常益长铁路沅江特大桥(32+90+90+32) m拱塔斜拉桥总体设计

张乃乐，李海泉

(1.怀邵衡铁路有限责任公司，长沙 410001； 2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 工程概况

沅江特大桥为常益长铁路一座特大桥，全桥长34.86 km，跨越点位于湖南省常德市武陵区及汉寿县境内，地处洞庭湖西部，地形以丘陵平地为主，南部丘陵属雪峰山余脉。全境地势由南向北呈阶递状下降，以平原为主，水系发达。

1.1 线路资料

沅江特大桥主桥跨越既有石长铁路(运营动车)，既有铁路为双线，线间距12～14 m，路基总宽度约44 m，设计净空7.96 m，与线路斜交角度约为18°。

主桥范围内线路纵坡8.5‰、-1‰，主桥位于曲线上，曲线半径R=2 800 m。

1.2 地质资料

地层岩性主要为第四系全新统(Q4)，由上到下依次为Q4ml杂填土、Q4al+pl粉质黏土；Q4al+pl细圆砾土、泥质粉砂岩等。

1.3 地震动参数

根据 GB18306—2015《中国地震动参数区划图》附录A《中国地震动峰值加速度区划图》及附录B《中国地震动加速度反应谱特征周期区划图》分析，本桥地震动峰值加速度为0.15g，反应谱特征周期为0.35s。抗震设防烈度为Ⅶ度。

2 方案构思

本桥与既有铁路斜交角度仅为18°，为满足跨越功能，主跨跨径不小于180 m。结合本桥建设条件，并充分考虑技术、经济性，主桥拟采用以下3个方案。

方案1：(32+90+90+32) m拱塔斜拉桥(以下简称拱塔斜拉桥)，拱塔下部在主梁底部设拱塔横梁，钢箱主梁支承于拱塔横梁上[1-3]，桥塔采用转体施工，梁部采用顶推施工。

方案2：(100+200+100) m矮塔斜拉加劲连续刚构桥(以下简称矮塔斜拉桥)，斜拉桥采用转体施工。

方案3：钢盖梁门式墩方案(以下简称钢门式墩)，设置6个40 m以上跨度的钢盖梁门式墩跨越既有石长铁路，门式墩采用吊装施工。

3个方案优缺点比较见表1。

表1 方案技术经济优缺点比较

考虑该桥跨越既有双线铁路及既有道路，综合考虑景观效果、施工难度、工程经济性等方面设计控制要素的影响[10-11]，该桥桥型采用拱塔斜拉桥方案。拱塔斜拉桥跨度为(32+90+90+32) m，设拱塔横梁跨越既有石长铁路，全桥平、立面布置如图1、图2所示。

图1 主桥平面布置(单位：m)

图2 主桥立面(单位：m)

3 主要技术标准

常益长铁路主要技术标准为:(1)铁路等级，客运专线；(2)正线数目，双线，CRTS-Ⅲ型板式无砟轨道；(3)设计速度350 km/h；(4)设计活载，ZK活载。

4 主桥结构设计

本桥采用塔梁固结的结构形式，加劲梁辅助墩和边墩处纵向活动、竖向和横向限位。钢箱梁、桥塔横梁采用Q345qDNH，桥塔采用Q345qD。桥面板混凝土强度等级为C40，采用低收缩、高抗裂、高韧性的混杂纤维混凝土。

4.1 主梁设计

加劲梁采用纵肋倒置式钢混组合桥面板[12-13]，桥面全宽16.3 m，中心线处梁高3.05 m(钢梁底面至混凝土板顶)，钢混组合梁桥面板标准厚度25 cm。钢桥面板厚10～16 mm，底板厚14～16 mm，腹板厚18～20 mm，采用板式加劲肋，横隔板标准间距3.0 m，隔板厚度14～20 mm。结合梁桥横断面布置如图3所示。

图3 结合梁桥横断面布置(单位：mm)

两侧边箱梁工厂加工，整体陆路运输到现场，顶、底、腹板及顶板加劲肋现场焊接，底、腹板加劲肋及横隔梁腹板通过高强螺栓连接，形成钢梁节段，随后采用拖拉法施工到位。

4.2 斜拉索及锚固体系

斜拉索采用抗拉标准强度1 860 MPa镀锌平行钢丝拉索，空间双索面体系，呈辐射形布置，全桥共设13对斜拉索，梁上索距12 m。

索塔及索梁锚固采用钢锚箱的锚固方式，张拉端设置在主梁上。

4.3 桥塔及桥墩

采用拱形桥塔，承台以上桥塔全高为66 m，桥面以上塔高45.0 m，桥面以下塔高21.0 m。桥塔侧面示意如图4所示。

图4 桥塔侧面(单位：m)

拱轴线线型采用椭圆曲线，塔柱截面采用等高等宽箱形截面，截面尺寸为顺桥向3.0 m×横桥向4.0 m，板厚为24～36 mm，加劲肋采用板肋，宽220 mm，厚22 mm，间距500～700 mm。

在主塔下部设置桥塔横梁，横梁高2.8 m，宽度3.0 m，顶板厚14 mm，底板和腹板均厚16 mm，加劲肋采用板肋，宽190 mm，厚16 mm，间距350～500 mm。主梁与横梁刚性连接。桥塔塔柱及横梁截面如图5所示。

图5 桥塔塔柱及横梁截面(单位：mm)

桥塔各节段之间采用全焊连接方式，桥塔塔柱采用先竖转后平转的施工方式，待桥塔转体就位后，吊装合龙段，拱塔合龙。横梁节段竖转就位，完成塔梁固结。

边墩及辅助墩采用矩形双柱墩，墩顶设横梁。

4.4 下部结构

桥塔采用圆形承台，承台高3.6 m，基础采用桩基。边墩为12φ1.0 m桩基础，辅助墩为12φ1.25 m桩基础。

4.5 施工步骤

本桥加劲梁采用双向拖拉施工，由两侧向跨中整体拖拉合龙。桥塔采用先竖转后平转的施工方式，桥塔塔柱合龙后，吊装桥塔横梁[14-16]。

5 结构计算结果

计算选用Midas/Civil 2019版有限元软件，主塔、主梁为梁单元，斜拉索为索单元，采用三主梁模型，中间虚拟主梁与两边主梁刚性连接，按施工流程逐阶段计算结构各截面内力、应力和位移。

计算荷载包括恒载、列车活载、混凝土收缩徐变、温度变化、风载、列车制动力、支座沉降等荷载。

5.1 静力分析

(1)施工阶段静力分析

桥塔最大悬臂阶段，该阶段桥塔最大应力为50 MPa；研究主梁顶推过程，主梁拖拉过塔时，悬臂60 m为主梁顶推最不利工况，支承孔跨为(32+30+60) m，设置扣塔，辅助墩附近20 m范围采用150 kN/m压重。主梁顶推过程，主梁最大应力为60 MPa；桥面板现浇完成后，主梁最大应力为102 MPa。

(2)运营状态下各应力指标

由表2可知，斜拉索主+附最大应力711 MPa<744 MPa；钢梁(第一应力体系)主+附最大压应力147 MPa，主+附最大拉应力113 MPa；桥塔塔柱主+附最大压应力176 MPa<199 MPa，主+附最大拉应力38 MPa<199 MPa；桥塔横梁主+附最大压应力121 MPa<260 MPa，主+附最大拉应力202 MPa<260 MPa。在运营阶段的应力指标均满足要求[17-18]。

表2 运营状态下各应力指标 MPa

(3)梁体刚度指标

采用影响线加载，在静列车活载作用下跨中最大下挠值 98 mm，挠跨比 1 /918，其竖向刚度满足行车要求。ZK静活载作用下，梁端转角为0.65‰rad，满足规范[17-18]要求。在列车摇摆力、风力及温度力作用下，梁体最大横向水平位移5 mm

图6 独柱塔最大悬臂施工阶段结构1阶弹性失稳模态

5.2 稳定性分析

(1)施工阶段稳定性分析

独柱塔最大悬臂阶段，结构在无风和有风时，结构的弹性稳定系数变化很小，其稳定性主要是由结构本身的重力和施工期间其他施工荷载决定[19]。

塔顶合龙前的最大悬臂状态时1阶稳定系数为445，体现为塔柱顺桥向弯曲失稳，均满足弹性稳定系数应大于4的要求。

(2)运营状态下的稳定性分析

经计算，在运营状态下，结构稳定性主要是由恒载和中跨满布活载的分布形式决定。分析以恒载+风荷载+中跨满布活载状态进行计算。

恒载+活载+风荷载组合下弹性失稳模态：主塔纵向弯曲失稳，稳定系数为53。见图7。

图7 恒载+活载+风载组合下1阶弹性失稳模态

5.3 车-桥动力分析

对该桥梁的全桥模型当CRH3型列车通过桥梁时的车桥系统空间耦合振动动力响应进行了仿真计算与分析研究[20-21]。计算中考虑桥面初始变形的影响，桥面初始变形选取整体升温25°(工况1)、整体降温25°(工况2)两种计算工况。计算结果见表3、表4。

表3 桥梁动力响应最大值计算结果

表4 列车动力响应最大值计算结果

由表3、表4计算结果可知，拱塔斜拉桥设计方案对单线或双线CRH3型高速客车以速度160～275 km/h而言可得出如下结论。

(1)桥梁动力响应均满足相关规范要求；各车的车体竖、横向振动加速度满足规范限值要求；列车行车安全性均满足规范要求。

(2)在设计速度段所有计算工况(高速客车160～250 km/h)下，高速客车的乘坐舒适度均达到“良好”标准以上。

(3)在检算速度计算工况(高速客车275 km/h)下，高速客车的乘坐舒适度均达到“良好”标准以上。

由此可见，拱塔斜拉桥具有良好的动力特性及列车走行性，高速客车通过桥梁时的行车安全性和乘坐舒适性均满足要求。

6 结论

以常益长铁路沅江特大桥为背景，提出拱塔斜拉桥方案，并将其应用于高速铁路桥梁中。这种新型拱塔斜拉桥，优化了线路平纵断面，减小了桥梁跨度，缩短了工期，降低了工程造价，可为同类桥梁设计、施工提供借鉴和参考。