四平市东丰路跨铁路立交主桥设计

刘涛

（中国铁路设计集团有限公司，天津市 300251）

1 工程概况

四平市东丰路路上跨铁路立交桥，为四平市城区南部贯穿城市东西方向的交通性主干路，道路在四平火车站南侧跨越铁路，自西向东依次跨过既有铁路编组站、京哈铁路上下行、规划四梅线，共15条铁路，道路与铁路接近正交。

跨铁路立交主桥结构形式采用独塔单索面混合梁斜拉桥，跨径布置为90 m+169 m，全长259 m，桥面总宽36 m。结构采用塔-梁-墩全固结体系，桥塔高75 m，为减少施工期间对铁路运营安全的影响，斜拉桥设计采用转体法施工。主桥立面布置见图1。

图1 主桥立面布置（单位：m）

2 主要技术标准

（1）道路等级：城市主干路。

（2）设计车速：50 km/h。

（3）桥梁设计荷载：跨铁路孔1.3×城A级。

（4）桥梁宽度：双向6车道，全宽 36 m（含拉索区）。

（5）桥梁结构的设计使用年限：100 a。

（6）桥区抗震设防烈度：6度，地震动峰值加速度0.05 g。

3 桥梁设计[1-3]

3.1 结构体系

为适应转体施工的要求，斜拉桥结构采用塔-梁-墩全固结体系，由于采用转体施工，在边跨处不再设置辅助墩。

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3.2 主梁

主跨跨铁路15股道，跨径达到169 m，为适应施工要求，桥梁转体过程中应形成自平衡体系。设计时对主梁采用钢梁、混凝土梁和钢-混凝土混合梁进行了比选：当采用2-169 m混凝土梁斜拉桥，转体重量近5万t，如此大的吨位给施工带来较大困难；而采用2-169 m钢梁斜拉桥，转体重量仅2.5万t，但工程造价较高；采用混合梁斜拉桥，可以用较小跨径的混凝土梁来平衡主跨的钢梁，跨径为90 m+169 m，转体重量与钢梁相同，在经济性上甚至优于混凝土梁。

斜拉桥边跨全部采用预应力混凝土箱梁，跨铁路主跨大部分采用了钢箱梁，在主跨位置钢箱梁和预应力混凝土箱梁连接处采用了钢-混凝土结合段进行连接。主梁设计中心线处梁高为3.4 m，梁顶设1.5%的双向坡，梁底水平。其中钢箱梁全长157.5 m，预应力混凝土箱梁全长101.5 m，钢-混凝土结合段设在主跨侧，距桥塔中心11.5 m。

主梁全宽36 m，中心处梁高为3.4 m，梁顶设1.5%的双向坡，梁底水平，主梁横断面布置见图2。

图2 主梁横断面（单位：m）

（1）钢箱梁

钢结构采用Q345qE，局部受力较大区段采用Q390qE，采用单箱7室断面。标准段顶板厚16 mm，除局部范围内采用板式加劲外，其余均采用U型加劲肋加劲。标准段底板厚14 mm，除局部范围内采用板式加劲外，其余段均采用U型加劲肋加劲。全桥共设置8道腹板，其中锚腹板厚25 mm，标准段中腹板厚14 mm，并设置纵向及横向加劲肋。横隔板一般段厚度均为14 mm，拉索对应位置加强到20 mm，中支点、边支点位置加强到28 mm。横隔板标准间距为3 m，横隔板需设置自身的纵、横向加劲。钢箱梁在12#墩外侧支座最小反力较小，为防止出现梁端翘起及墩柱偏心受压，考虑在中间4个箱室顺桥向3 m范围灌注压重混凝土。

（2）预应力混凝土箱梁

预应力混凝土箱梁采用等截面预应力箱梁，采用 C50混凝土。顶板厚 0.3～0.6 m，底板厚0.25～0.6 m，腹板厚40～90 cm。墩位处及拉索区均设置横梁，横梁采用预应力混凝土结构。

（3）钢-混凝土结合段

3.3 桥塔

斜拉桥主塔是主要的承重构件。主梁部分恒载及活载等作用均通过斜拉索传递到主塔，再由塔梁下部的基础承受。桥塔全高75 m，塔身采用钢-混凝土组合结构。主塔的外包钢壳和钢筋混凝土通过剪力钉组合成为整体而共同发挥作用，充分发挥了两种材料的受力优势，它具有强度高、刚度大、延性好等特点。外包钢壳在施工时既作为永久的受力结构又作为浇筑混凝土时的模板之用，在施工时节约模板及减少临时结构、减少支模工序和缩短施工周期加快施工进度。

主塔横断面采用变截面椭圆形设计，其中塔脚截面长轴尺寸为7.3m，短轴尺寸为3.8m；塔顶截面长轴尺寸为9.709m，短轴尺寸为8m。钢结构采用Q345qE材质，下塔段外壁板厚度为25 mm，中塔段外壁板厚度为20 mm，上塔段外壁板厚度为12 mm，在塔壁内侧分别设置纵向及横向水平加劲肋及剪力钉。

塔脚锚固段是索塔设计的关键部位，塔壁伸入梁体长度3 m，设置一定数量肋板，肋板开有圆孔，穿过钢筋与混凝土包裹在一起，形成钢筋混凝土柱剪力键。主塔利用钢筋混凝土柱剪力键以及塔脚的底座形成传力的主要构件，同时深入梁体的塔壁板内外均设置了剪力钉作为辅助传力元件。根据受力需要，塔脚位置还布置了一定数量的预应力钢棒。

塔梁结合区立面见图3。

图3 塔梁结合区立面图（单位：mm）

3.4 斜拉索及锚固体系

本桥斜拉索采用单索面双排索布置，锚固区位于中央隔离带。塔上斜拉索与主塔交点在竖直方向间距为2.1 m。主梁上水平方向索距为12 m（钢梁段）及6 m(混凝土梁段)，斜拉索通过钢锚箱与钢梁连接，在混凝土梁底通过混凝土锚块锚固。

水平索距由主塔中心左起为15m+11×6m+9 m，主塔一侧无索区为15 m，边墩无索区长度为9 m；水平索距由主塔中心右起为20 m+11×12 m+17 m，主塔一侧无索区为20 m，边墩无索区长度为17 m。全桥共有斜拉索24对、共48根。斜拉索采用单层PE防护单丝涂覆环氧涂层钢绞线斜拉索体系，单根钢绞线直径15.2 mm，公称抗拉强度1 860 MPa。

拉索采用钢绞线拉索群锚体系（见图4）。拉索与钢箱梁的连接采用钢锚箱构造形式，在混凝土梁上设置锚块进行锚固。斜拉索在塔上的锚固方式采用新型拉索锚固体系，采用了基于分丝管索鞍的交叉锚固体系，该体系应用于实体桥塔具有以下优点：（1）解决了传统交叉锚体系构造复杂的问题；（2）彻底解决了拉索的抗滑问题；（3）可实现不同规格拉索的对锚；（4）可进行单根钢绞线换索，检测和维护方便快捷。

图4 塔上新型拉索锚固体系

3.5 施工技术

为减少施工对铁路运营的干扰，确保桥梁施工期间铁路运营的安全，斜拉桥采用转体施工，转体部分跨径布置为145 m+78 m=223 m。设计转体总重量W为255 000 kN。作为转体施工的关键结构，转体支座设计承载能力350 000 kN，直径为5 100 mm，高度为470 mm。转体选用两套600吨级以上连续牵引系统形成水平旋转力偶，通过拽拉锚固且缠绕于直径1 300 cm的转台周围上的22s15.2钢绞线，使得转动体系转动。

施工时，首先顺铁路采用支架拼装（浇注）梁体，梁体、桥塔完成后拆除支架。然后对转体结构进行称重、配重，确保转体结构平衡后进行转体作业。最后施工20 m后焊段钢梁以及12 m后浇段预应力混凝土箱梁，调整全桥索力，完成主桥施工。由于两侧跨径相差较大，混合梁斜拉桥设计时需通过认真计算，并通过桥塔梁两侧防撞护栏、桥面铺装施工来确保转体时桥体的平衡，必要时可设置纵向的偏心。

4 结构计算[4-6]

4.1 模型的建立

使用Midas Civil 2015对桥梁进行结构分析，建立整体模型（见图5），按桥梁施工顺序模拟施工流程。在模型中，主梁及桥塔的模拟均采用梁单元，斜拉索的模拟采用只收拉桁架单元，拉索与主梁、索塔之间的连接采用刚臂连接，主墩与塔、梁固结，连接处采用共节点的方式以模拟结构的固结状态。全桥共分为542个单元，576个节点。

图5 主桥有限元模型

4.2 静力计算

经计算，在施工过程中，钢主梁最大压应力为40.0 MPa，最大拉应力为5.0 MPa；预应力混凝土主梁最大拉应力为0.3 MPa，最大压应力为9.9 MPa。

在运营阶段，预应力混凝土主梁上、下缘不出现拉应力，短期组合下最小压应力为0.67 MPa，标准组合下最大压应力12.3 MPa。钢主梁上缘最大压应力为107 MPa，最大拉应力为34 MPa；下缘最大压应力为115 MPa，最大拉应力为137 MPa。主塔等效钢板最大正应力为124.2 MPa，最大剪应力为6.8 MPa。成桥状态，主塔纵桥向最大位移86 mm，汽车荷载作用下钢梁跨中最大下挠为135.6 mm，混凝土梁跨中最大下挠为11.7 mm。

4.3 整体稳定性验算

根据斜拉桥规范要求，斜拉桥弹性屈曲的结构稳定安全系数应不小于4.0。本桥第一阶弹性屈曲稳定特征值为12.85，失稳方向为主塔横向失稳，满足规范要求。

4.4 抗震计算

考虑相邻两联引桥的作用效应以及装图作用效应，建立抗震计算模型进行验算。经计算，在E1地震作用下桥墩、主塔均处于弹性工作范围内；在E2地震作用下桥墩、主塔均处于弹性工作范围内，强度满足规范要求。

5 结语

四平市某市政路上跨铁路立交桥结构形式采用独塔单索面混合梁斜拉桥，跨径布置为90 m+169 m，全长259 m。该桥的设计有以下几个特点：

（1）混合梁斜拉桥首次采用转体施工方法，为道路跨铁路提供了新的设计思路和理念。

（2）斜拉索在塔上的锚固方式采用钢绞线在塔上通过集束钢管贯通（索鞍）的新型锚固方式，改善了桥塔受力。

（3）主梁宽度与其长度相比明显较宽，采用单索面作为主梁的支撑体系，且不设置辅助墩，空间受力效应明显，因此主梁在偏载作用下的扭转受力行为，包括扭转对主梁纵、横向受力的耦合影响，值得深入分析。

（4）桥塔外形采用椭圆形变截面钢-混凝土组合结构，研究表明钢混组合结构与钢筋混凝土结构相比经济性效果显著。