胡志冰
(河南交投民沈高速公路有限公司,河南鄭州 450016)
矮塔斜拉橋是介于連續梁(剛構)橋和斜拉橋之間的一種新橋型。矮塔斜拉橋的橋塔不高,梁高也僅為連續梁橋的一半,既具有斜拉橋纖細柔美、高大宏偉的特點,又克服了連續梁橋的笨重和壓迫感,且具有上下結構協調的美感。由Christian Menn 設計并建于1981 年的瑞士甘特(Ganter)大橋,是矮塔斜拉橋的雛形。2000 年我國建成第一座矮塔斜拉橋——蕪湖公鐵兩用大橋。2011 年在京滬高速鐵路天津樞紐,設計并建成了一座三塔四跨預應力混凝土矮塔斜拉橋,是我國第一座高速鐵路預應力混凝土矮塔斜拉橋。隨著我國高速鐵路的飛速發展,加之矮塔斜拉橋具有施工方便、剛度大、抗震性能優、美學形態好等特點,使得矮塔斜拉橋成為高速鐵路橋型的重要選擇。
該高速鐵路雙塔雙索面矮塔斜拉橋跨度為(75+110+75)m,位于直線雙線250km/h 無砟軌道客運專線上,線間距5.0m,列車荷載采用ZK 活載,主橋寬度16.0m[1.00m(人行道)+1.50m(索塔)+3.00m(至線路中心)+5.00m(雙線中心距)+3.00m(至線路中心)+1.50m(索塔)+1.00m(人行道)],該橋索塔支撐采用塔梁墩固結形式。設計主梁為塔根處無索區長度為18m,跨中部分為14m,邊跨部分是27m,各跨有索區長度都以30m 對稱布置,全橋孔跨布置圖如圖1所示[1-5]。
圖1 全橋孔跨布置圖(單位:cm)
該橋主梁采用的橫截面形式為預應力混凝土單箱雙室的截面形式(見圖2),主墩支點處梁高5.5m,跨中斷面梁高3m,梁高按二次拋物線變化,箱梁頂寬16m,箱梁底寬14m;箱梁腹板直立設置,厚度由支點處1.0m 按一次線性漸變至跨中范圍0.4m。頂板厚度一般為0.3m,底板厚度由支點處0.5m 按二次拋物線漸變至跨中范圍0.25m。斜拉索布置在腹板。主梁除支點處設橫隔板外,每根拉索錨固點處均設有橫隔板,間距5.0m 左右[6]。
圖2 主梁截面圖(單位:cm)
橋塔采用單柱型鋼筋混凝土結構(見圖3),梁頂面以上高13m。橋塔形式采用鋼筋混凝土矩形實心截面,外輪廓作倒角、凹槽等處理,以增加結構的美學特性[7]。
圖3 橋塔結構圖(單位:cm)
為充分利用矮塔的高度,發揮斜拉索對梁體的豎向支承作用及斜拉索的最佳景觀效果,該橋采用扇形雙索面雙排索。由于矮塔斜拉橋主梁的剛度較大,結構受力時,以主梁為主,拉索為輔,同時為了方便施工,該設計采用的主梁上索距為5m,每個橋塔設7 對斜拉索,斜拉索在塔上的索距設為0.8m。斜拉索采用平行鋼絞線,由37 根直徑15.2mm 鍍鋅鋼絞線或環氧涂層鋼絞線平行、緊密排列集束而成,鋼絞線的標準強度可達1860MPa。每根鋼絞線外包熱擠壓黑色PE 管,索體外套白色或彩色HDPE 管,形成多層防腐保護體系[8]。
采用Midas Civil 軟件對結構進行空間有限元分析,梁、塔、墩采用梁單元模擬,斜拉索采用索單元模擬,橋墩、梁、塔三體為固結,采用剛性連接。索的作用點與主梁采用彈性連接中的剛性連接進行連接,全橋共劃分184 個節點、177 個單元,梁體采用C50 混凝土,橋塔、橋墩采用C40 混凝土。該橋整體有限元模型如圖4 所示。按照規范要求在恒載(自重、二期恒載、混凝土收縮及徐變、預應力、基礎變位等)、活載、附加力(溫度力)等荷載組合作用下,從各施工步驟到運營階段對橋梁結構進行了全面檢算[9]。
圖4 成橋有限元模型
根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB 10002.3—2005)6.3.10條規定:運營荷載作用下正截面混凝土壓應力(扣除全部預應力損失后)應符合下列規定。
其一,主力組合作用時:σc≤0.50fc=0.5×33.5=16.75MPa。
其二,主力+附加力組合作用時:σc≤0.55fc=0.55×33.5=18.425MPa。
根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB 10002.3—2005)6.3.7 條規定:在運營荷載作用下,混凝土的最大剪應力應符合公式要求。τc≤0.17fc=0.17×33.5=5.695MPa。
根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB 10002.3—2005)6.3.9 條規定:對不允許出現拉應力的構件,按抗裂計算的主拉應力應符合下式要求:σtp≤fct=3.1MPa,主壓應力應符合下式要求:σcp≤0.60fc=0.6×33.5=20.1MPa。
在各種可能的荷載組合下,主梁各截面的應力檢算結果見表1。
表1 主梁在荷載組合作用下的應力檢算結果匯總表 單位:MPa
由表1 可知,該橋在荷載組合作用下的主梁的正應力、主應力、剪應力均滿足規范要求。
根據《高速鐵路設計規范》(TB 10621—2014)7.3.2 條規定,梁體的豎向變形、變位限值應符合下列規定:該次設計的列車速度為250km/h 相應的邊跨的豎向撓度不應大于0.6 倍的L/1400,中跨的豎向撓度不應大于0.6 倍的L/1000。梁體豎向撓度見表2,從表2 可知主梁的剛度滿足規范要求[10]。
表2 豎向撓度驗算表 單位:mm
3.3.1 斜拉索的組合應力檢算
計算斜拉索組合應力按容許應力法進行檢算,具體檢算條件為:
σmax≤[σ]=0.6Ry=0.6×1860=1116MPa(1)式(1)中:σmax為斜拉索的最大組合應力(正常使用極限狀態的應力計算組合工況)。設計中要求對每根斜拉索均進行應力強度檢算。結果見表3。
表3 運營階段斜拉索最大應力表 單位:MPa
由表3 可知斜拉索的最大拉應力發生在C4’上,斜拉索組合應力最大值為:σmax=649.28MPa≤0.6fpk=1116MPa,斜拉索的拉應力滿足要求。
3.3.2 疲勞檢算
《高速鐵路設計規范》(TB 10621—2014)未對斜拉索疲勞強度檢算提出明確要求。設計中的斜拉索疲勞檢算方法為:要求斜拉索的疲勞應力幅度小于50MPa,即公式:斜拉索的疲勞應力幅度=最大活載應力-最小活載應力,結果參見表4。
表4 運營階段斜拉索最大應力幅檢算
表4(續)
運營階段斜拉索最大活載應力幅出現在C4’索上,其值為42.38MPa<[△σ]=50MPa,故斜拉索疲勞滿足要求。
采用(75+110+75)m 雙塔雙索面矮塔斜拉橋,增加了結構的剛度,提高了施工的便利性,優化了橋梁美感。通過對該橋主梁截面的正應力、主應力、剪應力、剛度進行檢算,各項應力指標均滿足設計規范的要求。對該橋斜拉索進行強度和疲勞檢算的結果,各項指標亦滿足設計規范的要求。通過對該雙塔雙索面矮塔斜拉橋進行設計計算,為后續的高速鐵路矮塔斜拉橋設計提供參考。