佛山东平水道公轨两用斜拉桥结构设计及关键技术研究

尹春燕

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

东平水道斜拉桥为佛山市南海区轨道交通试验段和平东大道、长江路建设市政工程共同跨越东平水道而建的公轨两用特大桥梁。根据通航论证要求，东平水道斜拉桥采用主跨260 m一孔跨越东平水道，实景如图1所示。

图1 东平水道斜拉桥实景

2 设计标准

2.1 轨道交通标准

无砟轨道，双线，线间距4.4 m；最高行驶速度70 km/h；轻轨车辆活载为1辆“5+2”模块车辆编组[1-2]。

2.2 公路标准

城市-A级道路，双向六车道，最高行驶速度60 km/h。

3 建设条件

3.1 工程地质

地层有第四系全新统人工堆积层、第四系残积层、白垩系泥质粉砂岩。

3.2 水文

东平水道是北江主要支流，桥位处为Ⅱ级通航航道，现状水面宽约180 m，百年水位H1/100=4.704 m(国家85高程)。

3.3 气象

年平均气温22.7 ℃，最冷和最热月平均气温14 ℃和29 ℃；极端最高和最低气温39 ℃和-2 ℃，相对湿度76%。

3.4 地震基本烈度

地震设防烈度为7度，动峰值加速度为0.1g。

4 结构设计

4.1 总体设计

4.1.1 结构体系

根据桥址处地质水文条件及通航要求，主桥采用独塔钢-混混合主梁斜拉桥，孔跨布置为(35+260+51.5+66+62.5) m，主桥全长475 m，如图2所示。

图2 全桥立面布置(单位：m)

为降低公路路面高程，缩短公路引桥长度，桥上公路和轨道交通同层布置，桥上横断面为：双线轨道交通+六车道公路+两侧人行道，桥面总宽46.5 m；主桥钢箱梁和混凝土梁桥面布置分别如图3、图4所示。

图3 钢箱梁桥面布置(单位：cm)

图4 混凝土梁桥面布置(单位：cm)

主桥采用墩塔梁固结体系，增加体系刚度，改善结构受力，省去超大吨位支座的设置。为解决大跨斜拉桥梁端转角不易满足要求的问题，在主跨侧设置1孔35 m钢箱梁辅助跨，将钢梁侧梁端转角控制在3‰以内，从而满足了轨道交通无砟轨道受力要求[3-5]。

4.1.2 主梁

主梁采用等高度钢-混凝土混合梁，主跨和边跨分别采用钢箱梁和混凝土箱梁。

(1)钢箱梁

主跨采用整体性强、抗风性好、线条流畅的扁平分离式钢箱梁，分离式钢箱梁间由密布横梁连接。钢箱梁中腹板高3.3 m，桥宽46.5 m，箱宽39.6 m。钢梁顶板和底板厚分别为16 mm和14 mm；在支点附近顶、底板均加厚至22 mm。顶、底板和外侧边腹板均采用U肋加劲；中腹板和内腹板采用I形肋加劲；钢梁标准段9.0 m长，质量约200 t，施工时采用2台吊重1 300 kN的桥面吊机进行吊装[1]。

钢箱梁采用3 m一道横隔板，钢板厚10 mm，拉索处横隔板加厚至14 mm，支点位置横梁厚度根据计算需要适当加厚。除靠近横梁侧外腹板采用Q345qD-Z25钢外，其余钢梁采用Q345qD钢。

根据东平水道斜拉桥所处的气候条件，并参考国内外条件相近桥梁的成功经验，提出防腐涂装体系，见表1。

表1 钢箱梁防腐涂装

(2)混凝土梁

边跨和辅助跨采用预应力混凝土PK截面箱梁，箱体之间由间距3 m横梁连接。混凝土梁一般截面顶、底板厚0.35 m，内边腹板厚1.3 m，外边腹板厚0.3 m，中腹板厚0.4 m。有索处横隔板厚0.4 m，无索处横隔板厚0.3 m。混凝土梁采用满布支架施工，主梁采用C55混凝土。

(3)钢-混结合段

结合段设在主跨钢梁侧，钢混结合面距离主塔中心约18 m。采用“钢包混凝土”结构，在钢梁端部的格室内浇筑混凝土，通过端承板、PBL剪力键和钢混结合面的摩擦力传递内力[6-8]，钢混结合段构造如图5所示。

图5 主梁钢-混结合段构造(单位：cm)

4.1.3 主塔

主塔为混凝土塔，横桥向为“A”字形，主塔造型源于“南海先行”中的“先”字，且字母“A”在24个字母中排列第一，蕴涵了南海人奋发向上和永争第一的精神，同时为南海的未来建设起到了带头作用。

桥面以上塔高和桥面以下塔高分别为124.8 m和22.0 m，总塔高146.8 m。主塔可划分为3个部分，分别是下塔柱、中塔柱、上塔柱。下塔柱采用混凝土实体截面，横桥向分为2个单塔柱，单塔柱横桥向宽由2.7 m线性变化至4.5 m，顺桥向长由12 m增大至16.5 m；中塔柱采用混凝土空心截面，横桥向分为2个单塔柱，在离桥面41.98 m处汇合于一处，汇合处横梁高3.0 m；上塔柱采用空心矩形截面，为抵消斜拉索对上塔柱塔壁的拉力，在上塔柱塔壁内布置U形和短直预应力束。主塔采用爬模施工[9-11]。主塔结构见图6。

图6 主塔结构(单位：cm)

4.1.4 斜拉索

斜拉索为平行钢丝成品索，抗拉强度1 670 MPa，最大丝数253，最小丝数127，全桥共52对斜拉索，采用冷铸锚。钢箱梁侧锚固间距为9 m，混凝土箱梁侧锚固间距为6 m，塔上锚固间距为2 m。斜拉索张拉端设在主塔内，梁上为固定端。

4.1.5 斜拉索锚固

因轨道交通对刚度要求高，斜拉索横桥向锚固在公路和轨道交通之间的区域。

钢主梁采用钢锚箱锚固，混凝土梁锚固于中腹板底部齿块上；主塔采用齿块锚固。

4.1.6 下部结构

辅助墩和边墩采用实体花瓶式桥墩；主塔基础采用30根φ2.5 m钻孔灌注嵌岩桩。

4.2 设计指标

4.2.1 计算模型

全桥整体计算采用鱼骨梁模型，结构分析软件采用Midas Civil，斜拉索采用桁架单元，钢主梁、混凝土主梁、桥塔和桥墩均采用梁单元，消隐模型如图7所示。

图7 东平水道桥有限元消隐模型

4.2.2 主梁变形

主跨在静活载工况下，最大竖向位移为272 mm(向下)，挠跨比为1/950；主梁梁端最大转角为0.31‰，均满足规范要求。

混凝土梁徐变上拱值为2.4 mm，小于GB 50157—2013《地铁设计规范》限值10 mm。

4.2.3 钢梁应力

主力工况，钢梁最大拉应力和最小压应力分别为-194.2 MPa和180.9 MPa；主+附加力工况，钢梁最大拉应力和最大压应力分别为220.4 MPa和219.8 MPa；满足规范要求。

4.2.4 混凝土梁应力

主力工况，混凝土梁最大和最小压应力分别为17.6 MPa和1.0 MPa；主+附加力工况，混凝土梁最大和最小压应力分别为18.0 MPa和0.2 MPa；主梁全截面受压，满足要求。

4.2.5 主塔应力

主力工况，主塔全截面受压；主+附加力工况，各角点均出现了不同大小的拉应力，最大名义拉应力为1.3 MPa。通过配置普通钢筋，控制主塔裂缝，使其满足规范要求。

4.2.6 斜拉索应力

斜拉索最大索应力为622.7 MPa，安全系数为2.68；斜拉索最大应力幅为143.6 MPa；均满足规范要求。

4.2.7 动力特性

桥梁自振频率是结构动力分析的基础，本桥成桥状态的频率和振型主要特点见表2。

表2 成桥状态动力特性

本桥跨度较大，主跨自重较轻，但由于结构布置较合理，第4阶钢主梁才出现扭转变形，表明主梁的扭转刚度较大，第4阶振型如图8所示。

图8 第4阶振型

4.2.8 抗震分析

根据本桥特点，制定了抗震设防目标，多遇地震工况，主梁、主塔、斜拉索、支座和主塔基础均处于弹性工作，不发生损坏；罕遇地震工况，主梁可发生局部破坏，主塔基本处于弹性状态，斜拉索弹性工作不损坏，支座剪力销剪断，防落梁发挥作用，主塔基础主筋接近屈服状态。

抗震分析采用Midas Civil建立空间有限元模型，主梁、索塔、桥墩、承台及桩基采用梁单元模拟，斜拉索用桁架单元模拟。墩上支座约束按实际设置，桩基桩长范围内采用土弹簧对桩基节点的水平方向进行约束，桩底固结约束，如图9所示。

图9 东平水道桥抗震计算消隐模型

主塔主筋采用φ32 mm双筋布置，间距15 cm，在罕遇地震工况，混凝土和钢筋均处于弹性范围，各项指标均满足《地铁设计规范》要求。

5 关键技术研究

5.1 竖向刚度限值研究

《地铁设计规范》对中小跨度桥梁的竖向刚度给出了限值要求，对于大跨斜拉桥未规定，故中小跨度桥梁的刚度限值不能适用于斜拉桥。

大跨斜拉桥要将竖向刚度控制在地铁规范的范围较困难，统计已建成的公铁两用桥设计刚度(表3)可看出，公铁两用斜拉桥竖向刚度均小于地铁规范对桥梁的规定值，斜拉桥挠度一般为L/450～L/600(L为桥梁跨度)[3]，且桥梁运行情况较好。因此，根据国内外经验，东平桥结构竖向挠度限值取L/600。《跨东平水道特大桥主桥风车线桥耦合动力仿真分析报告》[12-13]证实了结构竖向挠度限值取值的合理性。

表3 已建成的大跨度铁路桥梁竖向刚度[14]

5.2 钢桥面板受力分析

钢箱梁正交异性桥面板应力是由3个体系应力组合而成。第一体系是采用全桥整体计算而得，第二和第三体系是采用实体分析计算而得[15]。钢桥面板计算应力见表4。

从表4可知：钢桥面正交异性板二、三体系应力占比重很大，设计时不能忽略。初设阶段可参考同类钢梁截面的第二、三体系应力作为设计依据，此时，钢材容许应力也可相应提高[16-17]。

表4 钢桥面板应力 MPa

5.3 主梁剪力滞系数分析

剪力滞效应的研究主要是针对主梁以弯曲为主的简支梁、连续梁或悬臂梁结构；相对于有多个弹性支撑，同时承受轴压和弯矩的斜拉桥主梁剪力滞效应研究甚少[18-20]。

为研究斜拉桥主梁有效宽度取值问题，采用有限元计算，钢箱和混凝土主梁分别采用板单元和实体单元进行模拟，计算钢梁和混凝土梁剪力滞系数，并与根据日本规范、中国铁路和公路规范计算的剪力滞系数进行对比，如表5、表6所示。

表5 钢主梁剪力滞系数

表6 混凝土主梁剪力滞系数

从表5、表6可知：根据各种计算理论，剪力滞系数相差较大，主要原因是日本《道路桥示方书·同解说》、JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》和TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》中主梁有效宽度计算方法是以受弯为主的简支、悬臂或连续梁体系结构的研究成果，对于斜拉桥并不完全合适。

斜拉桥剪力小，剪力滞后效应影响不大。对于混凝土梁侧桥墩处剪力滞系数约为1.4，中跨跨中处剪力滞系数约为1.2。

6 专题研究

为确保东平水道斜拉桥建设的安全，在大桥初设完成后，对下列问题进行了专门研究。

6.1 车-线-桥耦合振动分析

列车以车速60～100 km/h通过东平水道桥时，桥梁动力性能满足《地铁设计规范》要求，列车运行安全有保证，乘坐舒适性均达到优；公路及人群荷载引起的桥面线形变化对地铁车辆行车安全性及舒适性影响较小，偏载作用下车辆运行安全性及舒适性满足要求；车辆经过主桥与引桥连接处牛腿构造时，车体竖向振动加速度均匀，车辆运行平稳性良好。

6.2 风-车-线-桥耦合振动分析

当桥面平均风速不超过25 m/s时，列车均可以60～100 km/h速度运行，桥梁及车辆动力性能良好；当桥面平均风速达到30 m/s时，列车可按80 km/h运行；当桥面风速超过30 m/s时，应封闭交通。

6.3 节段和全桥模型风洞试验

全桥模型风洞试验如图10所示，结论如下。

(1)主梁截面具备气动稳定的必要条件。

(2)东平桥的成桥和施工状态从-3°～+3°时的颤振临界风速均高于JTG/T 3360—01—2018《公路桥梁抗风设计规范》规定的颤振检验风速，说明本桥的颤振稳定性满足要求。

(3)成桥状态，主梁观测到有竖弯涡振或扭转涡振发生，其在常遇风速下涡振振幅小于规范容许值；在大于11级风作用下，有振幅大于规范要求的涡振发生，由于该风速发生概率很小，且该风速下桥上已不允许行车和行人，因而，可认为东平水道大桥的成桥状态涡振性能满足要求。

图10 风洞试验现场照片

7 结语

佛山东平水道斜拉桥为公、轨同层布置，桥面总宽46.5 m，其跨度和桥面宽均位于国内同类桥梁前列。为此，对该桥的结构形式、设计关键技术和动力性能进行了深入研究，针对性地采取了有效措施，保证了本桥结构安全、可靠。大桥于2014年开工，2019年建成，在设计和施工过程中采用了多项技术创新，可供设计同行借鉴。