深水库区铁路多塔矮塔斜拉桥设计施工关键技术研究

孙宗磊 陈怀智 潘湘文 张伟伟

(1.中国铁路经济规划研究院有限公司 北京 100844；2.中铁上海设计院集团有限公司 上海 200070)

1 研究背景

随着我国高速铁路桥梁建设的快速发展，大跨度桥梁日益增多，混凝土梁式桥刚度大、噪声小、成本低、维修养护方便，能很好地满足高速铁路对平顺性、稳定性、可靠性的要求[1－2]。当跨度需求进一步增加时，可采用梁拱组合及矮塔斜拉桥体系的混凝土桥。矮塔斜拉桥体系受力合理、结构刚度大，跨径布置灵活、施工方便，工后徐变控制较好，当桥梁跨径小于300 m时，矮塔斜拉桥在经济性上更具竞争力[3－5]。近些年矮塔斜拉桥在高速铁路桥梁建设中发展迅猛，先后建成主跨220 m商合杭铁路颖上特大桥、主跨178 m京沈客专潮白河大桥及主跨2×200 m黄黄铁路巴河特大桥等多座高速铁路大跨度混凝土矮塔斜拉桥。

本文以池黄高铁三塔矮塔斜拉桥为工程背景，对矮塔斜拉桥索力参数敏感性[6]、主梁局部应力状态进行分析研究，通过研究得到相关的规律指导结构设计。对悬臂浇筑施工中大节段悬臂浇筑及常规挂篮浇筑进行比选探讨，对深水库区钻孔桩平台与围堰一体化施工技术进行研究。本文的研究结论可以为类似的桥梁设计施工提供借鉴和参考。

2 工程背景

新建池州到黄山高速铁路设计速度350 km/h，线间距5.0 m，采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道[7]。太平湖特大桥主桥全长789.7 m，计算跨径(48＋118＋2×228＋118＋48)m，为双线三塔矮塔斜拉桥(见图1)，桥位处水深约35 m。桥梁中塔塔墩梁固结，边塔塔梁固结，桥墩设支座。主梁采用单箱双室预应力混凝土变截面箱梁，跨中和中支点梁高分别为6 m、12 m。桥面以上塔高47.2 m，有效塔高(最上排斜拉索理论锚固点到桥面距离)35 m。桥塔形式为矩形直立式，横桥向宽度2.6 m，顺桥向宽度5～8 m。每个桥塔设置9对斜拉索，横向双索面布置，塔上索间距为1.2 m，梁上索间距为8 m。斜拉索采用单丝涂覆环氧涂层钢绞线，每根拉索在桥塔内通过分丝管索鞍通过，锚固于箱梁腹板外侧。

图1 立面布置(单位:m)

3＃、9＃边墩采用圆端形实体桥墩，分别采用11根 φ1.5 m、8根 φ1.5 m 钻孔桩基础。4＃、8＃辅助墩采用圆端形实体桥墩，均采用14根φ1.5 m钻孔桩基础。5＃、7＃边塔桥墩为矩形实体墩，基础采用12根φ3 m的钻孔灌注桩。6＃中塔桥墩为矩形实体墩，基础采用15根φ3 m的钻孔灌注桩。三个主塔基础均采用高桩承台，自由桩长15～28 m。

3 设计关键技术

3.1 斜拉索索力参数敏感性分析

以原设计为基准，分别使索力增加和减少10%、20%，通过模拟计算，研究索力变化对桥梁结构的主梁截面应力和位移的影响。本桥为对称结构，以中塔为分界线，计算结果只取一半。规定压应力为负，拉应力为正。图2a为主力作用下，梁体上下缘最大应力计算结果。图2b、图2c为不同索力情况下，相对于原设计主梁上缘和下缘应力的差值。

图2 索力变化对主梁应力的影响

从图2中可以看出，随着索力增大，跨中主梁上缘和下缘压应力均减小，主塔位置主梁上缘和下缘压应力均增大。

索力每变化10%，塔根无索区梁部上缘应力会产生1.3 MPa变化量，变化幅值为10.5%。跨中位置梁部上缘应力会产生0.8 MPa变化量，变化幅值为7.2%。

索力每变化10%，塔根无索区梁部下缘应力最大会产生1.1 MPa变化量，变化幅值为10.0%。跨中位置梁部下缘应力会产生0.81 MPa变化量，变化幅值为8.6%。

不同索力作用下主梁跨中徐变变形、恒载跨中竖向位移及静活载跨中竖向位移见表1。竖向位移以向下为负，向上为正。

表1 不同索力工况下主梁变形 mm

由表1可以看出索力与徐变变形和恒载跨中挠度呈线性关系，每10%的索力变化会造成跨中最大15 mm徐变变形，53.1 mm恒载变形量。梁体徐变变形变化幅值120%，恒载挠度变化幅度42%。

同时索力变化对静活载主梁竖向变形没有影响，因此如不调整拉索规格，索力的增减对成桥后刚度没有影响。

综上所述，相较于主梁应力，主梁徐变变形和恒载挠度对斜拉索索力更为敏感，索力变化引起的主梁截面应力变化量不是线性的，具有不均匀性，施工期间斜拉索索力控制要引起重视。

3.2 主梁局部分析研究

矮塔斜拉桥的塔墩梁固结区、索梁锚固区、索塔锚固区等关键部位，其受力复杂，杆系单元模型是无法准确计算的，需采用实体有限元结构进行分析计算[8－9]。

综合考虑计算模型规模，依据圣维南原理，截取所要关注的块段建立局部实体模型，将全桥杆系模型内力等效施加在截断处，同时在局部模型中施加相应的约束条件。

3.2.1 局部模型建立

对塔墩梁锚固区，选择中塔塔墩梁锚固区横梁两侧各21 m，共42 m梁体及主塔下方的20 m段范围建立实体有限元模型(见图3)。

图3 中塔塔墩梁锚固区有限元模型

将整体杆系模型中提取的截断位置梁单元内力转化为节点力作为施加在局部杆系模型的边界力，见表2、表3，施加位置见图3。比较同一工况下整体模型与局部杆系模型的内力，如图4所示，可以看出两模型的内力趋于一致，差距在5%以内。

图4 整体与局部杆系模型内力对比

表2 主力组合下边界力

表3 纵向预应力钢束效应产生的边界力

内力对比吻合后可将表2、表3中的边界力作为外荷载加载到实体有限元模型中。

3.2.2 计算结果分析

3.2.2.1 塔墩梁固结区、塔梁固结区

如图5所示，在主力作用下梁顶、人孔上下侧、梁底会出现横向拉应力，最大拉应力为0.9 MPa。为此，对于塔墩梁固结区或塔梁固结区，设计采取在横梁梁顶、人孔上下侧、梁底设置横向预应力措施改善受力。

图5 主力下0号块横向正应力云图(单位:Pa)

3.2.2.2 索梁锚固区(见图6)

图6 主力工况下索梁锚固区主梁应力云图

在索力作用下，锚固横梁下缘受拉，尤其在锚固横梁与腹板相接位置，最大拉应力为1.82 MPa。通过在锚固横梁施加横向预应力后可有效改善其受力，拉应力需控制在规范[10]限值之内。

在索力作用下，边腹板出现3.2 MPa竖向拉应力，因此在索梁锚固区的梁段腹板箍筋需要加强。

拉索锚固块和箱梁腹板相接位置会出现2.0 MPa顺桥向局部拉应力，因此锚固块和箱梁腹板相接位置梁体纵向钢筋需做加强。

4 施工关键技术

4.1 悬臂浇筑施工技术优化研究

预应力混凝土梁悬浇通常采用挂篮施工[11－12]方式，适用于梁体节段长度一般为3～4.5 m。但工期较长，本次对大节段施工造桥机悬浇施工方案(见图7)进行了研究。

图7 大节段造桥机

大节段造桥机主要由三片纵向主梁、前横梁、中横梁及挂腿、后锚、底平台、悬吊系统、走行系统等14部分组成。适用最大8 m、最大800 t的悬浇梁段施工。

针对大节段造桥机悬臂施工与常规挂篮，选用如下三个方案进行对比分析。

方案一:挂篮施工，最大节段长4.5 m。

方案二:造桥机施工，最大节段长8 m。

方案三:造桥机施工，最大节段长6 m。

各方案比较结果见表4。

表4 各方案对比

从表4可以看出采用造桥机大节段悬臂施工方案，梁部预应力钢束含量增加，方案二较方案一预应力钢束增加15%，同时造桥机设备投入费较挂篮多约500万，总费用增加635.6万。但工期可减少4个月。方案三节段长度与斜拉索间距不对应，节段长度变化多，索梁锚固块多为分段施工，施工复杂。

相较于常规挂篮施工，造桥机大节段悬臂施工会增加一定的工程投资，但可以较大程度减少主梁施工期，是一种值得推广的新工艺。

4.2 钻孔桩平台与围堰一体化施工技术

桥位处太平湖平均水深约35 m，最深处超过40 m，4＃～7＃墩位于深水区(共 4个墩)，施工难度大、工程风险高。为保证施工工期，提出了利用围堰作为钻孔平台，采用钻孔桩平台与围堰一体化施工方案。

主墩钢围堰设计为双壁钢吊箱结构，6＃钢吊箱尺寸为32 m×20 m×18 m，围堰壁厚1.4 m，见图8。

图8 双壁钢吊箱围堰结构(单位:cm)

钢吊箱围堰在岸边拼装，拼装完成后将围堰滑入水中、插打钢护筒，下放围堰并完成浮平台到固定平台的转换，巧妙地将围堰同时作为桩孔桩平台和承台施工的挡水结构，将栈桥施工和围堰拼装调整为可平行施工的工序。提升了围堰拼装质量，大大缩短工期的同时还节省了桩孔桩平台的钢材用量，减少施工投入。

5 结束语

本文对深水库区多塔矮塔斜拉桥的索力参数敏感性、梁部局部应力、主梁悬臂施工及基础施工方案进行研究，形成了一整套设计、施工关键技术，对今后同类型工程具有借鉴意义，主要结论如下:

(1)多塔矮塔斜拉桥索力对主梁徐变变形和恒载挠度影响突出。索力对主梁线形控制非常重要。

(2)局部实体模型的边界力可通过提取整体模型的内力求得，并可利用局部杆系模型验证其正确性。

(3)中支点位置即塔墩梁固结区或塔梁固结区，在主梁横梁梁顶、人孔上下侧、梁底出现横向拉应力，需要设置横向预应力改善受力。

(4)索梁锚固区域应力状态较为复杂，锚固横梁下缘受拉，可施加横向预应力改善其受力。该区域边腹板箍筋、梁体纵向钢筋需加强。

(5)相较于常规挂篮施工，造桥机大节段悬臂施工会增加一定的工程投资，但可以较大程度减少主梁施工期。

(6)对于深水库区高桩承台基础，采用钻孔桩平台与围堰一体化施工方案可有效缩短施工工期，减少钢材用量，节约施工成本。