大縱坡小曲線半徑轉體斜拉橋在鄭萬鐵路橋梁中的應用

■ 李桂林 李波 嚴定國 周繼

1 概述

鄭萬鐵路是重慶地區通往華北、華中地區的快速客運主骨架，對補充完善我國鐵路“四縱四橫”客運專線網，構建沿長江經濟帶現代綜合交通運輸體系具有重要戰略意義。聯絡線特大橋為正線引入鄭州南站橋梁，位于鄭州市，主墩里程ZWSLDK005+243．690。由于鄭州南站標高等限制，本橋位于大縱坡小曲線半徑上。

工程建設場地屬北溫帶大陸性氣候，年平均氣溫14．4 ℃，極端溫度42～45 ℃，最低氣溫-17．9 ℃，年平均相對濕度60%。區內風向有明顯季節變化，全年風速平均3 m/s，最大達18 m/s。根據鉆探揭露，結合區域地質資料對比分析，沿線所經過的地層巖性較復雜，按其成因和時代分類主要有：第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl）粉砂、細砂、粉土、粉砂、細砂、第四系上更新統沖洪積層（Q3al+pl）粉土、細砂、粉質黏土。橋址地勢平坦，地面標高范圍100～110 m，土壤多為黏性土、壤土和砂土。

2 技術標準

（1）線路等級：高速鐵路；

（2）正線數目：單線；

（3）設計行車速度：160 km/h；

（4）軌道類型：有砟軌道；

（5）設計荷載：采用ZK活載；

（6）主橋位于-29．100‰縱坡上，平面位于平曲線，半徑R=1 400 m。

3 主橋方案設計

3.1 橋跨布置

橋址于ZWSLDK5+289．31—ZWSLDK5+329．58處跨越鄭西高鐵，鐵路與線路交叉夾角17°，限高7．25 m，測時路面標高119．57 m，正寬11．75 m，采用（32+2×138+32）m斜拉橋跨越。

3.2 結構總體布置

主橋采用（32+2×138+32）m預應力混凝土獨塔斜拉橋方案，主橋長341．5 m，主跨138 m跨越鄭西高鐵，主橋結構總體布置見圖1。

橋位處主橋墩高25 m，為跨度的1/5．52，獨塔體系，溫度力可自由釋放，同時考慮跨越高鐵采用轉體施工方案，因此選用塔墩梁固結體系。

3.3 結構設計

3.3.1 主梁

混凝土箱梁采用單箱雙室截面，截面全寬11．0 m，主跨中心處梁高2．5 m，邊跨中心處梁高3．0 m。為減少曲線梁轉體時球鉸橫向偏心，主跨采用較小的截面尺寸，為剛塔柔梁結構體系。普通截面分標準橫截面、加厚橫截面、隔板截面3種。標準橫截面頂板厚25 cm、底板厚30 cm、中腹板厚30 cm、斜底板厚25 cm；加厚橫截面頂板厚30 cm、底板厚30 cm、中腹板厚30 cm、斜底板厚30 cm；支點隔板截面頂板厚60 cm、底板厚60 cm、中腹板厚90 cm、斜底板厚60 cm。

混凝土箱梁拉索橫梁與斜拉索位置對應設置，全橋共計22道斜拉索橫梁，拉索橫梁厚50 cm。塔墩梁固結區域、輔助墩頂、邊墩頂均設置一道橫隔梁，其中塔墩梁固結區域橫隔梁厚6．00 m、輔助墩頂橫隔梁厚2．50 m、邊墩頂橫隔梁厚2．35 m，全橋共計5道墩（塔）頂橫隔梁，各墩（塔）頂橫隔梁均設置過人孔。

為減少一次混凝土澆筑方量，主跨轉體混凝土主梁共分為10個節段澆筑，橋塔兩側各8 m與橋塔一同澆筑，后依次從塔中心向塔兩側逐孔現澆，節段混凝土長24 m。邊跨混凝土主梁采用原位支架現澆方案，節段混凝土長40．75 m，于輔助墩靠近主塔方向8 m位置設置合龍段，合龍段長2 m，主梁標準截面見圖2。轉體前，曲線主梁由于拉索分力作用，有朝向曲線內側的分力，導致轉體前主梁存在較大橫向位移，支架現澆主梁時，需設置橫向預偏量。

3.3.2 主塔

采用鉆石型索塔，橋面以上索塔采用倒Y形，橋面以下塔柱為獨柱型。塔底以上索塔全高86．0 m，橋面以上塔高61．0 m，橋面以下塔高25．0 m，橋面以上塔的高跨比為1/2．262。索塔縱向寬度橋面以上至塔頂均為6 m，橋面以下由6 m線性加寬至塔底10 m，索塔四角設30 cm×30 cm倒角。上塔柱斜拉索錨固區橫橋向寬5．2 m，縱橋向寬6．0 m，采用單箱單室截面，順橋向壁厚1．0 m，橫橋向壁厚0．8 m。索塔錨固區設置U形預應力鋼束。中塔柱為兩分離式傾斜塔柱，傾斜度1∶7．705 4。單箱單室截面每柱橫橋向寬3．2 m，順橋向壁厚0．8 m，橫橋向壁厚0．9 m。下塔柱采用獨柱式。單箱單室截面橫向寬度由16．8 m漸變至13．0 m，順橋向尺寸由上端6．0 m漸變至10．0 m，順橋向壁厚1．0 m、橫橋向壁厚1．5 m，底部設置3．5 m實體段。橋塔結構示意見圖3。

圖1 主橋結構總體布置

圖2 主梁標準截面

圖3 橋塔結構示意圖

3.3.3 斜拉索

斜拉索橫向為雙索面布置，立面為半扇形布置。索塔單側設11對斜拉索，塔上索距1．8～3．0 m，梁上索跨12．0 m。斜拉索與塔、梁采用設置齒塊的錨固方式，張拉端設置在塔內。斜拉索采用Φ7 mm熱擠聚乙烯鍍鋅平行鋼絲拉索，成品拉索彈性模量E=2．0×105MPa，拉索規則為PES（C）7-151/187/211/223/241，拉索長度41．3～146．2 m。

從構造方面考慮，對于該類型向線路中心線內傾的扇形布置斜拉索，且為小曲線半徑梁時，考慮建筑限界要求，接觸網基礎布置于曲線內側時能減小橋面寬度[1-2]。

3.3.4 球鉸支座

轉體球鉸豎向承載力165 000 kN。轉體結構由下轉盤、球鉸、轉體牽引系統、助推系統、軸線微調系統組成。球鉸轉動摩擦力矩為：

式中：R為球鉸球面半徑，R=2 m；μ為球鉸摩擦系數。

啟動時摩擦系數μ靜=0．1，M靜=22 000 kN·m；轉動過程中摩擦系數μ動＝0．06，M動＝13 200 kN·m。

在上述轉動條件下，計算牽引力：

式中：D為轉臺直徑，D=11 m；N為轉體時撐腳最大支撐力，N=2 000 kN；R撐為撐腳半徑，R撐=4．5 m。

計算表明，啟動時所需最大牽引力2T＝2×2 082．0 kN；轉動時所需最大牽引力2T＝2×1 249．1 kN。具體實施前進行預牽引試驗，測出實際摩擦系數、轉動質量且針對現場轉臺直徑對牽引力進行相應調整。主橋位于曲線半徑R=1 400 m平曲線，主梁橫向重心于主塔中心線不重合，為消除球鉸支座平轉時的橫向彎矩，采用設置橫向預偏的方式處理，經計算分析，球鉸橫向預偏為0．847 m，方向為曲線內側，轉體系統平面布置示意見圖4。

3.3.5 基礎

主橋基礎均采用鉆孔灌注樁基礎，主塔采用21根Φ2．20 m鉆孔樁，輔助墩采用10根Φ1．50 m鉆孔樁基礎，小里程側交界墩采用8根Φ1．50 m鉆孔樁基礎，大里程側交界墩為跨道路門式墩結構，左右柱基礎均為4根Φ1．25 m。

4 結構分析

4.1 結構剛度

剛度是鐵路斜拉橋設計時重要控制指標，本橋計算跨度小于列車加載長度，不需考慮活載加載長度影響[3]，各工況下位移及撓跨比見表1?？紤]列車行車平穩性，梁端轉角按照有砟軌道梁限值2．00‰控制[4]，兩端無輔助跨時，梁端轉角為3．12‰，超規范限值，因此在主跨兩端均加設一跨輔助跨。

圖4 轉動系統平面布置示意圖

本橋主梁位移見圖5。從圖5可知，該橋位移最大位置為主跨靠近橋塔側約2/3位置，表現出該獨塔斜拉橋受力特性約相當于同等條件下雙塔斜拉橋主跨180 m跨度特性。

4.2 主梁內力分析

本橋為大縱坡小曲線半徑獨塔混凝土斜拉橋，主梁受力呈現以下規律：

（1）主梁主力工況彎矩及軸力包絡見圖6，該獨塔斜拉橋兩個主跨主梁為以受壓為主的壓彎構件，輔助墩區域及輔助跨均為以受彎為主的壓彎構件，其中輔助墩墩頂負彎矩最大，為該橋受力控制區域。

（2）從縱坡效應來看，小里程側控制點彎矩比大里程側彎矩大，但差異較小，在3%以內。以橋塔與主梁位置標高為基準設置為平坡時和按照實際坡度檢算結果比較，小里程側主力工況彎矩比平坡時小，大里程側主力工況彎矩比平坡大。主要由于縱坡的存在，改變了斜拉索與主梁間的夾角，而夾角越大，斜拉索索力能更好發揮，這也解釋了大里程側斜拉索索力比小里程側大的緣故。

表1 活載作用下結構位移及撓跨比

圖5 主梁位移圖

圖6 主梁主力工況彎矩及軸力包絡圖

（3）曲線效應對結構的影響分析，當主梁為直線時，恒載作用下，主梁橫向彎矩幾乎為零。主梁為曲線時，恒載作用下，由于曲線內外側斜拉索橫橋向偏角引起的內力未能抵消，對主梁產生橫橋向彎矩作用。橫橋向索力分量為向心力，能抵消一部分離心力引起的主梁橫向彎矩效應。同時不考慮曲線效應時，主梁橋塔附近最大壓力及輔助墩位置最大負彎矩均比考慮曲線效應時略大，主要為前者斜拉索索力能更好地發揮效應的緣故。

根據主梁受力特性，本橋主梁預應力設置以短索為主[5]，盡量減少預應力次內力引起的負效應。

4.3 斜拉索設計

斜拉索是斜拉橋的關鍵承重構件，直接承受橋面恒、活載，除要求有較大的靜力安全系數外，還要求具有足夠的疲勞抗力。斜拉索規格確定時考慮以下因素：斜拉索強度安全系數、活載疲勞應力幅、斜拉索應力變幅、成橋斜拉索應力[6-7]。根據鋼材的受力特性，當拉索的荷載超過破斷荷載的50%，鋼的非彈性應變將快速增加，因此斜拉索容許值一般控制在0．40～0．45倍抗拉強度標準值，本橋斜拉索按安全系數不小于2．5設計。

主力工況斜拉索索力計算結果見圖7。

斜拉索疲勞應力幅按以200萬次循環加載的壽命基數，由單根鋼絲疲勞試驗應力幅到實橋斜拉索組裝件的疲勞應力幅設計值[8-9]，折減（103．430+34．475）≈137．9 MPa，取140 MPa。

斜拉索索力分布總體呈現以下趨勢，索力最大值位于大里程曲線外側靠近跨中區域，主力+附加力工況最大索力為4 744 kN，同時，曲線外側拉索力略大于曲線內側?？紤]線路縱坡影響，相同位置斜拉索大里程側索力比小里程側大。斜拉索最大疲勞應力幅為88 MPa，位于主梁靠近橋塔附近約1/3位置（見圖8）。

4.4 橋塔設計分析

圖7 主力工況斜拉索索力

圖8 斜拉索疲勞應力幅

橋塔按鋼筋混凝土構件檢算其強度、穩定及裂縫?？紤]塔柱非線性影響，橋塔截面彎矩增大系數η根據計算截面位置長度計算[10]。提取整體計算模型相關截面位置的內力結果進行相關計算，對實體段附近截面采用增加固端干擾應力增大系數考慮[11]。

經檢算，橋塔下塔柱及上塔柱受力均較小，中塔柱主力工況混凝土最大壓應力為5．85 MPa，裂縫寬度為0．003 mm，鋼筋應力為13．80 MPa；中塔柱主力+附加力工況混凝土最大壓應力為6．09 MPa，裂縫寬度為0．010 mm，鋼筋應力為16．47 MPa，混凝土應力、裂縫寬度、鋼筋應力均滿足規范要求。

4.5 全橋穩定性分析

全橋施工階段及運營階段最小穩定系數（對應第一階彈性屈曲失穩模態）見表2。

在各計算工況下，結構彈性穩定系數數值上整體表現為下降的趨勢，施工階段的最小穩定系數發生于轉體階段，此時穩定系數為36．5。本橋施工階段一階屈曲模態表現為主梁豎向彎曲。

表2 一階彈性屈曲失穩模態分析結果

在使用階段，結構彈性穩定系數均遠大于《公路斜拉橋設計規范》中斜拉橋彈性穩定系數應大于4的要求，且一階屈曲模態亦表現為主梁豎向彎曲。

5 結論

（1）該橋以小角度跨越鄭西高鐵，采用轉體施工方案最大限度減少對既有鐵路運營影響，以最小跨度實現跨越既有線功能。該橋位于大縱坡小曲線半徑，采用獨塔混凝土橋梁布置形式，有效節省投資。

（2）主梁兩主跨區域主要為斜拉索受力，主梁為以壓為主的壓彎構件，采用2．5 m梁高，輔助墩附近及輔助跨區域，主梁為主要受力構件，為以彎為主的壓彎構件，采用3．0 m梁高，主跨區域最大限度地減小梁高，減小橋塔跨度，滿足跨既有線建筑限界要求。

（3）對于該類型大縱坡小曲線半徑斜拉橋，標高較高側斜拉索索力比標高較低側索力小，斜拉索曲線外側索力比曲線內側大。

（4）曲梁轉體時，球鉸需設置橫向偏心矩，使得偏心后球鉸中心與主梁橫向重心重合，防止球鉸轉動過程中承受橫向彎矩作用。為減少橫向偏心矩，主橋結構宜設置成塔墩梁固結體系，截面尺寸擬定過程中，除滿足結構受力要求外，宜按照剛塔柔梁設計思路開展。

（5）該橋主跨梁高較小，而結構剛度高，體現斜拉索對主梁結構有良好的加勁作用，同時分析內力分布規律，表明該橋主跨區域斜拉索為主要受力構件，且全橋結構受力合理，表現出良好的結構受力特性。