蒙西至华中地区铁路煤运通道汉江特大桥方案设计

严定国

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉　430063)



蒙西至华中地区铁路煤运通道汉江特大桥方案设计

严定国

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063)

摘要：新建蒙西至华中地区铁路煤运通道汉江特大桥主桥为主跨248 m部分预应力混凝土斜拉桥，为解决与下游高速公路连续梁桥对孔要求，在跨度布置中采用一主跨四边跨布置形式。考虑到桥位处通航净空对梁高限制、桥式跨越能力、受力性能、经济性等因素，桥式采用部分预应力混凝土斜拉桥形式，梁体采用单箱双室预应力混凝土连续结构，靠近跨中区域采用斜拉索加劲，桥塔采用H形。通过进行整体静力计算、局部受力分析，结构受力及变形等指标满足规范要求，分析结果表明，该桥结构体系满足重载铁路行车安全要求。

关键词：重载铁路；部分预应力混凝土斜拉桥；单箱双室；方案设计

1概述

蒙西至华中地区铁路煤运通道汉江特大桥位于湖北省襄阳市，主要为跨越汉江、人民西路、檀溪西路而设，主桥桥址位于丹江口至襄樊河段马家洲滩群与贾家洲滩群的交界处，于DK1034+739.1～DK1035+752处跨越汉江。汉江为长江中游最大支流，为交通部规划的全国水运主通道，通航等级为Ⅲ(2)级航道，通航净宽75 m，通航净空10 m，最高通航水位68.39 m，最低通航水位60.06 m。主桥河流与线路大里程夹角为99°，设计水位69.74 m，测时水位62.53 m。

由于桥位处线位高度控制严格，同时考虑与下游高速公路连续梁桥对孔对跨度布置限制要求，兼顾桥式方案的经济跨度[1-3]，初步设计阶段选用上加劲连续钢桁梁方案[6]与部分预应力混凝土斜拉桥方案[4，5]进行比较分析。两方案均满足净空要求，但上加劲连续钢桁梁方案采用全钢结构，用钢量较大，从经济性考虑差，同时受线路纵坡条件的控制，上加劲连续钢桁梁方案尽管结构高度低，但引桥纵坡相同，桥长一致，不能节约投资，且施工工艺复杂，因此采用部分预应力混凝土斜拉桥方案[7，8]。

2技术标准

(1)线路等级：Ⅰ级、有砟轨道

(2)正线数目：双线，线间距4.0 m

(3)设计行车速度：120 km/h

(4)设计荷载：中-活载(2005)ZH标准(Z=1.2)[9]

(5)本桥平面位于平坡直线上

3主桥方案设计

3.1桥跨布置

桥址位于二广高速公路襄阳汉江四桥上游40 m，根据通航论证，结合桥址处跨越航道及桥墩阻水，采用与汉江四桥通航孔对孔的主跨248 m跨越航道，单孔双向通航。

3.2结构总体布置

主桥采用(72.5+116+248+116+72.5) m铁路混凝土部分斜拉桥方案，主桥长626.8 m，主跨248 m跨越汉江，桥式布置如图1所示。

图1　主桥结构总体布置 (单位：cm)

考虑到桥位处主桥桥墩高19 m，为跨度的1/13，采用塔墩梁固结时，温度应力过大，因此选用塔梁固结，墩梁分离的形式[10]。

3.3结构设计3.3.1主梁

主梁采用单箱双室截面，中支点梁高13.0 m，中跨跨中及边支点梁高6.0 m，梁底由圆曲线变化，R=746.4 m。箱梁顶板宽11.6 m，中支点桥塔处局部两侧各加宽2.8 m，在桥塔外侧布置人行道，在斜拉索位置人行道外侧桥面加宽1.1 m。箱梁底板宽10.2 m。主梁采用C60混凝土，设纵向、横向和竖向预应力。顶板厚度为50 cm，边跨边支点及次边跨边支点处局部加厚到80 cm，中支点处局部加厚到100 cm。腹板厚度为50 cm～60 cm～90 cm，中支点处局部加厚。边跨及中跨底板厚由跨中的55 cm按圆曲线变化至中支点梁根部的120 cm，次边跨由55 cm按线性变化至100 cm。全梁共设7道横隔板，分别为次边跨边支点横隔板2道，边跨边支点横隔板2道，中支点横隔板2道，中跨跨中横隔板1道，隔板上设有过人孔。同时在斜拉索位置顶板附近设置横隔板。隔板厚度：次边跨边支点处1.8 m，边跨边支点处2.4 m，中支点处7.0 m，中跨跨中0.40 m，斜拉索锚固点处0.40 m。主梁断面如图2所示。

图2 主梁截面(单位：cm)

3.3.2主塔

索塔采用钢筋混凝土结构，为双柱型索塔，梁顶面以上全高57 m，采用箱形截面，塔底在26.3 m范围内，纵向宽度从5.0 m变化到7.2 m。塔柱横向宽度为2.8 m。塔柱设2 m高横联。塔柱采用单箱单室截面，前后塔壁厚1.2 m，侧面壁厚0.6 m。桥塔结构示意如图3所示。

图3　桥塔结构示意(单位：cm)

3.3.3斜拉索

斜拉索横向为双索面布置，立面为半扇形布置。每个索塔设8对斜拉索，塔上索距1.5 m，梁上索跨9.0 m。斜拉索与梁采用设置齿块的锚固方式，塔顶采用索鞍形式进行锚固。斜拉索采用强度等级为1 860 MPa的钢绞线，拉索规则为AT-55、AT-61，拉索长度265.4～146.4 m。

3.3.4桥墩

主桥桥墩均采用钢筋混凝土实体结构，为造型统一简洁美观，边墩及主墩均采用圆端型桥墩。主墩横桥向宽23 m，顺桥向宽10 m。辅助墩横桥向宽18 m，顺桥向宽6.2 m，边墩横桥向宽13.6 m，顺桥向宽4.5 m。

3.3.5基础

各墩基础均采用钻孔灌注桩基础，主塔墩钻孔桩直径为2.5 m，辅助墩钻孔桩直径为2.0 m，边墩钻孔桩直径为1.5 m。

4计算模型及结果分析

4.1模型建立

采用桥梁博士及BSAS分析软件对结构进行有限元分析，梁、塔采用梁单元模拟，斜拉索采用索单元模拟。整体结构共计226个节点，梁单元222个，索单元32个，材料属性按照相应规范规定取值。

4.2荷载组合

荷载组合Ⅰ(主力)：自重+二期恒载+预应力+混凝土收缩徐变+中-活载(2005)ZH标准(Z=1.2)+基础变位。

荷载组合Ⅱ(主+附)：自重+二期恒载+预应力+混凝土收缩徐变+中-活载(2005)ZH标准(Z=1.2)+基础变位+温度变化影响力。

4.3主要计算成果

4.3.1结构刚度[11]

刚度是铁路斜拉桥设计中重要的控制指标，本桥未设置斜拉索时，结构竖向挠跨比为1/899。设置斜拉索后，主梁结构计算位移如表1所示。主梁位移曲线如图4所示。

表1　活载作用下结构位移

图4　主梁位移曲线

4.3.2主梁内力

由于部分斜拉桥主要由主梁来承受荷载[12]，为以弯为主的压弯构件。主梁内力呈连续梁受力趋势，但由于斜拉索的作用，跨中及支点弯矩均较连续梁小[13]。主梁弯矩包络图如图5所示。

图5　主梁弯矩包络图

主梁应力汇总见表2、表3，从表中可以看出，在主力及主力+附加力工况下，跨中截面及支点截面应力，强度及抗裂安全系数均满足规范要求。

表2　主力工况应力汇总　MPa

4.3.3斜拉索索力

表4对已建及设计中铁路部分斜拉桥进行了统计，从表4可以看出，铁路桥梁中，部分斜拉桥拉索安全系数取在2.0～2.5，本梁斜拉索安全系数采用2.5，疲劳应力幅按照100 MPa控制[14]，其内力计算结果如图6、图7所示。

表3　主力+附加力工况应力汇总　MPa

表4　斜拉索设计参数统计

图6　斜拉索应力包络图

图7　斜拉索疲劳应力幅

4.3.4主梁横向受力分析

主梁横向受力按照1 m节段取值，横向应力计算结果汇总见表5。

表5　主力工况横向受力结果统计

5结论

(1)本桥由于通航净空要求，对梁高控制严格，若采用预应力混凝土连续梁，需要拉高线路高程，对经济成本控制不利；若采用加劲连续钢桁梁方案，存在加劲弦与上弦节点构造复杂，制造及安装难度大的缺点，且为全钢结构，用钢量大，造价高，结构后期检修维护工作量大；采用部分斜拉桥方案，梁高仅13.0 m，为跨度的1/19.1，能有效解决通航净空要求，梁部为混凝土结构，经济指标良好，采用悬臂浇筑施工对通航无影响，且存在外形简洁流畅的优点，因此本桥采用部分斜拉桥方案是较合理的选择。

(2)本桥联长较长，存在4个边跨，活载为中-活载(2005)ZH标准(Z=1.2)，换算活载集度占总荷载集度的21%左右，通过计算分析可知，部分斜拉桥用于重载铁路具有较好的受力性能，证明该结构体系可适用于重载铁路要求。

(3)本梁为国内首座重载铁路部分斜拉桥，而且本桥创新性地采用高塔部分斜拉桥、斜拉索锚固在主跨跨中区域，突破了传统部分斜拉桥思维[15]，为高塔部分斜拉桥进行了有益探索和实践。

参考文献：

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收稿日期：2015-12-28； 修回日期：2016-01-07

基金项目：中铁第四勘察设计院集团有限公司科技研究开发计划项目(14K021)

作者简介：严定国(1979—)，男，高级工程师，2005年毕业于华中科技大学，工学硕士，E-mail：185212765@qq.com。

文章编号：1004-2954(2016)07-0099-04

中图分类号：U442.5

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.023

Scheme Design of Hanjiang River Bridge on Railway Coal Corridor from Western Inner Mongolia to Central China

YAN Ding-guo

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract：Hanjiang River Bridge on the railway coal corridor from western Inner Mongolia to central china is a partially prestressed concrete cable-stayed bridge with main span of 248 meters. For the connection with the highway continuous beam bridge in downstream， the arrangement of one main span and four side-spans is applied. In the light of the navigation clearance limitation of the beam depth， the spanning capacity， the mechanical performance and the economical efficiency， partially prestressed concrete cable-stayed bridge is utilized with single girder double-cell concrete continuous structure and H-shaped bridge towers cabled near the main middle span. The overall and partial finite element analysis indicates that the behavior of the stress and deformation complies with the requirements stipulated in relevant standards， and the analysis results show that the structural system of the bridge meets the requirements of heavy haul railway operation.

Key words：Heavy haul railway; Partially prestressed concrete cable-stayed bridge; Single-girder double-cell; Scheme design