照拉弯构件配筋计算，钢筋最大应力185.4 MPa，最大裂缝宽度0.15 mm，结果满足规范[19]要求。

(4)桥塔。在施工和运营阶段，塔柱均处于受压状态。主力和主力+附加力作用下塔柱最大应力分别为12.8 MPa和13.5 MPa，满足规范[19]要求。

(5)斜拉索。在主力+附加力作用下，斜拉索最大应力为722.5 MPa，斜拉索最小安全系数为2.57，最大疲劳应力幅为107 MPa，均满足规范[21]要求。

(6)稳定性分析。在恒载+横桥向风荷载+列车荷载工况下进行结构弹性稳定性分析，稳定系数为10.5，满足规范[22]规定的斜拉桥弹性稳定系数≮4的要求。

5 结论

结合工程实例，对双层钢-混结合钢桁梁独塔斜拉桥从结构构造到受力性能进行了初步分析，得出如下结论。

(1)双层钢-混结合钢桁梁独塔斜拉桥具有结构整体刚度大，对通航、特定地形、边坡及既有铁路影响较小，水中基础规模较小，经济性较优等特点，可应用于高速铁路主跨300 m桥梁。

(2)独塔斜拉桥采用纵向固定约束体系，可大幅减小主梁梁端位移，确保轨道结构的稳定性，提高结构的行车安全，其需根据主梁纵向位移、桥塔受力及基础规模等综合确定。

(3)边跨设置辅助墩可以提高主梁竖向刚度，降低塔顶变形，减小梁端转角，应结合场地条件、桥梁刚度及主梁受力等进行合理布置。

(4)与钢桥面板相比，混凝土桥面板减少用钢量，节省工程投资，大大减小后期养护维修工作量。

(5)钢桁梁采用倒梯形断面，双层钢-混结合桥面系，不设横联，能够提高结构的整体刚度，满足高速铁路行车要求，是一种较为合理的三线铁路斜拉桥主梁断面形式。

该桥结构技术先进，造型优美，景观效果佳，具有很强的创新性。