跨铁路部分斜拉桥设计

刘望春

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200000）

1 部分斜拉桥简述

部分斜拉桥是介于斜拉桥和梁式桥中间的一种桥型。与斜拉桥相比，部分斜拉桥主梁具有较大的刚度，同时斜拉索对主梁具有弹性支承作用，竖向外荷载由主梁和斜拉索共同承担，以梁的受弯、受压和索的受拉来承受竖向荷载作用。索对具有一定刚度的主梁起加劲作用，可以理解为真正意义上的弹性支承连续梁桥。每根索皆为一个弹性支承，使主梁所受弯矩与无斜拉索作用的连续梁相比得以减小。

部分斜拉桥塔高较矮，拉索倾角较小，拉索为主梁提供较大的轴向力。并且拉索尽可能密集地通过塔柱的上部区域，塔上不设锚固端。一般塔高可取主跨的1/8～1/12。以梁为主，索为辅，梁体高度大约是同跨径梁式桥的1/2 倍或斜拉桥的2 倍。梁上无索区较之一般斜拉桥要长，还有较明显的塔旁无索区段。部分斜拉桥适用跨径宜选择在100m ～200m 之间，如果采用组合梁或复合梁，则跨径可达300m。

2 概述

滨湖路延长线上跨京广铁路节点工程，根据铁路现场建设条件，该工程节点位于京广铁路滠口站出站咽喉区，铁路共有9 股道，铁路运营繁忙，跨越处铁路路基宽度约60m；新建工程采用双向六车道城市主干道标准，外侧需增设3m 非机动车及人行道。考虑铁路安全保护区及施工期既有铁路运营安全，该工程最终采用100+100m 转体部分斜拉桥桥式方案，平行铁路侧支架现浇89+89m 梁体，平面转体就位后支架现浇合龙。转体重量22500 吨。桥型立面布置如图1。

图1 跨铁路桥型布置图

3 结构设计

3.1 主要技术标准

（1）道路等级：城市主干路

（2）设计车速：60km/h

（3）桥面宽度：34.5m。0.5m 防撞护栏+3m 人行道及非机动车道+11.75m 机动车道+0.5m 防撞护栏+3m索塔+0.5m 防撞护栏+11.75m 机动车道+3m 人行道及非机动车道+0.5m 防撞护栏。

（4）设计基准期：100年

（5）设计安全等级：一级，结构重要性系数1.1

（6）设计汽车荷载：城-A 级，活载放大1.3 倍

（7）抗震设防标准：地震动峰值加速度0.05g，对应烈度6 度。

（8）环境类别：Ⅰ类

3.2 结构设计

3.2.1 主梁

采用单箱五室等宽变高斜腹板截面，斜率不变。塔、墩、梁固结，塔梁固结处梁高6.5m，跨中梁高3.5m；箱梁顶板宽34.5m，底板宽17.0m ～21.201m，两侧翼缘悬臂长4.75m，箱梁顶板厚度28cm，底板厚30 ～75cm；边腹板厚45cm，边室对应的中腹板厚45cm，最里面两个中腹板厚50cm。支点处均设置横隔梁，其中端横梁厚2.0m，中横梁厚6.8m。

图2 主梁立面图

图3 主梁横断图

3.2.2 主梁预应力及节段划分

主桥箱梁采用三向预应力体系，按全预应力构件设计。纵向预应力钢束布置在箱梁腹板、顶板及底板上，钢束采用19-φs15.2 及17-φs15.2 低松弛高强度预应力钢绞线，除梁端处设置为固定端外，其余均为张拉端。采用群锚体系，由金属波纹管制孔，横梁按部分预应力A 类构件设计。其中端横梁及中横梁预应力采用19-φs15.2 低松弛高强度预应力钢绞线，索区横梁预应力采用17-φs15.2 低松弛高强度预应力钢绞线，采用群锚体系，由金属波纹管制孔，两端张拉。桥面板按部分预应力A 类构件设计。桥面板横向预应力采用4-φs15.2 低松弛高强度预应力钢绞线，采用扁锚体系，由金属波纹管制孔，两端张拉。主梁共分17 个节段，其中0 号块长度为12.8m，主塔往交接墩侧分别为12m+12.5m+3x16m+10.5m+2m（合拢段）+8.9m（支架现浇段）。

图4 主梁钢束图

3.2.3 斜拉索

斜拉索为单索面，布置在中央分隔带上。拉索采用双排索，全桥共设置28 对斜拉索，两排索的横向间距为1.0m，斜拉索塔上间距为1.0m，梁上间距为4.0m。拉索在塔上通过转向索鞍锚固于混凝土箱梁内，拉索采用梁内两端张拉。斜拉索采用热镀锌钢绞线OVMAT-37和OVMAT-43 两种规格，公称直径15.2mm，抗拉强度标准值1860Mpa，弹性模量1.95×105Mpa，松弛率≤0.025。

3.2.4 主塔

下塔柱采用箱型截面，下塔柱尺寸为10.0m（横桥向）×6.8m（顺桥向）；上塔柱为矩形实心截面，横桥向尺寸为3.0m，顺桥向尺寸为5.0m，桥塔桥面以上高度为25.0m。

3.2.5 基础

承台由于转体需要，设置为两级，上承台尺寸为12.0m（横桥向）×12.0m（顺桥向）×3.5m（厚度），下承台尺寸为18.7m（横桥向）×18.7m（顺桥向）×3.5m（厚度）。基础采用25 根Φ1.6m 钻孔灌注桩。

3.3 施工方案

采用支架现浇+平面转体的方法施工。其主要施工流程如下：

（1）施工主桥基础及上下转盘并安装转体系统，上下转盘临时锁定固结；施工交接墩。

（2）施工下塔柱。

（3）在主墩旁搭设支架，预压后施工1#节段，待混凝土强度达到90%，弹性模量均达到100%后，张拉预应力钢束。

（4）顺京广铁路依次浇筑2 ～7#节段，每节段混凝土强度达到90%，弹性模量均达到100%后，方可张拉各节段预应力钢束。

（5）同步施工上塔柱，待混凝土强度达到90%，弹性模量达到100%后，张拉斜拉索。施工转体梁段桥面外侧钢防落物墙。

（6）将转体梁段（89+89）m 同步顺时针方向转体91°至成桥位置，主要步骤如下：①对转体结构进行纵横称重，实测其重心位置，必要时进行配重，使全部转体结构重量主要由中心球铰承担；②对转体结构观测、检测2 小时以上。调试牵引系统，清理润滑环道，拆除有碍平转的障碍物，在平转就位处设置限位卡梁，阻止撑脚到位后继续往前走。根据铁路确定的转体作业时间对转体结构进行试转，确定转体的各项参数。③根据铁路确定的转体作业时间，启动千斤顶转动体系，进行正式转体，速度0.018 ～0.02rad/m，一次转体就位。④转体最后阶段采用点动，确保转体结构精确就位。转体角度共91°转体作业时间约79 分钟。

（7）转体到位后，调整梁体线形，封固转体系统上、下盘。

（8）在32#墩和34#墩旁搭设支架，浇筑墩顶支架现浇段。

（9）施工合拢段劲性骨架，浇筑合拢段，待混凝土强度及弹性模量均达到100%后张拉预应力钢束。

（10）施工内侧防撞墙、人行道板、中央钢防撞护栏、伸缩缝等剩余桥面系及附属工程。

转体施工过程中，应进行监控量测并根据施工安全需要可考虑在主墩附近设置附加临时滑道，具体位置由施工单位根据施工实际情况确定并征得设计单位同意后实施。

在施工期间要及时对承台、墩身的沉降及铁路设施实施必要的安全监控工作。转体时对风速的要求是不大于8m/s，转体分为试转和正式转体两次进行。

4 计算分析

采用有限元软件MIDAS/CIVIL 建立全桥空间模型。全桥共168 个节点，167 个单元。其中上部梁体共112单元，上塔柱共19 个单元，下塔柱共6 个单元，上承台1 个单元，下承台1 个单元，拉索共28 个桁架单元。主梁及主塔采用梁单元模拟，拉索采用桁架单元模拟。塔、墩、梁固结采用共节点来模拟。

图5 结构离散模型

表1

其中：T1 为转体前支架拆除之后斜拉索轴力值（kN）,T2 为边跨合龙时斜拉索轴力值（kN），T3 为成桥完成收缩徐变完成后斜拉索轴力值（kN），T4 为运营期间活载作用下斜拉索最大轴力值（kN）。

根据以上表格数据，转体前斜拉索提供竖向力占恒载比值为19%，合龙后斜拉索提供竖向力占恒载比值为16%，梁体完成收缩徐变后斜拉索提供竖向力占恒载比值为12%。运营期间斜拉索提供的活载竖向力占比仅为活载总反力值的3%，主要还是由梁体承担。

查阅同等跨度梁式桥结构，100+100 梁式桥采用变高度连续梁时，中支点梁高需11m，斜拉桥梁高需3.0m。部分斜拉桥中支点梁高采用6.5m，在结构高度上相比梁式桥降低了一半，同时有效地保证了主梁刚度，斜拉索采用一次张拉，降低了施工难度同时减小了下部结构的负担。经分析，该工程设置边索角度21°左右，控制斜拉索占恒载比例20%以内是合理的。

5 结论

伴随着铁路路网的逐步完善，虽然路网通达性日趋完善，同时也对地方城市道路的切割日益加剧，交通建设条件控制因素逐步增多，跨越铁路桥梁的跨度也逐步加大，为减少城市建设对铁路运营的影响，转体施工工法也因其耗时少得到了大量运用，部分斜拉桥结构形式因其跨度的适应性和主梁结构的轻盈性成了涉铁工程中经常采用的结构形式。通过本工程的实际运用，采用部分斜拉桥结构形式，有效降低了梁高，在减轻下部结构负担的同时，有效降低了整体桥梁规模的长度，大大降低工程造价。充分体现了部分斜拉桥在中等跨度桥梁转体施工的优势，为后续类似工程提供了宝贵的工程经验。