鐵路矮塔斜拉T構(gòu)橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法實(shí)例研究

黃 毅 劉 偉 胡玉珠

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

矮塔斜拉橋是一種采用斜拉索進(jìn)行體外加勁的混凝土梁橋，通常認(rèn)為該種橋型是介于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋和預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋之間的一種組合體系橋型，具有塔矮、梁剛、索集中的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1]。1988年，法國(guó)設(shè)計(jì)師Jacgues Mathivat正式提出了矮塔斜拉橋的概念，并指出該類橋型的受力特點(diǎn)：以主梁為主要承載結(jié)構(gòu)，分擔(dān)大部分荷載，斜拉索對(duì)主梁起加勁作用且承擔(dān)一部分荷載，相當(dāng)于體外預(yù)應(yīng)力索。自此之后，矮塔斜拉橋在世界范圍內(nèi)得到了推廣應(yīng)用。我國(guó)于2000年建成首座矮塔斜拉橋——蕪湖長(zhǎng)江大橋[2](公鐵兩用橋)。隨后，又相繼建成了京滬高鐵天津聯(lián)絡(luò)線大橋(64.6+115+115+64.6)m[3]、懷邵衡鐵路沅江特大橋(90+180+90)m[4]、商合杭鐵路潁上特大橋(94.2+220+94.2)m[5]、蒙華鐵路漢江特大橋(72.5+116+248+116+72.5)m[6]等多座矮塔斜拉橋。

上述工程的順利建成，極大地促進(jìn)了矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)施工技術(shù)的發(fā)展，逐步形成了較為完整的綜合技術(shù)體系。但受工程建設(shè)環(huán)境等的限制，該類橋梁在設(shè)計(jì)技術(shù)上仍存在一定的個(gè)案性特征，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，仍需根據(jù)工程的實(shí)際條件開展有針對(duì)性的設(shè)計(jì)研究。本文以渝(重慶)黔(黔江)鐵路長(zhǎng)途河大橋工程為依托，針對(duì)矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)過程中存在的梁部無索區(qū)長(zhǎng)度、索間距等關(guān)鍵性參數(shù)的確定問題開展研究，以期進(jìn)一步豐富該類橋梁的設(shè)計(jì)方法。

1 工程概況

渝(重慶)黔(黔江)鐵路長(zhǎng)途河大橋位于重慶市武隆縣巷口鎮(zhèn)涼水村長(zhǎng)途河附近，大橋跨越河谷及兩岸道路，線路主要設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)表

經(jīng)多方案比選和論證，同時(shí)綜合考慮橋址地形地質(zhì)、橋梁跨度、凈空及受力特點(diǎn)等影響因素，提出了矮塔斜拉T構(gòu)橋型的設(shè)計(jì)方案。

2 總體設(shè)計(jì)方案

參考類似工程，初步擬定長(zhǎng)途河大橋設(shè)計(jì)方案為：主橋采用(132+ 132) m預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉T構(gòu)，塔—墩—梁固結(jié)，墩高79 m；主墩基礎(chǔ)采用直徑2.5 m鉆孔灌注樁，其余橋墩基礎(chǔ)采用直徑1.50 m或1.25 m鉆孔灌注樁；引橋簡(jiǎn)支梁采用支架現(xiàn)澆施工。全橋總布置圖如圖1所示。

圖1 全橋總布置圖(cm)

2.1 主梁構(gòu)造

主梁設(shè)計(jì)為單箱雙室變高度直腹板截面，等高段橫斷面，如圖2所示。箱梁頂寬14.1 m，箱寬11.3 m，主墩頂支點(diǎn)截面梁高13 m，邊支點(diǎn)截面高7 m，截面高度按二次拋物線變化。箱梁頂板厚42 cm，腹板厚40～90 cm，底板厚52～110 cm。由于塔-梁-墩固結(jié)且根據(jù)改善局部受力的需要，橋塔位置箱梁底寬兩側(cè)各加寬210 cm，墩梁固結(jié)下腋處和箱體內(nèi)設(shè)置倒角[7]。斜拉索與主梁之間采用箱外混凝土齒塊錨固，錨固處對(duì)應(yīng)設(shè)置箱內(nèi)橫梁。

圖2 主梁等高段橫斷面圖(cm)

2.2 塔墩構(gòu)造

本橋墩-梁-塔固結(jié)，塔柱縱向?yàn)槿俗中?，塔?8 m。上塔柱采用矩形實(shí)體截面，距離梁頂面17.5 m至塔底段順橋向分肢，單肢截面順橋向?qū)?.4～2.8 m，橫向橋等寬2.7 m，構(gòu)造如圖3所示。主墩采用矩形空心墩，墩高79 m，墩頂截面尺寸11×15.5 m(縱×橫)，墩身縱向直坡，橫向坡比1∶25。塔柱采用C50鋼筋混凝土，橋墩梁底以下8 m范圍墩身采用C55鋼筋混凝土，其余墩身采用C40鋼筋混凝土。

圖3 橋塔構(gòu)造圖(cm)

2.3 斜拉索

斜拉索采用61-15.2 mm及73-15.2 mm的無粘結(jié)鋼絞線，斜拉索在上塔柱采用分絲式抗滑鞍座穿過[8]。斜拉索關(guān)于索塔對(duì)稱布置，全橋初擬設(shè)計(jì)共18對(duì)斜拉索，最內(nèi)側(cè)索距離塔中心38 m，索在梁上的縱向間距為8 m，在塔上的豎向間距為1.5 m，最外側(cè)索的水平夾角為19.8°，如圖4所示。

圖4 斜拉索布置示意圖

2.4 基礎(chǔ)

主墩基礎(chǔ)采用18根2.5 m鉆孔灌注樁，按照柱樁設(shè)計(jì)，行列式布置，樁長(zhǎng)12 m，承臺(tái)尺寸為(29 × 17 × 5) m，基礎(chǔ)布置如圖5所示。

圖5 主墩基礎(chǔ)布置圖(cm)

3 斜拉索布置范圍及間距優(yōu)化設(shè)計(jì)

矮塔斜拉橋與常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋相比，最大區(qū)別就在于斜拉索的體外加勁作用，斜拉索的布置范圍、角度等參數(shù)直接影響其工作效率及材料用量。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，需對(duì)矮塔斜拉T構(gòu)橋型的無索區(qū)長(zhǎng)度、索間距兩個(gè)主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多工況對(duì)比分析，以確定其較優(yōu)取值。

3.1 計(jì)算模型

采用Midas civil有限元軟件，建立矮塔斜拉T構(gòu)主梁的模型并計(jì)算。模型中，主梁按全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主梁共分為127個(gè)單元，其中主梁、塔、墩設(shè)置為梁?jiǎn)卧?，斜拉索采用僅受拉的桁架單元模擬。整體計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 計(jì)算模型圖

3.2 斜拉索布置范圍

保持梁上索間距(L2=64 m)不變，調(diào)整無索區(qū)梁端L1及塔根無索區(qū)L3長(zhǎng)度(如圖7所示)，設(shè)置3種分析方案：①L1=36 m，L3=32 m；②L1=30 m，L3=38 m；③L1=24 m，L3=44 m。

圖7 有、無索區(qū)參數(shù)示意圖

采用上述計(jì)算模型，分別計(jì)算得到不同工況下橋梁結(jié)構(gòu)的剛度、內(nèi)力變化的情況，如表2所示。

表2 無索區(qū)長(zhǎng)度對(duì)比表

由表2可以看出：

(1)拉索布置越靠近梁端，梁端轉(zhuǎn)角越小，跨中活載撓度也越小。其原因在于梁部為變高度箱梁，越靠近邊支點(diǎn)梁體剛度越小，斜拉索對(duì)結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)則越大。

(2)對(duì)梁部?jī)?nèi)力，拉索布置越靠近主塔，塔根主梁負(fù)彎矩越小，有利于減小中支點(diǎn)梁高，但同時(shí)邊支點(diǎn)附近無索區(qū)正彎矩相應(yīng)增大，需配置更多的底板預(yù)應(yīng)力鋼束。

綜上所述，本橋設(shè)計(jì)為兼顧結(jié)構(gòu)剛度與內(nèi)力，選擇方案②作為設(shè)計(jì)選型結(jié)論，梁端無索區(qū)長(zhǎng)30 m，塔根無索區(qū)長(zhǎng)38 m。

3.3 梁上索間距

保持斜拉索組數(shù)及規(guī)格一致，且主塔根部無索區(qū)長(zhǎng)度不變，對(duì)索間距分別為7 m、8 m、9 m時(shí)進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

表3 索間距對(duì)比表

由表3可以看出：

(1)索間距越大，梁端轉(zhuǎn)角越小，跨中活載撓度也越小，即增大拉索覆蓋梁部范圍有利于提高梁體剛度。

(2)對(duì)梁部?jī)?nèi)力而言，索間距越小，主梁塔根處負(fù)彎矩越小，邊支點(diǎn)無索區(qū)正彎矩越大。索間距從9 m變至7 m時(shí)，主梁塔根處負(fù)彎矩降低12.2%，無索區(qū)正彎矩增大7.5%，負(fù)彎矩降低效應(yīng)更顯著。適當(dāng)加密索間距有利于控制T構(gòu)根部梁體負(fù)彎矩，降低主梁高度。因此，結(jié)合工程實(shí)際條件，本橋設(shè)計(jì)索間距采用8 m。

4 矮塔斜拉T構(gòu)橋型適應(yīng)性探討

對(duì)于鐵路矮塔斜拉T構(gòu)橋，主梁剛度較大，斜拉索起體外加勁作用。相比于其他同規(guī)模的橋型橋式，該類橋型的競(jìng)爭(zhēng)力在于斜拉索的作用大小。本節(jié)通過分析斜拉索對(duì)改善梁體結(jié)構(gòu)內(nèi)力及剛度的貢獻(xiàn)，來進(jìn)一步探討該橋型的適用性。

4.1 斜拉索對(duì)主梁內(nèi)力的影響

以本工程為例，統(tǒng)計(jì)得到典型施工工況下斜拉索對(duì)梁部荷載的分?jǐn)偙壤?，如?所示。

從表4可以看出，主梁施工過程中，結(jié)構(gòu)荷載以恒載為主，斜拉索豎向分力占上部結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的27%以上。而在ZK活載作用下，由于主梁剛度遠(yuǎn)大于拉索剛度，斜拉索僅占活載比例的6.5%。二者疊加后，由于外荷載中恒載比例較大，主力工況下斜拉索對(duì)梁部荷載的分?jǐn)傉急冗_(dá)26%。

表4 主要工況下斜拉索荷載占比表

4.2 斜拉索對(duì)主梁剛度的影響

通過調(diào)整斜拉索剛度或梁體高度，分析拉索對(duì)主梁剛度的影響，結(jié)果如表5、表6所示。

表5 拉索剛度影響效應(yīng)表

表6 主梁剛度影響效應(yīng)表

從表5、表6可以看出：(1)拉索自身剛度變化對(duì)主梁剛度影響甚微；(2)成橋運(yùn)營(yíng)工況下，斜拉索對(duì)梁體剛度的貢獻(xiàn)很小，結(jié)構(gòu)剛度主要由主梁提供，梁高對(duì)梁體剛度有著決定性作用。

4.3 矮塔斜拉T構(gòu)橋型適應(yīng)性分析

(1)鐵路梁橋上部結(jié)構(gòu)自重較大，采用矮塔斜拉加勁可有效調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力。斜拉索實(shí)質(zhì)作用相當(dāng)于體外預(yù)應(yīng)力，利用大偏心距的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮拉索作用，降低主梁0號(hào)塊負(fù)彎矩峰值，從而降低梁高，節(jié)省梁部圬工，提高結(jié)構(gòu)的跨越能力。

(2)矮塔斜拉T構(gòu)與矮塔斜拉三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)有所不同。

①結(jié)構(gòu)內(nèi)力方面：從外部邊界條件看，T構(gòu)橋型為靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)荷載決定其內(nèi)力分布；而三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，可通過邊跨配跨將恒載下的主跨跨中正彎矩轉(zhuǎn)化為支點(diǎn)負(fù)彎矩，充分發(fā)揮變高度梁的截面效率?？梢姡瑹o論是T構(gòu)還是三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，均可以通過矮塔斜拉加勁改善梁體彎矩分布，優(yōu)化鋼束配置，降低截面高度。

②結(jié)構(gòu)剛度方面：三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)通常由主跨控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，邊跨跨度一般為主跨的0.5～0.7倍，能有效降低主跨跨中活載撓度，采用矮塔斜拉加勁亦能有效增加主跨剛度，因此具有較大的跨越能力，橋型適應(yīng)性更強(qiáng)。而T構(gòu)兩個(gè)邊跨完全相同，上部結(jié)構(gòu)剛度主要靠梁體自身提供，跨度越大矮塔斜拉加勁效率越低，斜拉索功效顯著降低，因此，鐵路橋梁采用矮塔斜拉T構(gòu)不宜將跨度做得過大。

(3)高速鐵路橋梁鋪設(shè)無砟軌道，對(duì)靜活載作用下梁端轉(zhuǎn)角要求嚴(yán)格(橋臺(tái)與橋梁之間θ≤1‰，相鄰兩孔梁之間θ1+θ2≤2‰)[9]，采用大跨度T型剛構(gòu)橋型，容易出現(xiàn)梁端轉(zhuǎn)角控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情況，導(dǎo)致轉(zhuǎn)角剛度控制截面梁高，造成梁部材料強(qiáng)度未充分利用。在此情況下再采用矮塔斜拉進(jìn)行加勁，一是對(duì)梁部剛度提高十分有限；二是拉索加勁對(duì)梁體內(nèi)力改善主要體現(xiàn)在降低0號(hào)塊負(fù)彎矩、優(yōu)化體內(nèi)束用量方面，其作用功效相對(duì)有限。因此，矮塔斜拉T構(gòu)橋型在無砟軌道橋梁上的適用性相對(duì)有限，可采用梁端設(shè)置過渡短梁等方式解決轉(zhuǎn)角問題，方能發(fā)揮此種橋型的優(yōu)勢(shì)。而對(duì)梁端轉(zhuǎn)角要求相對(duì)寬松的有砟軌道鐵路(200 km/h客貨共線鐵路及城際鐵路要求橋臺(tái)與橋梁之間θ≤3‰，相鄰兩孔梁之間θ1+θ2≤6‰；高速鐵路要求橋臺(tái)與橋梁之間θ≤2‰，相鄰兩孔梁之間θ1+θ2≤4‰)[10]，采用此種橋型能夠充分發(fā)揮矮塔斜拉加勁改善梁體內(nèi)力的特點(diǎn)[11]，降低體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束用量指標(biāo)，減小截面高度，以提升結(jié)構(gòu)跨越能力。

5 結(jié)論

本文以渝(重慶)黔(黔江)鐵路長(zhǎng)途河大橋?yàn)楣こ瘫尘?，開展了矮塔斜拉T構(gòu)橋拉索布置范圍及索間距對(duì)梁體受力及剛度的影響規(guī)律分析，探討了矮塔斜拉T構(gòu)橋型的適用性，得到以下主要結(jié)論：

(1)斜拉索靠近主塔布置、適當(dāng)加密索間距、提高塔高有利于減小梁部負(fù)彎矩峰值。

(2)矮塔斜拉T構(gòu)橋的斜拉索相當(dāng)于主梁體外預(yù)應(yīng)力束，其主要作用在于調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)較小，主梁剛度主要由梁體自身提供。

(3)鐵路矮塔斜拉T構(gòu)橋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮地形地質(zhì)、跨度、凈空及橋型受力特點(diǎn)等條件，把握好結(jié)構(gòu)剛度與主梁截面強(qiáng)度的平衡點(diǎn)。

(4)矮塔斜拉T構(gòu)橋結(jié)構(gòu)較適于有砟軌道鐵路橋梁。