懷邵衡鐵路沅江特大橋主橋設計

? 懷邵衡鐵路沅江特大橋主橋設計

尹書軍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司橋樑設計研究院，武漢　430063)

摘　要：懷邵衡鐵路沅江特大橋主橋為矮塔斜拉加勁連續梁組合結構，跨徑為(90+180+90) m，採用塔、梁固結體系，綜述該橋上部結構設計與計算。主梁採用單箱單室變截面混凝土箱梁；橋塔採用雙柱式橋塔，塔高28 m；斜拉索為空間雙索麵體系，扇形布置。採用MIDAS Civil2006及BDAP程序對該橋進行結構計算分析，結果表明：該橋靜力、穩定及動力特性均滿足要求。

關鍵詞：鐵路橋；連續梁；橋塔；斜拉索；設計；靜力分析；動力響應

1　工程概況

懷邵衡鐵路沅江特大橋在懷化市洪江市安江鎮跨越沅江，線路與河流交角為72°，橋位附近河道較順直，河道在離橋不遠處逐漸變寬，且河灘範圍變寬。橋軸法線方向與沅江河道水流方向斜交角度為18°。橋址處上游匯水面積F=40 350 km2，設計流量Q1%=26 400 m3/s，設計水位H1%=168.15 m，設計流速V1%=2.08 m/s。沅江既有航道等級為Ⅴ級，遠期規劃為Ⅳ級航道，雙向通航凈寬不小於90 m、通航凈高不小於8.0 m，最高通航水位為162.44 m、最低通航水位為150.50 m。橋址區抗震設防烈度為6度，地震基本加速度為0.05g。

主橋結構高度、跨度主要受沅江百年水位、通航、防洪以及安江車站填土高控制，初步設計階段主跨採用了(68+3×136+68) m連續梁拱方案，(102+2×180+102) m連續鋼桁梁，(90+180+90) m矮塔斜拉加勁連續梁組合結構3個方案進行對比。因鐵路與河道斜交角度大於5°，航道主管部門要求主跨一跨跨越通航全部水域；而《湖南省涉河橋樑水利技術規定》中要求涉河橋墩阻水率應控制在4%～5%，這就要求盡量減少水中橋墩；綜合通航、防洪以及經濟性要求，施工圖主跨最終採用(90+180+90) m矮塔斜拉[1-2]加勁連續梁組合結構，如圖1所示。

圖1　懷邵衡鐵路沅江特大橋主橋立面布置(單位:cm)

2　主要技術標準

(1)鐵路等級為客貨共線、雙線、有砟軌道鐵路；(2)設計旅客列車行車速度為200 km/h；(3)設計荷載為中-活載；(4)主橋位於直線、平坡線路上；(5)線間距為5.0 m。

3　結構設計

主橋採用(90.8+180+90.8) m矮塔斜拉加勁連續梁組合結構[3-5]，全長361.6 m，橋面寬13.6 m，線路中心線距離擋砟牆內側2.23 m。

3.1　主梁

單箱單室、直腹板箱形截面，結構受力明確、自重輕、豎向高度大，施工相對簡單。本橋為雙線鐵路橋，由於主跨跨徑大，雙線活載、二期恆載相對較大，為滿足橋樑豎、橫向剛度要求同時減少主梁圬工，選擇單箱單室截面。主梁為預應力混凝土梁結構[6]，中支點處梁高9.6 m，高跨比為1/18.75；邊支點及中跨中處梁高5.0 m，高跨比為1/36。中跨中等高度梁平段長38.0 m；中間69 m為變高度梁，梁底曲線採用二次拋物線。主梁標準橫斷面見圖2。

圖2　主梁標準橫斷面(單位:cm)

主梁頂板寬度為13.6 m，箱梁頂板厚42 cm，底板寬9.4 m，底板厚度由中跨處的50 cm漸變至中支點附近處120 cm，支點局部加厚。箱梁腹板厚度分60、80、100 cm三種，並在梁墩(塔)結合塊附近一定區域漸變加厚。全梁共布置橫隔板5道，分別設在梁的兩端、墩塔梁固結處、跨中。斜拉索各錨固點主梁箱內及前一節段分別設置1.6m高橫樑1道，全梁共計32道。

3.2　橋塔[7]

本橋構思以連續梁為主體承重結構，連續箱梁和索塔相固結，斜拉索穿過索塔上的索鞍類似預應力混凝土梁的體外索而不像斜拉索，索鞍相當於體外索的轉向點，索的應力幅和一般斜拉橋的拉索相比大幅減少，因而可以不考慮疲勞而提高容許拉力值，這些拉力對梁體除了提供水平壓力外，其豎向分力還減少了梁的有效自重，降低了梁高。一般常規斜拉橋索塔在梁面以上高為跨度的1/5～1/4.55，為盡量減少索塔高，使結構受力類似矮塔斜拉橋，考慮橋址處景觀要求，橋面以上橋塔高取28 m，索塔高跨比為1/6.43。結合橋面布置要求，橋塔採用雙柱式橋塔形式、矩形實體截面，順橋向寬4.8 m，橫橋向寬2.4 m，中間設置寬度120 cm、深20 cm挖槽。

3.3　斜拉索[8]

本橋為矮塔斜拉加勁連續梁組合結構，設計採用單絲塗覆環氧塗層鋼絞線拉索、分絲管配套索鞍。分絲管索鞍配備有抗滑鍵，有利於施工過程中抗滑移，且具備成橋後單根換索條件；單絲塗覆環氧塗層鋼絞線拉索位單根塗覆環氧塗層，再外包有環氧塗層，抗腐蝕、耐久性較好。

主橋斜拉索採用單絲塗覆環氧塗層鋼絞線拉索體系，外套HDPE，空間雙索麵體系。斜拉索樑上間距6.0 m，與主梁採用成品梁端錨具形式，主梁內設置錨固梁，張拉端設置在樑上。斜拉索在塔端採用分絲管索鞍貫通，間距為1.0 m。斜拉索規格分為55-7φ5 mm、43-7φ5 mm兩種，端索水平夾角為21.73°，斜拉索(錨固點至橋塔理論交點)最長約76.43 m，最短約41.5 m，採用單根張拉。

3.4　錨固方式

主梁為預應力混凝土連續梁，單箱單室截面，鐵路雙線位於箱梁中間，斜拉索須布置在箱梁翼緣板兩側，錨固位置設置加勁橫樑，具體見圖3。

圖3　索梁錨固布置

4　結構分析

4.1　靜力分析[9-12]

採用MIDAS2006計算軟體進行施工階段和運營階段結構靜力分析，採用BSAS軟體進行了校核。計算中考慮自重、預應力、活載、支座不均勻沉降、溫度以及施工臨時荷載等，並考慮了施工過程中體系轉換的影響。其中根據當地氣候條件，合龍溫度取21 ℃；體系升降溫採用±20 ℃；主梁頂板日照溫差+5 ℃；斜拉索與混凝土主梁、塔柱結構溫差採用±15 ℃；橋塔受側向日照影響，塔身左右側溫差取±5 ℃；支座不均勻沉降按2 cm考慮。

4.1.1　主梁

主梁採用懸臂澆築法施工，先合龍邊跨，再合龍中跨。為避免端支點出現負反力支座，在邊跨端部設9.8 m長橫隔板。按照最不利組合進行檢算，檢算結果見表1。由表1可知，主梁各截面應力均能滿足相關規範要求。

表1　主梁應力、強度檢算結果

項目上緣下緣最大應力/MPa最小應力/MPa最大應力/MPa最小應力/MPa最大剪應力/MPa最大主應力/MPa最小主應力/MPa上緣抗裂安全係數最小值下緣抗裂安全係數最小值強度安全係數主力13.031.3614.481.813.8915.76-2.41.561.912.33主+附15.180.9315.021.48416-2.981.491.582.27

中跨最大靜活載撓度為143.6 mm，為主跨的1/1 253.5，梁端轉角為為1.51‰；主梁在搖擺力+橫向風力作用下的橫向水平撓度為24.1 mm，撓跨比為1/11 935.4；後期徐變[5]邊跨上拱2.38 mm，中跨上拱20.8 mm。

4.1.2　斜拉索

斜拉索最大活載應力幅為74.6 MPa，為中跨邊索。斜拉索在主力工況下最大拉應力為824.8 MPa，最小安全係數為2.25；在主+附工況下最大拉應力為845 MPa，最小安全係數為2.20。

4.1.3　索塔

橋塔為小偏心受壓構件形式，混凝土主力最大壓應力為5.73 MPa，鋼筋應力為56.82 MPa；主+附最大壓應力為6.13 MPa，鋼筋應力為68.82 MPa。

4.1.4　索梁錨固體系[13]

採用ANSYS有限元軟體對索梁錨固區進行受力分析。計算結果可知，斜拉索的拉力，首先由錨固塊承擔，錨固塊體為局部承壓構件，腹板與錨固塊直接相連，承受較大拉力，錨固梁主要起到傳遞力，使全截面共同受力的作用。

索梁錨固區在錨固塊處主拉應力較大，但主要在錨固塊表面，沿深度方向發展不大，此處布置普通鋼筋進行補強；索梁錨固區局部承壓除去套筒周邊小範圍區域，最大主壓應力均小於錨固區局部的容許壓應力29.12 MPa，滿足設計要求。

4.2　動力分析[14]

採用橋樑結構動力分析程序BDAP，建立全橋動力分析模型，對橋樑空間自振特性及車橋耦合動力響應進行計算與分析。

(1)橋樑動力特性計算。橋樑前7階自振頻率、振型主要特點見表2。

表2　橋樑前7階自振頻率、振型主要特點匯總

含樁基礎梁單元模型等效承台剛度單元模型階次自振頻率/Hz自振周期/s階次自振頻率/Hz自振周期/s振型10.6271.59510.6341.577梁體1階豎彎20.6951.43920.7041.421梁體縱向漂移梁體1階豎彎30.8221.21730.8271.209梁體1階橫彎40.9861.01441.0510.951梁體2階橫彎51.3560.73751.360.736梁體2階豎彎61.360.73561.3630.733橋塔1階橫彎71.4890.67271.5110.662橋塔2階橫彎

(2)車橋耦合動力相應分析：對C80貨車以速度60～120 km/h及CRH2、CRH3動車組以140～300 km/h通過時，車輛的脫軌係數、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內，列車的豎、橫向加速度值均小於規範限值，列車安全性滿足要求。

沅江特大橋在CRH2、CRH3動車組以速度140～275 km/h通過時，動力、拖車的豎向、橫向運行平穩性

均達到「優」；C80貨車以速度60～120 km/h通過時，重車和空車的豎向和橫向運行平穩性均達到「優」。

5　結語

(1)矮塔斜拉加勁連續梁組合結構受力特徵主要介於連續梁與矮塔斜拉橋之間，主要以主梁受力為主，斜拉索類似連續梁的體外索，橋塔實際上是體外索的轉向塊。

(2)矮塔斜拉加勁連續梁組合結構，由於採用矮塔斜拉加勁有效地降低了橋樑梁部建築高度，增加了橋樑通透性，梁體輕巧、結構新穎；同時又降低了線路縱斷面，減少了投資[15]。

(3)矮塔斜拉加勁連續梁組合結構受力性能優越，兼有連續梁和斜拉橋特點，其較大的剛度適用於鐵路橋樑的需要，提高了大跨度混凝土結構的應用途徑。

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Design of the Main Bridge of Yuanjiang Extra Large Bridge on Huaihua-Shaoyang-Hengyang Railway

YIN Shu-jun

(Bridge Engineering Research and Design Institute， China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract：The main bridge of Yuanjiang extra-long bridge is a low tower cable-stayed continuous beam composite structure on Huaihua-Shaoyang-Hengyang railway with span (90+180+90 m). The bridge is of fixed tower-beam system. This paper summarizes the design and calculation of superstructure. The beam is a concrete single cell box girder with varied section. The bridge towers are double-column and 28m high. The stay cable is a space double cable plane system in sector arrangement. The MIDAS Civil2006 and BDAP software are used for structure analysis of the main bridge. The results show that the static and dynamic performances of the bridge meet the requirements．

Key words：Railway bridge; Continuous beam; Bridge tower; Stay cable; Design; Static analysis; Dynamic response

收稿日期：2016-02-20；

修回日期：2016-03-18

作者簡介：尹書軍(1978—)，男，高級工程師，2002年畢業於西南交通大學土木工程學院，工學學士；2008年畢業於武漢理工大學土木與建築學院，工程碩士，E-mail：574549087@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)09-0068-03

中圖分類號：U442.5+3

文獻標識碼：A　　DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.015

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