怀邵衡铁路沅江特大桥主桥设计

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怀邵衡铁路沅江特大桥主桥设计

尹书军

(中铁第四勘察设计院集团有限公司桥梁设计研究院，武汉　430063)

摘　要：怀邵衡铁路沅江特大桥主桥为矮塔斜拉加劲连续梁组合结构，跨径为(90+180+90) m，采用塔、梁固结体系，综述该桥上部结构设计与计算。主梁采用单箱单室变截面混凝土箱梁；桥塔采用双柱式桥塔，塔高28 m；斜拉索为空间双索面体系，扇形布置。采用MIDAS Civil2006及BDAP程序对该桥进行结构计算分析，结果表明：该桥静力、稳定及动力特性均满足要求。

关键词：铁路桥；连续梁；桥塔；斜拉索；设计；静力分析；动力响应

1　工程概况

怀邵衡铁路沅江特大桥在怀化市洪江市安江镇跨越沅江，线路与河流交角为72°，桥位附近河道较顺直，河道在离桥不远处逐渐变宽，且河滩范围变宽。桥轴法线方向与沅江河道水流方向斜交角度为18°。桥址处上游汇水面积F=40 350 km2，设计流量Q1%=26 400 m3/s，设计水位H1%=168.15 m，设计流速V1%=2.08 m/s。沅江既有航道等级为Ⅴ级，远期规划为Ⅳ级航道，双向通航净宽不小于90 m、通航净高不小于8.0 m，最高通航水位为162.44 m、最低通航水位为150.50 m。桥址区抗震设防烈度为6度，地震基本加速度为0.05g。

主桥结构高度、跨度主要受沅江百年水位、通航、防洪以及安江车站填土高控制，初步设计阶段主跨采用了(68+3×136+68) m连续梁拱方案，(102+2×180+102) m连续钢桁梁，(90+180+90) m矮塔斜拉加劲连续梁组合结构3个方案进行对比。因铁路与河道斜交角度大于5°，航道主管部门要求主跨一跨跨越通航全部水域；而《湖南省涉河桥梁水利技术规定》中要求涉河桥墩阻水率应控制在4%～5%，这就要求尽量减少水中桥墩；综合通航、防洪以及经济性要求，施工图主跨最终采用(90+180+90) m矮塔斜拉[1-2]加劲连续梁组合结构，如图1所示。

图1　怀邵衡铁路沅江特大桥主桥立面布置(单位:cm)

2　主要技术标准

(1)铁路等级为客货共线、双线、有砟轨道铁路；(2)设计旅客列车行车速度为200 km/h；(3)设计荷载为中-活载；(4)主桥位于直线、平坡线路上；(5)线间距为5.0 m。

3　结构设计

主桥采用(90.8+180+90.8) m矮塔斜拉加劲连续梁组合结构[3-5]，全长361.6 m，桥面宽13.6 m，线路中心线距离挡砟墙内侧2.23 m。

3.1　主梁

单箱单室、直腹板箱形截面，结构受力明确、自重轻、竖向高度大，施工相对简单。本桥为双线铁路桥，由于主跨跨径大，双线活载、二期恒载相对较大，为满足桥梁竖、横向刚度要求同时减少主梁圬工，选择单箱单室截面。主梁为预应力混凝土梁结构[6]，中支点处梁高9.6 m，高跨比为1/18.75；边支点及中跨中处梁高5.0 m，高跨比为1/36。中跨中等高度梁平段长38.0 m；中间69 m为变高度梁，梁底曲线采用二次抛物线。主梁标准横断面见图2。

图2　主梁标准横断面(单位:cm)

主梁顶板宽度为13.6 m，箱梁顶板厚42 cm，底板宽9.4 m，底板厚度由中跨处的50 cm渐变至中支点附近处120 cm，支点局部加厚。箱梁腹板厚度分60、80、100 cm三种，并在梁墩(塔)结合块附近一定区域渐变加厚。全梁共布置横隔板5道，分别设在梁的两端、墩塔梁固结处、跨中。斜拉索各锚固点主梁箱内及前一节段分别设置1.6m高横梁1道，全梁共计32道。

3.2　桥塔[7]

本桥构思以连续梁为主体承重结构，连续箱梁和索塔相固结，斜拉索穿过索塔上的索鞍类似预应力混凝土梁的体外索而不像斜拉索，索鞍相当于体外索的转向点，索的应力幅和一般斜拉桥的拉索相比大幅减少，因而可以不考虑疲劳而提高容许拉力值，这些拉力对梁体除了提供水平压力外，其竖向分力还减少了梁的有效自重，降低了梁高。一般常规斜拉桥索塔在梁面以上高为跨度的1/5～1/4.55，为尽量减少索塔高，使结构受力类似矮塔斜拉桥，考虑桥址处景观要求，桥面以上桥塔高取28 m，索塔高跨比为1/6.43。结合桥面布置要求，桥塔采用双柱式桥塔形式、矩形实体截面，顺桥向宽4.8 m，横桥向宽2.4 m，中间设置宽度120 cm、深20 cm挖槽。

3.3　斜拉索[8]

本桥为矮塔斜拉加劲连续梁组合结构，设计采用单丝涂覆环氧涂层钢绞线拉索、分丝管配套索鞍。分丝管索鞍配备有抗滑键，有利于施工过程中抗滑移，且具备成桥后单根换索条件；单丝涂覆环氧涂层钢绞线拉索位单根涂覆环氧涂层，再外包有环氧涂层，抗腐蚀、耐久性较好。

主桥斜拉索采用单丝涂覆环氧涂层钢绞线拉索体系，外套HDPE，空间双索面体系。斜拉索梁上间距6.0 m，与主梁采用成品梁端锚具形式，主梁内设置锚固梁，张拉端设置在梁上。斜拉索在塔端采用分丝管索鞍贯通，间距为1.0 m。斜拉索规格分为55-7φ5 mm、43-7φ5 mm两种，端索水平夹角为21.73°，斜拉索(锚固点至桥塔理论交点)最长约76.43 m，最短约41.5 m，采用单根张拉。

3.4　锚固方式

主梁为预应力混凝土连续梁，单箱单室截面，铁路双线位于箱梁中间，斜拉索须布置在箱梁翼缘板两侧，锚固位置设置加劲横梁，具体见图3。

图3　索梁锚固布置

4　结构分析

4.1　静力分析[9-12]

采用MIDAS2006计算软件进行施工阶段和运营阶段结构静力分析，采用BSAS软件进行了校核。计算中考虑自重、预应力、活载、支座不均匀沉降、温度以及施工临时荷载等，并考虑了施工过程中体系转换的影响。其中根据当地气候条件，合龙温度取21 ℃；体系升降温采用±20 ℃；主梁顶板日照温差+5 ℃；斜拉索与混凝土主梁、塔柱结构温差采用±15 ℃；桥塔受侧向日照影响，塔身左右侧温差取±5 ℃；支座不均匀沉降按2 cm考虑。

4.1.1　主梁

主梁采用悬臂浇筑法施工，先合龙边跨，再合龙中跨。为避免端支点出现负反力支座，在边跨端部设9.8 m长横隔板。按照最不利组合进行检算，检算结果见表1。由表1可知，主梁各截面应力均能满足相关规范要求。

表1　主梁应力、强度检算结果

项目上缘下缘最大应力/MPa最小应力/MPa最大应力/MPa最小应力/MPa最大剪应力/MPa最大主应力/MPa最小主应力/MPa上缘抗裂安全系数最小值下缘抗裂安全系数最小值强度安全系数主力13.031.3614.481.813.8915.76-2.41.561.912.33主+附15.180.9315.021.48416-2.981.491.582.27

中跨最大静活载挠度为143.6 mm，为主跨的1/1 253.5，梁端转角为为1.51‰；主梁在摇摆力+横向风力作用下的横向水平挠度为24.1 mm，挠跨比为1/11 935.4；后期徐变[5]边跨上拱2.38 mm，中跨上拱20.8 mm。

4.1.2　斜拉索

斜拉索最大活载应力幅为74.6 MPa，为中跨边索。斜拉索在主力工况下最大拉应力为824.8 MPa，最小安全系数为2.25；在主+附工况下最大拉应力为845 MPa，最小安全系数为2.20。

4.1.3　索塔

桥塔为小偏心受压构件形式，混凝土主力最大压应力为5.73 MPa，钢筋应力为56.82 MPa；主+附最大压应力为6.13 MPa，钢筋应力为68.82 MPa。

4.1.4　索梁锚固体系[13]

采用ANSYS有限元软件对索梁锚固区进行受力分析。计算结果可知，斜拉索的拉力，首先由锚固块承担，锚固块体为局部承压构件，腹板与锚固块直接相连，承受较大拉力，锚固梁主要起到传递力，使全截面共同受力的作用。

索梁锚固区在锚固块处主拉应力较大，但主要在锚固块表面，沿深度方向发展不大，此处布置普通钢筋进行补强；索梁锚固区局部承压除去套筒周边小范围区域，最大主压应力均小于锚固区局部的容许压应力29.12 MPa，满足设计要求。

4.2　动力分析[14]

采用桥梁结构动力分析程序BDAP，建立全桥动力分析模型，对桥梁空间自振特性及车桥耦合动力响应进行计算与分析。

(1)桥梁动力特性计算。桥梁前7阶自振频率、振型主要特点见表2。

表2　桥梁前7阶自振频率、振型主要特点汇总

含桩基础梁单元模型等效承台刚度单元模型阶次自振频率/Hz自振周期/s阶次自振频率/Hz自振周期/s振型10.6271.59510.6341.577梁体1阶竖弯20.6951.43920.7041.421梁体纵向漂移梁体1阶竖弯30.8221.21730.8271.209梁体1阶横弯40.9861.01441.0510.951梁体2阶横弯51.3560.73751.360.736梁体2阶竖弯61.360.73561.3630.733桥塔1阶横弯71.4890.67271.5110.662桥塔2阶横弯

(2)车桥耦合动力相应分析：对C80货车以速度60～120 km/h及CRH2、CRH3动车组以140～300 km/h通过时，车辆的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标均在限值以内，列车的竖、横向加速度值均小于规范限值，列车安全性满足要求。

沅江特大桥在CRH2、CRH3动车组以速度140～275 km/h通过时，动力、拖车的竖向、横向运行平稳性

均达到“优”；C80货车以速度60～120 km/h通过时，重车和空车的竖向和横向运行平稳性均达到“优”。

5　结语

(1)矮塔斜拉加劲连续梁组合结构受力特征主要介于连续梁与矮塔斜拉桥之间，主要以主梁受力为主，斜拉索类似连续梁的体外索，桥塔实际上是体外索的转向块。

(2)矮塔斜拉加劲连续梁组合结构，由于采用矮塔斜拉加劲有效地降低了桥梁梁部建筑高度，增加了桥梁通透性，梁体轻巧、结构新颖；同时又降低了线路纵断面，减少了投资[15]。

(3)矮塔斜拉加劲连续梁组合结构受力性能优越，兼有连续梁和斜拉桥特点，其较大的刚度适用于铁路桥梁的需要，提高了大跨度混凝土结构的应用途径。

参考文献：

[1]何新平.矮塔斜拉桥的设计[J].公路交通科技，2004(4)：66-68.

[2]王伯惠.斜拉桥结构发展和中国经验(上册)[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3]王立峰，王子强，刘龙.大跨度矮塔斜拉桥温度效应分析[J].中外公路，2013(5):123-126.

[4]施新欣.矮塔斜拉桥的优选设计方法[J].结构工程师，2013(3):11-15.

[5]徐洪权.矮塔斜拉桥结构受力特性研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[6]中华人民共和国铁道部.TB10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[7]刘文会，李雁，田鹏，等.矮塔斜拉桥桥塔高优化分析[J].公路交通科技，2009(10)：82-86.

[8]王立峰，王子强，刘龙.大跨度矮塔斜拉桥结构动力特性分析[J].中外公路，2013(3)：118-121.

[9]黄汪胜.大跨度预应力连续箱梁矮塔斜拉加固布索方式研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.

[10]何博文，王晟，颜东煌，陈星烨.矮塔斜拉桥索力与体内预应力参数敏感性分析[J].中外公路，2015(1)：130-133.

[11]陈从春.混凝土矮塔斜拉桥经济特性研究[J].公路工程，2014(2)：132-134.

[12]中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[13]周效国，邹新祥，李年维.矮塔斜拉桥索梁锚固区空间有限元分析[J].四川建筑科学研究，2014(4)：71-73.

[14]马润平，卫军，高宗余.大跨预应力混凝土梁式桥后期下挠原因分析[J].铁道工程学报，2007(5)：51-54.

[15]徐岳，王亚君，万振江.预应力混凝土连续梁桥设计[M].北京：人民交通出版社，2000.

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

作者简介：尹书军(1978—)，男，高级工程师，2002年毕业于西南交通大学土木工程学院，工学学士；2008年毕业于武汉理工大学土木与建筑学院，工程硕士，E-mail：[e-mail]。

文章编号：1004-2954(2016)09-0068-03

中图分类号：U442.5+3

文献标识码：A　　DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.015