大跨度四線鐵路高低塔混合梁斜拉橋橋塔設(shè)計(jì)

任 征

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 工程概況

福廈高鐵烏龍江特大橋位于在建福平鐵路烏龍江特大橋和G324國(guó)道烏龍江公路大橋之間，是福廈高鐵重難點(diǎn)控制性工程。大橋建設(shè)條件復(fù)雜、設(shè)計(jì)難度大，為主跨432 m的四線鐵路高低塔混合梁斜拉橋(圖1)[1]，孔跨布置為(72+109+432+56+56) m。斜拉索采用雙索面布置，主跨及109 m邊跨主梁為鋼箱梁，其余邊跨主梁為混凝土箱梁。主梁梁寬29.2 m(鋼箱梁含風(fēng)嘴)，梁高4.047 m。由于大里程側(cè)邊跨長(zhǎng)度較小、兩側(cè)邊跨非對(duì)稱性較大，為適應(yīng)結(jié)構(gòu)受力需要，需采用高低塔混合梁斜拉橋[2-3]。

圖1 (72+109+432+56+56) m高低塔混合梁斜拉橋橋式布置(單位：m)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級(jí)：客運(yùn)專線。

(2)軌道類型：無縫線路，有砟軌道[4]。

(3)線路數(shù)目：四線，左側(cè)為正線雙線，右側(cè)為動(dòng)車走行線雙線。

(4)線間距：(5+5+5) m。

(5)速度目標(biāo)值：正線160 km/h，動(dòng)走線80 km/h。

(6)設(shè)計(jì)活載：ZK活載。

(7)通航：內(nèi)河Ⅳ航道，橋塔防撞標(biāo)準(zhǔn)按500 t內(nèi)河貨船設(shè)計(jì)。

(8)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：按地震基本烈度7度設(shè)防。

3 橋塔塔形比選

從部分統(tǒng)計(jì)來看，公路斜拉橋橋塔樣式比較豐富，鐵路橋塔主要集中在鉆石形、H形和花瓶形(圖2)。A字形、倒Y形橋塔下塔柱橫橋向向外擴(kuò)張，基礎(chǔ)規(guī)模較大。H形塔是比較傳統(tǒng)的橋塔形式，完全豎直的塔柱便于施工，斜拉索為平行索面，簡(jiǎn)化了錨固系統(tǒng)，但基礎(chǔ)規(guī)模相對(duì)于下塔柱內(nèi)收的鉆石形和花瓶形橋塔較大。

鉆石形塔斜拉索為空間索，塔、索之間的空間立體感增強(qiáng)，且可以使主梁獲得較高的扭轉(zhuǎn)自振頻率，提高其橫向風(fēng)荷載承受能力。上塔柱向上收攏，總體造型挺拔，與傾斜的索面結(jié)合和諧。而下塔柱通過向內(nèi)收縮使得基礎(chǔ)規(guī)模較小，節(jié)省工程造價(jià)，目前較為廣泛地使用于斜拉橋中。

花瓶形橋塔結(jié)合了H形塔和鉆石形塔的優(yōu)點(diǎn)，豎直的上塔柱、平行索面便于施工，下塔柱傾斜內(nèi)收利于減小基礎(chǔ)規(guī)模。塔形脫胎于福建享譽(yù)海外的德化白瓷花瓶造型，結(jié)構(gòu)優(yōu)美簡(jiǎn)煉，特別是通過橫梁曲線的勾勒，使得塔形大氣端莊而又不失秀美，體現(xiàn)出福建深厚的歷史文化底蘊(yùn)[5-6]。

綜合以上對(duì)受力、施工、造價(jià)和景觀等方面的分析，從結(jié)構(gòu)受力安全可靠、施工簡(jiǎn)便、造價(jià)合理和景觀優(yōu)美等方面考慮，結(jié)合當(dāng)?shù)匚幕瘍?nèi)涵，推薦采用花瓶形塔。

圖2 塔形方案

4 橋塔剛度研究

高低塔斜拉橋的等效跨度L等效是衡量其構(gòu)造與受力是否合理的關(guān)鍵參數(shù)，其數(shù)值由活載最大下?lián)献冃吸c(diǎn)的切點(diǎn)A位置決定，L等效越接近實(shí)際跨度數(shù)值，梁體受彎曲效應(yīng)越小、索力也越均勻[7]。因此，主要研究分析了橋塔剛度對(duì)等效跨度等參數(shù)的影響[8]。

在其他參數(shù)一致的情況下，計(jì)算分析了5種橋塔剛度條件下橋梁豎向剛度、等效跨度及邊跨支座反力的結(jié)果，對(duì)比如表1所示。

表1 橋塔剛度變化對(duì)結(jié)構(gòu)效應(yīng)的影響

由表1結(jié)果可知：(1)橋塔剛度變化對(duì)等效跨度改變效應(yīng)較低，一側(cè)橋塔剛度增加等效跨度點(diǎn)將產(chǎn)生向另一側(cè)橋塔移動(dòng)的趨勢(shì)；(2)橋塔剛度增加能提升橋梁豎向剛度，但效果不明顯；(3)增大主塔剛度，對(duì)改善矮塔側(cè)邊支座反力有一定的作用，但同樣效益較低。因此，通過增加橋塔剛度來改善本橋結(jié)構(gòu)體系受力性能是不經(jīng)濟(jì)的，橋塔截面尺寸按能夠滿足受力需求進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。

5 塔高匹配研究

為確定合理的高、低橋塔高度匹配，在維持其他主要參數(shù)不變的情況下，對(duì)比分析了以下3種高、低橋塔高度匹配方案[9]。

方案1：高塔橋面以上塔高136 m，兩側(cè)各19對(duì)斜拉索；低塔橋面以上塔高104 m，兩側(cè)各15對(duì)斜拉索；兩橋塔橋面以下塔高均為29 m，塔高差值為32 m。

方案2：高塔橋面以上塔高141 m，兩側(cè)各20對(duì)斜拉索；低塔橋面以上塔高99.5 m，兩側(cè)各14對(duì)斜拉索；兩橋塔橋面以下塔高均為29 m，塔高差值為41.5 m。

方案3：高塔橋面以上塔高146 m，兩側(cè)各21對(duì)斜拉索；低塔橋面以上塔高95 m，兩側(cè)各13對(duì)斜拉索；兩橋塔橋面以下塔高均為29 m，塔高差值為52 m。

3個(gè)方案主跨索間距布置均為12 m，邊跨索間距布置為5～9 m，結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形均調(diào)整到相對(duì)合理狀態(tài)[10]。主要結(jié)果對(duì)比如表2所示。

分析表2數(shù)據(jù)可知：(1)3個(gè)塔高匹配方案，橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度基本相當(dāng)；(2)隨著高塔塔高增加、低塔塔高降低，斜拉索在主跨高塔側(cè)布置范圍增大，等效跨度點(diǎn)A會(huì)隨之向低塔側(cè)移動(dòng)，高塔側(cè)等效跨度隨之增大；(3)方案1邊跨混凝土主梁彎曲效應(yīng)較方案2明顯增大，低塔側(cè)邊跨壓重?cái)?shù)量顯著增加；(4)方案3邊跨混凝土主梁彎曲效應(yīng)較方案2明顯增大，結(jié)構(gòu)受力不對(duì)稱性更為明顯，塔高差值增加對(duì)改善低塔側(cè)壓重效果已不明顯，高塔側(cè)出現(xiàn)較大的配重需求。

表2 塔高匹配研究主要結(jié)果對(duì)比

綜合以上分析，本橋高低塔的塔高匹配需在合理區(qū)間內(nèi)，斜拉橋結(jié)構(gòu)體系受力方能達(dá)到較優(yōu)狀態(tài)，方案2在結(jié)構(gòu)受力、工程數(shù)量等方面均具有優(yōu)勢(shì)，因此推薦采用方案2。

6 索塔錨固體系研究(圖3)

索塔錨固區(qū)設(shè)計(jì)是斜拉橋橋塔設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，大跨度斜拉橋常用的索塔錨固方案主要有3種形式：(1)鋼錨梁，將鋼錨梁置于混凝土塔壁的鋼牛腿上，拉索錨固于錨橫梁的兩端；(2)鋼錨箱，鋼錨箱通過連接件與混凝土索塔連接，斜拉索錨固在鋼錨箱上；(3)齒塊錨固，將斜拉索錨固于混凝土索塔內(nèi)側(cè)的齒塊上，在索塔錨固區(qū)的四壁布設(shè)環(huán)向預(yù)應(yīng)力[11]。

圖3 索塔錨固體系

3種錨固體系受力的主要區(qū)別在于橋塔塔壁所承受的斜拉索水平分力大小?；炷笼X塊錨固，斜拉索水平分力全部由塔壁承擔(dān)，具有結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單、后期維護(hù)簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，但由于需高空作業(yè)環(huán)向預(yù)應(yīng)力索、斜拉索錨固板等，存在施工質(zhì)量和精度很難控制的缺點(diǎn)；鋼錨箱，斜拉索水平分力一部分由其兩側(cè)的聯(lián)系鋼板承擔(dān)，另一部分由塔壁承擔(dān)，具有施工質(zhì)量、精度更好控制的優(yōu)點(diǎn)；鋼錨梁，相較鋼錨箱受力更為明確，斜拉索水平分力主要由鋼錨梁承擔(dān)，塔壁承受水平分力較小，僅需配置“井”字形預(yù)應(yīng)力粗鋼筋作為儲(chǔ)備即可，缺點(diǎn)是鋼結(jié)構(gòu)后期維護(hù)工作量較大。

針對(duì)高低塔斜拉橋的橋塔受力非對(duì)稱性較顯著的特點(diǎn)，為改善橋塔塔壁受力、利于控制施工質(zhì)量及精度，索塔錨固宜主要采用鋼錨梁；同時(shí)，考慮到橋塔最內(nèi)側(cè)的2對(duì)拉索索力較小、水平分力角度亦較小，且可布置于橋塔上橫梁處，這2對(duì)索更適宜采用混凝土齒塊錨固方式。因此，大橋索塔錨固體系采用了以鋼錨梁為主，局部為齒塊錨固的方案，見圖4。塔壁內(nèi)無環(huán)向預(yù)應(yīng)力索，僅布置“井”字形預(yù)應(yīng)力粗鋼筋作應(yīng)力儲(chǔ)備。

圖4 索塔錨固布置示意

7 橋塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

兩側(cè)橋塔均位于水中，采用花瓶形塔，塔柱截面為單箱單室截面[12-13]。

兩橋塔塔底以上全高分別為170 m、128.5 m，高塔橋面以上塔高至塔頂為141.0 m，低索塔橋面以上塔高至塔頂為99.5 m，橋面以下塔高均為29 m，兩側(cè)索塔塔頂高差為41.5 m。高塔順橋向?qū)挾扔伤?0 m線性加寬至塔底14.5 m，低塔順橋向?qū)挾扔伤? m線性加寬至塔底13.0 m。

索塔橫橋向?yàn)榉蛛x式塔柱，高塔塔柱橫向凈距為18.0 m，塔柱橫向?qū)挾葹?.0～10.0 m；低塔塔柱橫向凈距為19.0 m，塔柱橫向?qū)挾葹?.0～9.0 m。兩側(cè)橋塔均設(shè)置上、下橫梁，橫梁與塔柱間采用曲線連接。橋塔立面布置如圖5所示。

橋塔塔柱均采用單箱單室矩形截面，內(nèi)外均設(shè)0.3 m×0.6 m倒角。上塔柱前后壁厚(順橋向)1.5 m，側(cè)面壁厚(橫橋向)1.0 m；中塔柱前后壁厚1.5 m，側(cè)面壁厚1.2 m；下塔柱前后壁厚1.5 m，側(cè)面壁厚1.5～3.0 m。橋塔錨固采用內(nèi)置式鋼錨梁，上塔柱內(nèi)配置“井”字形預(yù)應(yīng)力粗鋼筋。

圖5 烏龍江特大橋橋塔立面布置(單位：cm)

高塔索塔承臺(tái)尺寸為27 m×43 m×5.0 m(順橋向×橫橋向×厚度)，塔座為高2.5 m的楔形體，基礎(chǔ)采用24φ3.0 m鉆孔灌注樁；低塔承臺(tái)尺寸為25 m×40 m×5.0 m(順橋向×橫橋向×厚度)，塔座為高2.5 m的楔形體，基礎(chǔ)采用18φ3.0 m鉆孔灌注樁。橋塔基礎(chǔ)平面布置如圖6所示。

圖6 烏龍江特大橋橋塔基礎(chǔ)平面布置(單位：cm)

8 橋塔結(jié)構(gòu)分析

采用通用有限元軟件對(duì)橋塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析，包括縱向計(jì)算和橫向計(jì)算，見圖7。

圖7 烏龍江特大橋全橋三維空間有限元模型

主要計(jì)算荷載有：①恒載 包括自重及二期恒載；②活載 四線ZK活載和雙線偏心ZK活載；③溫度作用 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度為20 ℃，體系升、降溫為35 ℃，側(cè)照引起的橋塔左、右側(cè)溫差5 ℃；④風(fēng)荷載 設(shè)計(jì)基本風(fēng)速37.4 m/s；⑤特殊荷載 地震力、船舶撞擊力、長(zhǎng)鋼軌縱向作用力等。

縱向計(jì)算分別考慮恒載、活載、縱向風(fēng)荷載、溫度作用、地震、船舶撞擊力、長(zhǎng)鋼軌縱向作用力等計(jì)算工況，并進(jìn)行了多種不利組合，驗(yàn)算橋塔縱向面內(nèi)截面應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明，在所有組合工況下，橋塔塔柱截面最大應(yīng)力為16.0 MPa，最小應(yīng)力為0.05 MPa，滿足規(guī)范要求。

橫向計(jì)算主要考慮施工階段、成橋及運(yùn)營(yíng)階段的不同荷載組合工況。橫向風(fēng)荷載按施工期間的風(fēng)力、無活載風(fēng)力、有活載風(fēng)力計(jì)算[14]。另外，分析還考慮了各狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的地震效應(yīng)[15-16]。經(jīng)過檢算，橋塔塔柱截面最大應(yīng)力為18.3 MPa，最小應(yīng)力為0.1 MPa；上、下橫梁截面最大應(yīng)力為13.6 MPa，最小應(yīng)力為2.5 MPa，均滿足規(guī)范要求。

采用ANSYS有限元軟件對(duì)索塔錨固區(qū)建立了局部實(shí)體模型進(jìn)行計(jì)算分析，模型中未計(jì)入預(yù)應(yīng)力粗鋼筋和普通鋼筋。計(jì)算分析表明，混凝土齒塊錨固區(qū)索塔外側(cè)壁僅出現(xiàn)0.25 MPa的最大拉應(yīng)力，鋼錨梁錨固區(qū)索塔外側(cè)壁最大拉應(yīng)力為0.32 MPa，通過配置“井”字形預(yù)應(yīng)力粗鋼筋，可使塔壁處于全受壓狀態(tài)且保有一定的壓應(yīng)力安全儲(chǔ)備；鋼錨梁最大拉應(yīng)力176 MPa，最大疲勞應(yīng)力幅81.9 MPa，鋼錨梁牛腿最大壓應(yīng)力135 MPa，均滿足規(guī)范要求。見圖8。

9 結(jié)語(yǔ)

烏龍江特大橋是福廈高鐵重難點(diǎn)控制性工程，將于2017年10月開工建設(shè)，大橋建成后將成為世界上首座大跨度四線鐵路高低塔混合梁斜拉橋。橋塔采用蘊(yùn)含福建德化白瓷底蘊(yùn)的花瓶形塔型，造型秀美，與當(dāng)?shù)匚幕榻蝗?。設(shè)計(jì)通過對(duì)塔形、橋塔剛度、塔高匹配、索塔錨固體系等方面的研究分析，提出了塔形選取→橋塔剛度研究→高低塔塔高匹配→索塔錨固體系→橋塔截面設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路，明確了橋塔剛度對(duì)結(jié)構(gòu)體系受力的影響和一定孔跨布置等條件下高低塔塔高匹配的設(shè)計(jì)方法，采用了鋼錨梁與齒塊錨固相結(jié)合的索塔錨固體系，從而確定了大橋合理的橋塔設(shè)計(jì)。其技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用，設(shè)計(jì)成果可為類似橋梁建設(shè)提供借鑒與參考。