千米级公铁两用跨海斜拉桥桁梁断面形式研究

夏小任, 杨裕尧

(昌九城际铁路股份有限公司，江西 南昌 330002)

斜拉桥作为一种主梁承弯、主塔承压和拉索受拉的组合体系桥梁，结构受力明确，形式优美，可以同时满足大跨度和受力的需求，被广泛地应用在国内外跨海跨江的桥梁建设中。

近年来，随着工程界对资源节约型和环境友好型理念，以及可持续性发展理念的深入理解，公路和铁路共用桥位的思路得到各国工程师的青睐，公铁两用斜拉桥成为一种重要的占用跨海跨江通道资源节约型的桥型。由于同时具备了跨越能力、受力合理、结构优美、资源节约等多方面的优势，伴随着高速铁路在我国的迅猛发展，国内的超大跨度公铁两用斜拉桥得到了迅猛发展，相继建成了如铜陵长江大桥，沪苏通长江大桥和平潭海峡大桥等具有代表性的公铁两用斜拉桥[1]。

目前，千米级公铁两用斜拉桥可选用的主梁布置形式主要有公铁同层布置钢箱梁方案和公铁分层布置钢桁梁断面。公铁分层钢桁梁断面结构刚度大，公路、铁路行车影响小，经常被用来作为千米级桥梁的主梁断面。千米级大跨公铁桥梁跨度大、荷载重、结构非线性效应显著，且风-车-桥耦合效应突出等问题尤为突出，不仅给结构设计带来了巨大的挑战，而且也给后期施工安全、结构质量控制和运营维护提出了更高的要求[2]，因此对其主梁断面形式开展研究具有重要的现实意义。

1 概 况

1.1 工程概况

某跨海工程为充分利用通道资源，节约工程投资，工可阶段同精度研究了双线铁路+六车道高速公路的公铁合建桥梁方案，根据通航安全、防撞合理、技术可行、经济性等要求，主通航孔桥采用140+420+1080+406+140 m斜拉桥，非通航孔桥采用 126+224+700+224+126 m斜拉桥，桥式立面布置见图1。

图1 桥式立面布置/m

主通航孔桥采用半漂浮体系，主塔采用钻石型C60钢筋混凝土桥塔，承台以上塔高330 m，斜拉索采用抗拉标准强度为2000 MPa的平行钢丝索，扇形索面布置[3]。

桥址区域风环境恶劣，受台风影响频繁，设计基准风速达42 m/s，科学合理的选择主梁断面形式是本桥的设计关键，国内外对千米级公铁两用桥桁梁断面形式有一定的科研、工程经验积累，但一般多针对四线铁路+六车道公路技术标准下的主梁断面开展。为探寻适用于双线铁路+六车道公路千米级斜拉桥最优主梁断面形式，掌握不同主梁结构形式的受力特性及优缺点，更好地对超大跨度公铁合建桥梁建设方案进行技术决策，有必要对其主梁形式、风-车-桥耦合效应等开展相关专题研究[4～7]。本文采用MIDAS CIVIL2020建立三维空间有限元模型(图2)对斜拉桥的主梁断面形式进行了计算分析，其中主梁、桥塔、下部结构采用梁单元，斜拉索采用索单元，材料按照主桥设计方案对应模拟，全桥模型共计9420个节点，25407个单元。

图2 主通航孔桥三维模型

1.2 技术标准

1.2.1 公路技术标准

所采用的公路技术标准为：

(1)公路等级：高速公路；

(2)车道：双向六车道；

(3)设计速度：100 km/h；

(4)荷载等级：公路Ⅰ级；

(5)公路路面总宽：33 m。

1.2.2 铁路技术标准

所采用的铁路技术标准为：

(1)铁路等级：高速铁路；

(2)设计行车速度：250 km/h；

(3)正线数目：双线；

(4)正线线间距：4.6 m；

(5)设计荷载：ZK荷载。

2 建设条件

2.1 海域地形

桥址位置海域海底地形总体上为东低西高，水道窄而深，狭窄处宽度约为3 km，平均高程-50 m，底部剖面呈中部低、两端高的马鞍形态，中部最低高程可达-110 m[8～10]。

2.2 气象条件

工程区域年平均气温16.9 ℃，年极端最高气温40.6 ℃，年极端最低气温-6.6 ℃。

设计最大风速v10=42 m/s，年平均7级以上大风天数53 d，8级以上大风天数18 d[7～9]。

2.3 海域水文

300年一遇最高潮位+3.92 m，最低潮位-2.69 m，最大设计流速3.14 m/s；20年一遇最高潮位+3.19 m，最低潮位-2.41 m，最大设计流速2.98 m/s；百年一遇最大浪高8.89 m[8～10]。

2.4 通航

通航代表船型为7万t级集装箱船和8万t级油船，通航尺度为900 m×62.65 m，最高通航水位3.35 m，最低通航水位-2.18 m[8～10]。

2.5 地震

抗震设防标准为Ⅶ度，地震动峰值加速度0.10g，基本地震动加速度反应谱特征周期0.35 s[11]。

3 主梁断面形式调研

对国内外40余座已建、在建的公铁分层合建斜拉桥主梁断面进行了统计调研，对于双线铁路+公路标准公铁分层合建斜拉桥，主要采用的截面形式有矩形截面、倒梯形截面、双片斜桁断面以及三片桁断面形式(表1)，由图3公路分层合建斜拉桥主梁断面形式占比可知，采用倒梯形主梁断面的比例最大，三片桁的比例最少[12～19]。

图3 公铁分层合建斜拉桥主梁断面形式占比

表1 公铁分层合建桥梁常用主梁横断面

4 主梁结构方案

4.1 主梁截面形式

主航道桥主跨达1050 m，桥区设计基准风速达42 m/s，主桁截面选择除满足使用功能基本要求外，还要综合考虑刚度、结构受力、风-车-桥耦合效应等因素。结合上节国内外众多同类桥梁的实践经验[16]，常用的横断面布置主要有以下2种：倒梯形截面和矩形截面。本文在上述2种断面形式的基础上增加研究了上层公路桥面两侧为钢箱的倒品字形截面，采用MIDAS CIVIL2020建立三维空间有限元模型，对3种主梁断面(图4)从静动力方面进行了综合比选(表2)。

表2 主梁横断面形式比选

图4 主梁截面方案/cm

(1)静力性能方面，相较于方案一,方案二虽横向刚度及竖向刚度较好，但其荷载作用梁端转角及最大纵坡变化值较大，轨道平顺性最差，方案三虽横向刚度、竖向刚度和轨道平顺性较好，但其用钢量增加了4.9%，经济性稍差。

(2)动力特性方面，方案二的颤振临界风速最大，方案一、方案三颤振临界风速相对较小，但大于检验风速73.4 m/s；方案二竖向涡振起振风速最小，扭转涡振起振风速最大。

综上所述，3个方案竖向刚度、荷载作用下主梁最大纵坡变化值差别不大，方案二和方案三横向刚度大，抗风性能好，但用钢量大，经济性差，推荐采用方案一倒梯形主梁断面。

4.2 主桁宽度

对于推荐的倒梯形主梁断面，上层公路桥面宽度受公路技术标准要求，斜拉索横向间距最小需要35 m，下层铁路桥面系受铁路技术标准宽度要求，两片桁横向间距最小需要14 m，为研究主桁宽度对钢桁梁斜拉桥各项性能的影响，对比研究了桁宽14，15，16，17 m 4种方案。采用MIDAS CIVIL2020对4种主梁方案从静动力方面进行了综合比选(表3)。

表3 主桁宽度比选

(1)静力性能方面，随着桁宽的增加，主梁横向刚度、竖向刚度及主梁用钢量变大，梁端转角及荷载作用下最大纵坡变化值减小。当桁宽增加21.4%，主梁横向刚度增大11%，竖向刚度增大2.3%，梁端转角减小3.4%，荷载作用下最大纵坡变化值减小3.2%，主梁用钢量增大4.1%。

(2)动力性能方面，随着桁宽的增加，扭弯比、颤振临界风速及扭转涡振起振风速增大，竖向涡振起振风速变化不大。当桁宽增加21.4%，扭弯比增大4.7%，颤振临界风速增大8.5%，竖向涡振起振风速基本不变，扭转涡振起振风速增大4.6%。

综上所述，4种方案均可满足规范要求，桁宽对主梁横向刚度和颤振临界风速影响较大，对主梁竖向刚度、荷载作用下最大纵坡变化值、梁端转角和涡振起振风速影响较小，综合考虑主梁断面布置和经济性能，推荐采用桁宽15 m主梁方案。

4.3 主桁高度

主梁桁高主要受行车净空、横向杆件受力、主桥横、竖向刚度和节点构造细节控制，根据建筑限界计算结果，本桥最小主桁高度需要13.466 m，为研究主桁高度对钢桁梁斜拉桥各项性能的影响，对比研究了桁高13.5，14.5，15.5 m 3种方案。采用MIDAS CIVIL2020对3种主梁方案从静动力方面进行了综合比选(表4)。

表4 主桁高度比选

(1)静力性能方面，随着桁高的增加，主梁横向刚度、梁端转角及荷载作用下最大纵坡变化值减小，竖向刚度及主梁用钢量增大。当桁高增加14.8%，主梁横向刚度减小2.9%，竖向刚度增大5.2%，梁端转角减小12.6%，荷载作用下最大纵坡变化值减小10.4%，主梁用钢量增大1.7%。

(2)动力性能方面，随着桁高的增加，扭弯比、颤振临界风速及扭转涡振起振风速降低，竖向涡振起振风速增大。当桁高增加14.8%，扭弯比降低3.3%，颤振临界风速降低1.1%，竖向涡振起振风速增大1.6%，扭转涡振起振风速降低1.9%。

综上所述，3种方案均可满足规范要求，桁高对主梁竖向刚度、梁端转角、荷载作用下最大纵坡变化值影响较大，对主梁横向刚度、颤振临界风速影响较大，对涡振起振风速影响较小，考虑到梁高越高主梁用钢量越大，经济性越差，推荐采用桁高13.5 m主梁方案。

4.4 主桁节间长度

千米级公铁两用斜拉桥跨度大、技术标准高，加劲梁主桁内力较大，主桁架需采用较大的杆件截面，较短的节间长度弦杆杆端将产生较大的次弯距。

由国内公铁两用斜拉桥钢桁梁节间长度统计结果(表5)可以看出，千米级公铁分层合建钢桁梁斜拉桥普遍采用的节间长度为14 m，本桥钢桁梁采用整体节点，节点位置焊缝密集，减小弦杆高度与节间长度之比，降低杆件次应力很有必要；但节间长度过大，杆件重量和主梁节段重量将加大，不便于施工，综合考虑主桁受力、主梁重量、节间数量，节间长度推荐采用14 m。

表5 国内公铁两用钢桁梁斜拉桥主梁节间长度

5 推荐主梁方案设计

5.1 主桁节间长度

综上所述，本桥主梁推荐采用倒梯形主梁断面，采用N形桁，横向桁间距15 m，桁高13.5 m，节间距14 m，上层公路桥面采用正交异性板桥面,下层铁路桥面采用整体钢箱，斜拉索索梁锚点设置在上层两侧幅桁位置，采用锚拉板方案。钢梁主结构的钢材材质采用Q370qD，局部杆件采用Q420qD。

5.2 抗风计算结果

通过抗风数值模拟，得到本桥的抗风性能主要结论如下。

(1)在风攻角α=0°的情况下，成桥的阻力系数为0.736；升力系数曲线和力矩系数曲线的斜率为正值，升力系数和阻力系数之和为正值，可以满足桥梁气动稳定性要求。

(2)在风攻角α=0°的情况下，主梁颤振临界风速区间为87～89 m/s，大于相应状态的颤振检验风速73.48 m/s，颤振稳定性能满足要求[20,21]。

5.3 风-车-桥耦合动力分析结果

(1)桥梁在列车通过时的最大动力系数1.052，未发生显著共振。

(2)无风状态下，CRH动车组以120～240 km/h车速通过时，满足各项车辆运行安全性、平稳性指标，平稳性指标为优。

(3)当桥面平均风速不超过20 m/s时，CRH动车组限速220 km/h通行；桥面平均风速25 m/s时，CRH动车组限速200 km/h通行；桥面平均风速30 m/s时，CRH动车组限速160 km/h通行。

6 后期安全质量管理要求

对于采用倒梯形主梁断面的千米级公铁两用斜拉桥，考虑到主梁截面横向桁间距15 m，桁高13.5 m，且单个节间距达14 m，为保证后期施工安全、结构质量控制和运营维护安全，对其安全质量管理提出了具体要求：

(1)从科学发展管理层面讲，积极运用先进的技术，对传统的施工技术加以改进，实施好钢桁梁弦杆制造、杆件焊接、杆件制孔等关键工序，一方面能降低桥梁建设的质量安全风险，另一方面又能延长桥梁服役后的使用寿命，确保每一个施工环节达到国家标准，最终为工程顺利建设提供支撑。

(2)从全寿命管理层面讲，在保证工程顺利建设的前提下，应对超大跨度斜拉桥运营养护安全管理提出更高的要求，建立车辆和环境耦合作用下斜拉桥综合健康监测系统，全面反映大桥尤其是钢桁梁的结构状况及行车状态，及时发现钢桁梁整体构件和局部杆件潜在的安全隐患，通过与BIM管理系统相结合，实现大桥全寿命期的信息共享与利用，以及公铁两用斜拉桥运营养护管理模式向“预见修”的方向发展。

7 结 论

双线铁路+六车道高速公路千米级公铁分层合建钢桁梁斜拉桥，跨度大、技术标准高，选择合理的主梁断面形式不仅是桥梁的设计关键，而且也与后期桥梁的施工、运营和维护等息息相关。本文以某千米级跨海桥梁工程为研究对象，对双线铁路+六车道高速公路公铁分层合建钢桁梁的主梁断面形式、主桁宽度、主桁高度、主桁节间长度进行了对比研究，主要结论如下。

(1)对于双线铁路+公路标准公铁分层合建斜拉桥，国内外类似工程主要采用的截面形式有矩形截面、倒梯形截面、双片斜桁断面以及三片桁断面形式，其中采用倒梯形主梁断面的比例最大。

(2)倒梯形主梁断面同其他断面形式相比，竖向刚度、主梁最大纵坡变化值相当，横向刚度及抗风性能稍差，但主梁用钢量小，经济性好，推荐采用倒梯形主梁断面。

(3)桁宽对主梁横向刚度和颤振临界风速影响较大，对主梁竖向刚度、荷载作用下最大纵坡变化值、梁端转角和涡振起振风速影响较小，推荐采用桁宽15 m。

(4)桁高对主梁竖向刚度、梁端转角、荷载作用下最大纵坡变化值影响较大，对主梁横向刚度、颤振临界风速影响较大，对涡振起振风速影响较小，推荐采用桁高13.5 m。

(5)结合桥梁腹杆受力、节间重量、节间数量等因素综合比较，节间长度推荐采用14 m。

(6)推荐主梁方案静力性能、风-车-桥耦合效应良好，满足规范要求。

(7)从科学发展管理和全寿命管理层面提出了千米级公铁两用斜拉桥安全质量管理具体要求，可为类似桥梁的建管养提供参考。