高速铁路大跨度高低塔部分斜拉桥设计

杨得海,阮秋菊,林 骋

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 项目概况

新建深圳至汕尾铁路在深圳市境内跨越深圳水库，深圳水库总库容4 496万m3，其设计洪水位28.83 m，正常蓄水位27.60 m，防洪、供水及调蓄是该水库的主要功能[1]。线路跨越深圳水库桥位示意如图1所示，桥址处地势低洼，两侧为丘陵地带，桥址处深圳水库宽约150 m，跨越位置处为二级水源保护区，两侧紧邻深圳水库一级水源保护区。

图1 深圳水库特大桥主桥桥位示意

为减小对水源保护区的破坏，同时本着绿色环保的建造理念，水库管理部门要求一跨跨越。深圳水库特大桥在小里程侧接隧道，主要控制点为城市道路以及水库管理室的地下通道，由此桥梁墩位只能设置在图1右侧圆圈附近。桥梁在大里程侧跨越省道，邻近水库边埋有大型市政管线，需保证足够距离，由此，大里程侧桥墩仅能设置在图1左侧圆圈附近。因此，综合建设管理部门要求及场地建设条件，深圳水库特大桥主桥的主跨跨度定为242 m。大桥在跨越深圳水库后，紧接着在线路大里程侧需跨越省级道路，考虑到道路远期拓宽，结合周边地形，大桥边跨约为140 m。

桥梁设计相关技术标准如下：设计时速为350 km，采用线间距5.0 m双线无砟轨道，设计活载为ZK活载。桥梁所在场地的抗震设防烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.1g，反应谱特征周期为0.35 s。桥址处土层类型主要有粉质黏土、强风化砂岩、全风化及强风化花岗岩。

2 主桥方案比选

综合场地建设条件、经济性及技术性等要求，有两种方案供比选，分别是孔跨(78+242+139+36) m高低塔部分斜拉桥方案[2-4]及布置为(33+242+143+44+29) m混合梁独塔斜拉桥方案[5-7]。现就两种桥型方案分别进行介绍，并作对比分析。

2.1 部分斜拉桥方案

高低塔部分斜拉桥方案孔跨布置为(78+242+139+36) m，全桥立面布置如图2所示。小里程侧桥面以上塔高39 m，大里程侧桥面以上塔高60 m。桥梁主梁采用预应力变高单箱双室混凝土箱梁。高塔侧中支点梁高12 m，低塔侧中支点梁高10 m，跨中及边支点梁高6 m。斜拉索采用单丝涂覆环氧涂层钢绞线拉索体系，外套HDPE，空间双索面体系，全桥共设21对斜拉索，其中，低塔侧7对，高塔侧14对。

图2 (78+242+139+36) m高低塔部分斜拉桥方案总体布置(单位：cm)

2.2 独塔斜拉桥方案

独塔混合梁斜拉桥方案主桥跨度为(33+242+143+44+29) m，其总体布置如图3所示。大桥主梁采用双主梁结构形式，梁高4.6 m。主梁第1、4、5孔为分离式双箱单室预应力混凝土箱梁，在主梁第2、3孔靠近边墩的区域设置钢-混过渡段，第2孔及第3孔中间则为分离式双箱单室钢箱梁[8]，如图3所示。钢结构桥面系为正交异性板桥面，采用V形加劲肋，钢横梁标准间距3.0 m。主塔为钢筋混凝土结构，桥面以上塔高127 m，斜拉索采用fpk=1 670 MPa的平行钢丝拉索，主要规格为PES7-199～PES7-337，为空间双索面形式，立面上每塔两侧共15对索，全桥共计60根斜拉索。

图3 (33+242+143+44+29) m混合梁独塔斜拉桥方案总体布置(单位：cm)

2.3 方案对比

运用“桥梁博士”软件建立两种桥式方案的空间有限元模型，并对各施工阶段及运营阶段进行计算分析。两种桥式方案的综合比较如表1所示。需要说明的是，线路在深圳水库附近的纵断面不受桥梁结构高度控制，两种桥型方案虽梁高差异大，但对线路整体影响并不突出，因此，在桥型对比中暂不考虑两种方案对总体方案的影响。由表1可知，部分斜拉桥方案技术成熟，在结构刚度、工程投资、施工难度、运营维护等方面具有优势[8-9]。独塔斜拉桥方案技术可行，在景观效应、施工工期等方面具有优势，但施工工艺相对较复杂，主桥结构刚度相对较低，需通过车桥耦合分析进一步验算其行车舒适性及安全性[10]。经过综合比选，最终选择高低塔部分斜拉桥方案作为深圳水库特大桥主桥的推荐方案。

表1 深圳水库特大桥桥式方案比较

3 技术分析

为进一步优化桥梁结构，对于推荐的部分斜拉桥方案，在结构体系、主梁高度、桥墩形式、双肢薄壁墩间距及桥塔高度等方面进行技术分析。

3.1 结构体系

部分斜拉桥的结构体系主要有刚构体系(塔梁墩固结)与刚构连续梁体系(塔梁固结或塔墩固结)[11-12]。为分析不同结构体系的特点，本节以推荐的方案为原型，对刚构体系部分斜拉桥与刚构连续梁体系部分斜拉桥进行计算分析。两种体系的区别主要在于低塔侧墩梁的连接方式有所差异，两种体系塔梁间均设为固结，刚构体系的墩梁为固结，而刚构连续梁体系墩梁间设活动支座。

分别建立两种体系桥梁的空间有限元分析模型，得到运营阶段下两种体系的静活载挠度曲线，如图4所示，并给出两种体系下主梁的静活载挠度、梁端转角及桩身最大竖向力，如表2所示。由图4、表2可知，两种方案的刚度差异比较明显，其中，刚构体系的静活载挠度与梁端转角均较小，这是符合预期的，与刚构连续梁体系相比，刚构体系的刚度毋庸置疑是最大的；然而，从两种体系基础的受力对比情况来看，刚构体系下桩基础在主力+附加力组合时的受力更大，需增大桩基础配置，增加工程造价。因此，综合两种体系计算结果来看，刚构连续梁体系的优势更明显。

图4 不同结构体系桥梁跨中静活载挠度对比

3.2 梁高

梁体高度是影响桥梁结构刚度及强度的关键因素[13]，为研究其对结构静力计算的影响规律，保持其他条件不变，将桥梁跨中及边支点的梁高分别取为5.5，6，6.5 m，得到桥梁跨中的刚度结果如表3所示。由表3可见，随着梁高增加，桥梁结构挠度及梁端转角几乎呈线性减小趋势，梁体刚度显著增大，而跨中徐变变形则不断增加。该桥梁需铺设无砟轨道，对梁端转角的限制较为严格，梁高5.5 m时梁端转角已然超出规范限值。梁高为6.5 m时，其徐变已超出20 mm限值，且较梁高6 m相比，其梁体混凝土用量及自重也会相应增加。因此，跨中及边支点的梁高按6 m设计。

表3 不同梁高时桥梁刚度对比

3.3 桥墩形式

对于部分斜拉桥而言，桥墩结构主要有实心墩，双肢薄壁墩等结构形式[14]。现以推荐的部分斜拉桥方案为基础，研究桥墩结构形式对桥梁静力分析结果的影响。保持其他条件一致，高塔侧主墩分别采用实心墩与双肢薄壁墩，通过计算分析，不同桥墩形式下桥梁结构刚度对比情况如表4所示。

表4 不同桥墩型式时桥梁刚度对比

由表4可知，实体墩桥梁的静活载挠度与梁端转角均较大，桥梁整体刚度偏小，且实体墩的基础刚性角难以满足规范要求[15]，需增加承台配筋量。此外，表5还给出了实体墩与双肢薄壁墩的混凝土用量对比情况，可以看出，采用实心墩时，下部结构混凝土用量比用双肢薄壁墩时多20.4%，故实心墩应用于本桥的经济性较差，双肢薄壁墩的适用性更强。

表5 不同桥墩形式时混凝土用量对比 m3

3.4 双肢薄壁墩间距

以往关于薄壁墩间距的研究中，大多是针对连续刚构桥体系[16-17]。为研究这一因素对部分斜拉桥的影响，保持其他参数不变，取薄壁墩间距分别为7.5，8.5，9.5 m，输出主力工况下桥梁桩基础桩身最大竖向力及承台顶弯矩的计算结果，如表6所示。根据表6可知，随着双肢薄壁墩间距增加，桥梁桩基础的桩身最大竖向力和承台顶弯矩不断增大，而轴力呈减小趋势，但变化幅度较小。这是由于上部结构的荷载是固定的，间距拉大时，主墩中心线越远离主塔中心线，由上部结构传至下部结构的路径会加长，则轴力越小，但两薄壁墩关于承台中心的弯矩会逐渐增大。结合人字形桥塔底部的间距，最终取双肢薄壁墩中心间距为7.5 m。

表6 双肢薄壁墩间距对基础内力影响

3.5 桥塔高度

在其他参数不变的情况下，取大里程侧桥塔的高度分别为50，60，70 m(主梁以上部分)，计算不同桥塔高度下桥梁主梁内力及位移结果，分别如表7、表8所示。由表7、表8可以看出，随着桥塔高度增加，主梁的内力、静活载挠度、徐变及梁端转角显著减小，几乎呈线性趋势，这也说明桥塔高度的增加会使得结构刚度明显提高[18-20]。综合经济性与技术性指标，最终取高塔侧塔高60 m，低塔侧塔高39 m。

表7 桥塔高度对桥梁结构内力影响 MN·m

表8 桥塔高度对桥梁结构刚度影响

4 主桥设计

经过方案比选，确定了刚构连续梁体系部分斜拉桥为推荐方案，现就该方案的设计细节及主要计算结果进行介绍。

4.1 主梁

大桥主梁采用混凝土强度等级C55直腹板单箱双室截面，梁体各控制截面梁高分别为：边跨直线段及中跨跨中截面最低点处梁高6.0 m，高塔处主梁梁高12.0 m，低塔处主梁梁高10.0 m，梁高均按1.5次抛物线变化。全桥主墩处、辅助墩处、边墩处及中跨跨中处设置横隔梁，此外，全梁共设40道半横梁，高2.8 m，宽0.8～1.0 m，位置与斜拉索下锚固端位置一一对应。桥梁跨中箱梁断面如图5所示。

图5 主梁典型箱形断面(单位：cm)

4.2 主塔

大桥采用直立式桥塔，纵向为“人”字形，塔柱采用矩形实体截面，四周设置0.4 m倒角，桥塔自下而上由2根塔柱逐渐合并为1根塔柱。大里程侧桥塔在上塔柱区域设置横梁，增强两塔柱的联系。材料方面，主梁往上1 m范围内塔柱采用C55混凝土，其余部分则采用C50混凝土。小里程侧桥塔立面构造如图6所示。

图6 低塔构造(单位：cm)

4.3 主墩与基础

主墩采用双薄壁墩。墩高19.0 m，墩顶2.0 m范围采用C55混凝土，其余墩身部分采用C50混凝土。主墩墩身标准段为矩形截面，沿桥纵向宽2.8 m，横桥向宽15.8 m，四角倒角0.4 m×0.4 m，两实心薄壁墩中心距7.2 m。主墩下部3 m范围加宽，线形变化：顺桥向宽由2.8 m变化至4.8 m，横桥向宽由15.8 m变化至17.8 m。主墩基础采用30-φ2.0 m桩基础，布置形式为5(顺桥向)×6(横桥向)行列式。承台则采用阶梯式，上层承台尺寸为15.2 m(长)×21 m(宽)×1.5 m(高)，底层承台尺寸为25.6 m×31.1 m×4.5 m。

4.4 斜拉索

斜拉索采用单丝涂覆环氧涂层钢绞线拉索体系，外套HDPE，空间双索面体系。高塔一侧斜拉索梁上间距9.0 m，低塔一侧斜拉索不对称布置，跨中侧斜拉索梁上间距8.0 m，梁端侧间距8.0 m及6.0 m。主梁内设置锚固梁，张拉端设置在梁上。斜拉索在塔端采用分丝管索鞍贯通，间距为1.5 m。

4.5 主要计算结果

主梁在运营阶段的应力及安全系数计算结果分别如表9、表10所示。主梁相关位移计算结果在技术分析章节已经罗列，此处不再赘述。至于斜拉索，经统计，斜拉索安全系数在主力工况下最小为2.5，在主力加附加力工况下最小为2.43。拉索的最大应力幅为85.3 MPa。由此可见，主桥各项指标均在规范要求的限值以内，且留有一定富余，主体结构安全可靠。

表9 运营阶段主梁混凝土应力结果 MPa

表10 运营阶段主梁相关安全系数

5 结语

以深汕铁路深圳水库特大桥为工程背景，先对比了高低塔部分斜拉桥与独塔斜拉桥两种桥式方案，并以高低塔部分斜拉桥方案为基础，研究了结构体系、桥墩形式、薄壁墩间距及桥塔高度等因素对桥梁结构内力及位移的影响。并详细介绍了高低塔部分斜拉桥方案的设计细节，为同类型的铁路桥梁设计建造提供参考。通过分析得到如下主要结论。

(1)与独塔混合梁斜拉桥相比，高低塔部分斜拉桥方案在结构刚度、工程投资、施工难度、运营维护等方面具有优势。

(2)在部分斜拉桥方案中，刚构连续体系搭配双肢薄壁墩能够优化桥梁下部结构受力，且经济性良好。

(3)其他条件不变时，增加梁高与桥塔高度会显著提高结构刚度，在结构设计时，可结合经济性指标合理确定。

(4)综合而言，高低塔部分斜拉桥结构是一种合理可靠的结构体系，尤其适用于控制点密集、桥位选择受限的区域。