金海特大公铁两用斜拉桥桥式方案研究

2013-04-14黄纳新

铁道勘察 2013年1期

黄纳新

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

1　桥梁概况

珠海市区至珠海机场城际铁路与金海高速公路并行跨越磨刀门水道和泥湾门水道出海口，拟公铁合建金海特大桥。桥位处磨刀门水道水面开阔，桥区河段为内河Ⅰ级航道，通行3 000 t级海轮，要求通航净宽不小于340 m，净高不小于28 m，最高通航水位2.72 m。城际铁路为双线，线间距4.2 m，有碴轨道，设计行车速度160 km/h，设计活载为ZC活载。金海高速公路为双向六车道，桥面宽2×16.25 m，设计行车速度100 km/h，设计荷载为公路-Ⅰ级。

结合现场建设条件，经过多阶段设计研究，金海特大桥跨磨刀门水道主桥最后确定采用(2×56+110+480+110+2×56) m混合梁斜拉桥，公铁同层合建，铁路布置在公路桥幅中央，桥面总宽43.5 m，主桥长926.0 m，主桥效果如图1。

图1　金海特大桥主桥效果

2　桥式方案选择

金海特大桥为公铁两用桥，其主桥主跨480 m，宜采用斜拉桥。斜拉桥按主梁梁型可分为钢桁梁斜拉桥、钢箱梁斜拉桥、混合梁斜拉桥等。公铁两用桥按桥面布置形式可分为公铁分层合建和公铁同层合建。目前国内已建和在建的大跨度公铁两用斜拉桥如表1，表中均为公铁分层合建的钢桁梁斜拉桥，尚无公铁同层合建的钢箱梁和混合梁斜拉桥。为了确定金海特大桥主桥合理的桥式方案，设计中选取了两种方案进行分析比较。

2.1　钢桁梁斜拉桥方案

桥跨布置为(66+186+480+186+66) m，钢桁梁采用N形桁式，桁高15.5 m，节间长度13.2 m，钢桁梁全长986.0 m。桥塔采用双柱花瓶形混凝土结构，塔柱总高184.0 m。桥塔两侧各设16对斜拉索，按双索面扇形布置，顺桥向索距13.2 m。立面布置如图2。

表1　国内大跨度公铁两用斜拉桥列表

公路与铁路分层布置，公路布置在钢桁梁上层，铁路布置在下层，因公路与铁路桥面宽度悬殊，钢桁梁横向采用两片主桁，主桁竖直，桁间距16.0 m；主桁外侧设置两副桁，副桁横向倾斜，其上弦桁间距35.0 m，钢桁梁横断面成倒梯形(如图3)。主桁和副桁采用焊接整体节点，杆件在节点外采用高强度螺栓拼接，上层和下层桥面板均采用正交异性板钢桥面结构。该方案钢桁梁所需钢材总量约3.8万t，每延米钢桁梁用钢量38.5 t。

图2　钢桁梁斜拉桥立面布置(单位：m)

图3　钢桁梁横断面(单位：m)

2.2　混合梁斜拉桥方案

桥跨布置为(2×56+110+480+110+2×56) m，主梁480 m中跨和110 m边跨采用钢箱梁，钢箱梁梁长675.0 m；两端2×56 m边跨采用预应力混凝土箱梁，梁长250.5 m。桥塔采用双柱花瓶形混凝土结构，塔柱总高184.0 m。桥塔两侧各设19对斜拉索，按双索面扇形布置，顺桥向索距8.0～13.2 m。立面布置如图4。

公路与铁路同层布置，铁路布置在公路桥幅中央，桥面总宽43.5 m。钢箱梁采用鱼腹式双箱截面，最大箱高3.4 m。对应各吊点处，钢箱梁顺桥向每隔12.0 m设一道箱形横梁，横梁跨中梁高5.0 m。钢箱梁横断面如图5，混凝土箱梁外形轮廓同钢箱梁。该方案钢箱梁所需钢材总量约2.2万t，每延米钢箱梁用钢量32.6 t。

图4　钢箱梁斜拉桥立面布置(单位：m)

图5　钢箱梁横断面(单位：m)

2.3　综合比选

混合梁方案公铁同层合建，桥面较宽，比钢桁梁方案宽出8.5 m。钢桁梁方案公铁分层合建，公路设计高程较混合梁方案高出12 m，在一定程度上会增加公路引桥建设规模，且合建与分建的过渡较复杂。

钢桁梁方案的主跨竖向刚度略大于混合梁方案。混合梁方案的桥面宽，主梁横向刚度大，且主梁轮廓为扁平流线型，其空气动力稳定性较好[1]。

钢桁梁方案构件种类繁多，制造和安装工艺复杂，维修养护工作量大。混合梁方案的钢箱梁便于维修养护。

混合梁方案两端主梁采用混凝土箱梁，不需要压重和设置拉力支座，主桥桥长比钢桁梁方案缩短了60.5 m，钢梁长缩短了311 m。

混合梁方案每延米钢梁用钢量比钢桁梁方案节省约15.3%，全桥钢梁总用钢量减少约1.6万t，在工程造价方面占绝对优势。

综合上述比较，推荐金海特大桥主桥采用公铁同层合建的混合梁斜拉桥方案。

3　辅助墩的设置

为保证列车运行安全性和旅客乘坐舒适性，根据“铁路桥规”规定，该桥在列车和汽车活载的作用下，要求主梁跨中竖向挠度不大于L/750，梁端竖向转角不大于2‰。金海特大桥采用主跨为480 m的混合梁斜拉桥，其竖向刚度控制是设计中的技术关键。

斜拉桥的竖向刚度与主梁梁高、塔高、斜拉索面积、辅助墩设置等因素有关，其中辅助墩的作用尤为重要，边跨设置辅助墩可以明显改善边跨内力和挠度，当桥塔刚度不大时，辅助墩约束了桥塔的变形，可减小中跨内力和挠度[2]。

在金海特大混合梁斜拉桥的竖向刚度研究中，选取了多种辅助墩设置形式进行计算分析，计算结果见表2，表中l为边墩至桥塔的距离。

表2　不同辅助墩与活载作用下桥梁位移对比

从表2结果可以看出：边跨设置辅助墩可显著减小活载作用下的塔顶水平位移、中跨竖向挠度和梁端竖向转角。当边跨设一个辅助墩，设在距边墩0.25l～0.50l范围时，中跨竖向挠度均满足要求，且差异较小；随着辅助墩距边墩距离加大，梁端竖向转角急剧加大，只有设在距边墩0.25l～0.35l范围时，梁端竖向转角才满足要求。边跨设两个辅助墩对中跨竖向挠度的影响比设一个辅助墩略好，差异在10%以内。

此外，该桥边墩至辅助墩范围的主梁为混凝土箱梁。混凝土箱梁自重较大，斜拉索只分担了其恒载的60%左右，混凝土箱梁仍存在较大的弯矩。为减小弯矩，混凝土箱梁宜采用较小跨度。从中跨竖向挠度、梁端竖向转角、混凝土箱梁弯矩等方面综合考虑，当边跨只设一个辅助墩时，宜设在距边墩0.25l～0.30l左右。

为了缩短钢梁长度，降低工程造价，最后确定两端采用2×56 m混凝土箱梁，两个辅助墩设在距边墩0.25l、0.50l处，其竖向刚度也较好。

4　混凝土箱梁与钢箱梁分界部位的选择

金海特大桥混合梁斜拉桥的主梁由混凝土箱梁和钢箱梁两部分组成，其分界处需要设置钢混结合段。钢混结合段用来实现混凝土结构与钢结构之间力的传递，其结构构造、传力途径和应力状况极为复杂，国内桥梁设计规范缺乏关于钢混结合段受力与传力机理的阐述和相关条文规定[3]，钢混结合段是该桥主梁设计的难点之一。混凝土箱梁与钢箱梁分界位置不同，则钢混结合段的应力状况不同，从结构受力方面考虑，分界位置应设在主梁弯矩和剪力均较小的区域[4]。从方便施工角度，则宜设在桥墩旁。在金海特大桥设计中，按设在辅助墩以外4.5 m处和12.5 m处两种情况进行了计算，计算结果见表3，表中内力和应力为主+附组合结果，位移为活载作用下结果。

表3　不同分界位置时主梁内力、应力及位移对比

两种情况下中跨主梁的应力和挠度几乎没有变化，分界处与辅助墩附近区域主梁的弯矩变化比较明显。设在辅助墩以外4.5 m处时，分界处钢箱梁的弯矩和正应力较大，正应力达159 MPa(第一体系应力)。设在辅助墩以外12.5 m处时，辅助墩处混凝土箱梁的弯矩增大了21%，但分界处钢箱梁的弯矩和正应力明显减小，正应力降低到了117 MPa，另外，悬出辅助墩以外的混凝土箱梁可在墩旁托架上浇筑，施工也较方便。两种情况下主梁弯矩最小的部位都在辅助墩以外23 m左右，若将分界位置移至该部位，会使辅助墩处混凝土箱梁的弯矩过大，而且浇筑辅助墩以外的混凝土箱梁时需要在水中设置临时墩，加大了施工难度。

综合上述分析，金海特大桥混凝土箱梁与钢箱梁的分界部位宜设在辅助墩以外12.5 m左右。