大纵坡小曲线半径转体斜拉桥在郑万铁路桥梁中的应用

■ 李桂林 李波 严定国 周继

1 概述

郑万铁路是重庆地区通往华北、华中地区的快速客运主骨架，对补充完善我国铁路“四纵四横”客运专线网，构建沿长江经济带现代综合交通运输体系具有重要战略意义。联络线特大桥为正线引入郑州南站桥梁，位于郑州市，主墩里程ZWSLDK005+243．690。由于郑州南站标高等限制，本桥位于大纵坡小曲线半径上。

工程建设场地属北温带大陆性气候，年平均气温14．4 ℃，极端温度42～45 ℃，最低气温-17．9 ℃，年平均相对湿度60%。区内风向有明显季节变化，全年风速平均3 m/s，最大达18 m/s。根据钻探揭露，结合区域地质资料对比分析，沿线所经过的地层岩性较复杂，按其成因和时代分类主要有：第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）粉砂、细砂、粉土、粉砂、细砂、第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）粉土、细砂、粉质黏土。桥址地势平坦，地面标高范围100～110 m，土壤多为黏性土、壤土和砂土。

2 技术标准

（1）线路等级：高速铁路；

（2）正线数目：单线；

（3）设计行车速度：160 km/h；

（4）轨道类型：有砟轨道；

（5）设计荷载：采用ZK活载；

（6）主桥位于-29．100‰纵坡上，平面位于平曲线，半径R=1 400 m。

3 主桥方案设计

3.1 桥跨布置

桥址于ZWSLDK5+289．31—ZWSLDK5+329．58处跨越郑西高铁，铁路与线路交叉夹角17°，限高7．25 m，测时路面标高119．57 m，正宽11．75 m，采用（32+2×138+32）m斜拉桥跨越。

3.2 结构总体布置

主桥采用（32+2×138+32）m预应力混凝土独塔斜拉桥方案，主桥长341．5 m，主跨138 m跨越郑西高铁，主桥结构总体布置见图1。

桥位处主桥墩高25 m，为跨度的1/5．52，独塔体系，温度力可自由释放，同时考虑跨越高铁采用转体施工方案，因此选用塔墩梁固结体系。

3.3 结构设计

3.3.1 主梁

混凝土箱梁采用单箱双室截面，截面全宽11．0 m，主跨中心处梁高2．5 m，边跨中心处梁高3．0 m。为减少曲线梁转体时球铰横向偏心，主跨采用较小的截面尺寸，为刚塔柔梁结构体系。普通截面分标准横截面、加厚横截面、隔板截面3种。标准横截面顶板厚25 cm、底板厚30 cm、中腹板厚30 cm、斜底板厚25 cm；加厚横截面顶板厚30 cm、底板厚30 cm、中腹板厚30 cm、斜底板厚30 cm；支点隔板截面顶板厚60 cm、底板厚60 cm、中腹板厚90 cm、斜底板厚60 cm。

混凝土箱梁拉索横梁与斜拉索位置对应设置，全桥共计22道斜拉索横梁，拉索横梁厚50 cm。塔墩梁固结区域、辅助墩顶、边墩顶均设置一道横隔梁，其中塔墩梁固结区域横隔梁厚6．00 m、辅助墩顶横隔梁厚2．50 m、边墩顶横隔梁厚2．35 m，全桥共计5道墩（塔）顶横隔梁，各墩（塔）顶横隔梁均设置过人孔。

为减少一次混凝土浇筑方量，主跨转体混凝土主梁共分为10个节段浇筑，桥塔两侧各8 m与桥塔一同浇筑，后依次从塔中心向塔两侧逐孔现浇，节段混凝土长24 m。边跨混凝土主梁采用原位支架现浇方案，节段混凝土长40．75 m，于辅助墩靠近主塔方向8 m位置设置合龙段，合龙段长2 m，主梁标准截面见图2。转体前，曲线主梁由于拉索分力作用，有朝向曲线内侧的分力，导致转体前主梁存在较大横向位移，支架现浇主梁时，需设置横向预偏量。

3.3.2 主塔

采用钻石型索塔，桥面以上索塔采用倒Y形，桥面以下塔柱为独柱型。塔底以上索塔全高86．0 m，桥面以上塔高61．0 m，桥面以下塔高25．0 m，桥面以上塔的高跨比为1/2．262。索塔纵向宽度桥面以上至塔顶均为6 m，桥面以下由6 m线性加宽至塔底10 m，索塔四角设30 cm×30 cm倒角。上塔柱斜拉索锚固区横桥向宽5．2 m，纵桥向宽6．0 m，采用单箱单室截面，顺桥向壁厚1．0 m，横桥向壁厚0．8 m。索塔锚固区设置U形预应力钢束。中塔柱为两分离式倾斜塔柱，倾斜度1∶7．705 4。单箱单室截面每柱横桥向宽3．2 m，顺桥向壁厚0．8 m，横桥向壁厚0．9 m。下塔柱采用独柱式。单箱单室截面横向宽度由16．8 m渐变至13．0 m，顺桥向尺寸由上端6．0 m渐变至10．0 m，顺桥向壁厚1．0 m、横桥向壁厚1．5 m，底部设置3．5 m实体段。桥塔结构示意见图3。

图1 主桥结构总体布置

图2 主梁标准截面

图3 桥塔结构示意图

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。索塔单侧设11对斜拉索，塔上索距1．8～3．0 m，梁上索跨12．0 m。斜拉索与塔、梁采用设置齿块的锚固方式，张拉端设置在塔内。斜拉索采用Φ7 mm热挤聚乙烯镀锌平行钢丝拉索，成品拉索弹性模量E=2．0×105MPa，拉索规则为PES（C）7-151/187/211/223/241，拉索长度41．3～146．2 m。

从构造方面考虑，对于该类型向线路中心线内倾的扇形布置斜拉索，且为小曲线半径梁时，考虑建筑限界要求，接触网基础布置于曲线内侧时能减小桥面宽度[1-2]。

3.3.4 球铰支座

转体球铰竖向承载力165 000 kN。转体结构由下转盘、球铰、转体牵引系统、助推系统、轴线微调系统组成。球铰转动摩擦力矩为：

式中：R为球铰球面半径，R=2 m；μ为球铰摩擦系数。

启动时摩擦系数μ静=0．1，M静=22 000 kN·m；转动过程中摩擦系数μ动＝0．06，M动＝13 200 kN·m。

在上述转动条件下，计算牵引力：

式中：D为转台直径，D=11 m；N为转体时撑脚最大支撑力，N=2 000 kN；R撑为撑脚半径，R撑=4．5 m。

计算表明，启动时所需最大牵引力2T＝2×2 082．0 kN；转动时所需最大牵引力2T＝2×1 249．1 kN。具体实施前进行预牵引试验，测出实际摩擦系数、转动质量且针对现场转台直径对牵引力进行相应调整。主桥位于曲线半径R=1 400 m平曲线，主梁横向重心于主塔中心线不重合，为消除球铰支座平转时的横向弯矩，采用设置横向预偏的方式处理，经计算分析，球铰横向预偏为0．847 m，方向为曲线内侧，转体系统平面布置示意见图4。

3.3.5 基础

主桥基础均采用钻孔灌注桩基础，主塔采用21根Φ2．20 m钻孔桩，辅助墩采用10根Φ1．50 m钻孔桩基础，小里程侧交界墩采用8根Φ1．50 m钻孔桩基础，大里程侧交界墩为跨道路门式墩结构，左右柱基础均为4根Φ1．25 m。

4 结构分析

4.1 结构刚度

刚度是铁路斜拉桥设计时重要控制指标，本桥计算跨度小于列车加载长度，不需考虑活载加载长度影响[3]，各工况下位移及挠跨比见表1。考虑列车行车平稳性，梁端转角按照有砟轨道梁限值2．00‰控制[4]，两端无辅助跨时，梁端转角为3．12‰，超规范限值，因此在主跨两端均加设一跨辅助跨。

图4 转动系统平面布置示意图

本桥主梁位移见图5。从图5可知，该桥位移最大位置为主跨靠近桥塔侧约2/3位置，表现出该独塔斜拉桥受力特性约相当于同等条件下双塔斜拉桥主跨180 m跨度特性。

4.2 主梁内力分析

本桥为大纵坡小曲线半径独塔混凝土斜拉桥，主梁受力呈现以下规律：

（1）主梁主力工况弯矩及轴力包络见图6，该独塔斜拉桥两个主跨主梁为以受压为主的压弯构件，辅助墩区域及辅助跨均为以受弯为主的压弯构件，其中辅助墩墩顶负弯矩最大，为该桥受力控制区域。

（2）从纵坡效应来看，小里程侧控制点弯矩比大里程侧弯矩大，但差异较小，在3%以内。以桥塔与主梁位置标高为基准设置为平坡时和按照实际坡度检算结果比较，小里程侧主力工况弯矩比平坡时小，大里程侧主力工况弯矩比平坡大。主要由于纵坡的存在，改变了斜拉索与主梁间的夹角，而夹角越大，斜拉索索力能更好发挥，这也解释了大里程侧斜拉索索力比小里程侧大的缘故。

表1 活载作用下结构位移及挠跨比

图5 主梁位移图

图6 主梁主力工况弯矩及轴力包络图

（3）曲线效应对结构的影响分析，当主梁为直线时，恒载作用下，主梁横向弯矩几乎为零。主梁为曲线时，恒载作用下，由于曲线内外侧斜拉索横桥向偏角引起的内力未能抵消，对主梁产生横桥向弯矩作用。横桥向索力分量为向心力，能抵消一部分离心力引起的主梁横向弯矩效应。同时不考虑曲线效应时，主梁桥塔附近最大压力及辅助墩位置最大负弯矩均比考虑曲线效应时略大，主要为前者斜拉索索力能更好地发挥效应的缘故。

根据主梁受力特性，本桥主梁预应力设置以短索为主[5]，尽量减少预应力次内力引起的负效应。

4.3 斜拉索设计

斜拉索是斜拉桥的关键承重构件，直接承受桥面恒、活载，除要求有较大的静力安全系数外，还要求具有足够的疲劳抗力。斜拉索规格确定时考虑以下因素：斜拉索强度安全系数、活载疲劳应力幅、斜拉索应力变幅、成桥斜拉索应力[6-7]。根据钢材的受力特性，当拉索的荷载超过破断荷载的50%，钢的非弹性应变将快速增加，因此斜拉索容许值一般控制在0．40～0．45倍抗拉强度标准值，本桥斜拉索按安全系数不小于2．5设计。

主力工况斜拉索索力计算结果见图7。

斜拉索疲劳应力幅按以200万次循环加载的寿命基数，由单根钢丝疲劳试验应力幅到实桥斜拉索组装件的疲劳应力幅设计值[8-9]，折减（103．430+34．475）≈137．9 MPa，取140 MPa。

斜拉索索力分布总体呈现以下趋势，索力最大值位于大里程曲线外侧靠近跨中区域，主力+附加力工况最大索力为4 744 kN，同时，曲线外侧拉索力略大于曲线内侧。考虑线路纵坡影响，相同位置斜拉索大里程侧索力比小里程侧大。斜拉索最大疲劳应力幅为88 MPa，位于主梁靠近桥塔附近约1/3位置（见图8）。

4.4 桥塔设计分析

图7 主力工况斜拉索索力

图8 斜拉索疲劳应力幅

桥塔按钢筋混凝土构件检算其强度、稳定及裂缝。考虑塔柱非线性影响，桥塔截面弯矩增大系数η根据计算截面位置长度计算[10]。提取整体计算模型相关截面位置的内力结果进行相关计算，对实体段附近截面采用增加固端干扰应力增大系数考虑[11]。

经检算，桥塔下塔柱及上塔柱受力均较小，中塔柱主力工况混凝土最大压应力为5．85 MPa，裂缝宽度为0．003 mm，钢筋应力为13．80 MPa；中塔柱主力+附加力工况混凝土最大压应力为6．09 MPa，裂缝宽度为0．010 mm，钢筋应力为16．47 MPa，混凝土应力、裂缝宽度、钢筋应力均满足规范要求。

4.5 全桥稳定性分析

全桥施工阶段及运营阶段最小稳定系数（对应第一阶弹性屈曲失稳模态）见表2。

在各计算工况下，结构弹性稳定系数数值上整体表现为下降的趋势，施工阶段的最小稳定系数发生于转体阶段，此时稳定系数为36．5。本桥施工阶段一阶屈曲模态表现为主梁竖向弯曲。

表2 一阶弹性屈曲失稳模态分析结果

在使用阶段，结构弹性稳定系数均远大于《公路斜拉桥设计规范》中斜拉桥弹性稳定系数应大于4的要求，且一阶屈曲模态亦表现为主梁竖向弯曲。

5 结论

（1）该桥以小角度跨越郑西高铁，采用转体施工方案最大限度减少对既有铁路运营影响，以最小跨度实现跨越既有线功能。该桥位于大纵坡小曲线半径，采用独塔混凝土桥梁布置形式，有效节省投资。

（2）主梁两主跨区域主要为斜拉索受力，主梁为以压为主的压弯构件，采用2．5 m梁高，辅助墩附近及辅助跨区域，主梁为主要受力构件，为以弯为主的压弯构件，采用3．0 m梁高，主跨区域最大限度地减小梁高，减小桥塔跨度，满足跨既有线建筑限界要求。

（3）对于该类型大纵坡小曲线半径斜拉桥，标高较高侧斜拉索索力比标高较低侧索力小，斜拉索曲线外侧索力比曲线内侧大。

（4）曲梁转体时，球铰需设置横向偏心矩，使得偏心后球铰中心与主梁横向重心重合，防止球铰转动过程中承受横向弯矩作用。为减少横向偏心矩，主桥结构宜设置成塔墩梁固结体系，截面尺寸拟定过程中，除满足结构受力要求外，宜按照刚塔柔梁设计思路开展。

（5）该桥主跨梁高较小，而结构刚度高，体现斜拉索对主梁结构有良好的加劲作用，同时分析内力分布规律，表明该桥主跨区域斜拉索为主要受力构件，且全桥结构受力合理，表现出良好的结构受力特性。