商合杭高铁矮塔斜拉桥设计与关键技术

2020-03-22周岳武

中国铁路 2020年6期

周岳武

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

1 工程概况

颍上特大桥主桥为商合杭高铁重点、难点和控制性工程，采用（94.2+220+94.2）m 矮塔斜拉桥跨越颍河。桥位处于安徽省西北部的颍上县境内，淮北平原南部，西北与阜阳市区相连。桥址处河道弯曲，宽约370 m，其中主槽宽度约220 m，河堤为土堤，堤上边坡有片石铺砌，两侧河岸大堤边滩内种有树木和植被。

跨越颍河地段由河漫滩及河床组成，地形平坦开阔，略有起伏。地层局部覆盖第四系全新统人工堆积层填筑土及素填土，各地层主要为粉土、粉质黏土、黏土、粉砂、细砂及中砂，基本承载力120～400 kPa。历年各月极端最高气温和极端最低气温分别为41.4、-20.4 ℃；历年最热月平均气温和最冷月平均气温分别为27.8、0.8 ℃。地震烈度Ⅵ度，地震动峰值加速度0.050g，地震安评动峰值加速度为0.095g。

主桥采用（94.2+220+94.2）m 矮塔斜拉桥，立面布置见图1。梁部采用挂篮悬臂浇筑法施工。颍上特大桥已于2019 年11 月1 日建成通车，为目前我国已建成的最大跨度无砟轨道矮塔斜拉桥。

图1 主桥立面布置

2 结构设计

2.1 技术标准

主要技术标准如下：

（1）线路等级：客运专线；

（2）轨道类型：无砟轨道；

（3）正线数目：双线；

（4）曲线半径：直线；

（5）牵引类型：电力牵引；

（6）桥上坡度：平坡；

（7）设计荷载标准：ZK荷载；

（8）设计流量：5 200 m3/s；

（9）设计最高时速：350 km；

（10）设计使用年限：100年。

2.2 结构体系

采用半漂浮体系，主梁在桥塔横梁和边墩处均设置单向或双向活动支座，纵向不设固定支座。桥塔采用纵向A 形空间桁架结构，每个塔上布置2 排中支座，纵向间距11.7 m。中支座兼有运营工况纵向限位功能，正常运营工况位移量±150 mm，地震位移量±100 mm，总位移量±250 mm，纵向限位挡块后加工、安装，在保证设计位移量的同时，确保梁体往同一方向移动时8个支座的限位挡块能同时受力。边支点设置双向活动拉压支座和横向限位装置。

桥塔和梁之间对应每个中支座各设置1套内置硅油液体粘滞阻尼器，全桥共8套，阻尼器满足F=CVα的本构关系，其中C取4 000 kN·（s/m）0.3，设计最大阻尼力F=3 500 kN，设计最大速度为0.641 m/s。主梁与桥塔横梁中心间设置屈服力为2 500 kN 的钢阻尼作为横向防落梁措施。主桥支撑体系见图2。

2.3 梁部结构

主梁采用直腹板单箱双室混凝土箱梁，梁高6.5～11.5 m，中支点梁高与主跨比为1/19.13，跨中梁高与中支点梁高比为1/1.77。边支点等高段长7 m，中支点等高段长16 m，跨中等高段长44 m，变高段长80 m，按照二次抛物线变化。箱梁顶宽14.1 m、底宽11.6 m，为方便梁体自由变形，中支点14.1 m 范围取消悬臂。主梁中间无索区长46.2 m。

箱梁顶板厚0.45 m，中支点局部加厚到1.00 m；底板厚度从跨中0.52 m 按照二次抛物线变化至中支点1.20 m，中支点局部加厚至1.80 m；中跨腹板厚0.50～0.62～0.90 m，边跨腹板厚0.70～0.90 m，按折线变化。全联在端支点、中支点、跨中处共设置7道横隔板，斜拉索锚固点位置设0.8 m 宽的横梁，以提高主梁截面的整体性。为增加边跨质量，边支点隔板厚4.0 m，中支点隔板厚3.0 m，跨中隔板厚0.8 m。

图2 主桥支撑体系布置

2.4 桥塔结构

采用纵向A形、空间桁架式桥塔，塔底纵向双肢间距16.000 m，梁顶位置间距8.895 m，壁厚3.0 m。索塔采用横桥向单侧圆端形截面，支座横梁以上横桥向宽3.5 m，支座横梁以下横桥向宽7.65 m。塔全高66.5 m，桥面以上高35.0 m，桥面以上塔高与主跨比为1/6.29。

索塔设下支座横梁和上横梁，下支座横梁高5.5 m、宽3.0 m，上横梁高3.0 m、宽4.0 m，在支座横梁处设2 m高纵向弱联系梁，罕遇地震工况，纵向弱联系梁允许发生可修复破坏。桥塔横断面见图3。

2.5 斜拉索及索鞍

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，梁上索距约8.0 m。斜拉索通过索鞍构造在索塔内通过，两侧对称锚固于梁体。索体采用环氧涂层高强钢绞线，规格为15.2-55，抗拉强度标准值为1 860 MPa，允许疲劳应力幅140 MPa。斜拉索锚头外露钢部分涂抹油性密封蜡。斜拉索采用双层HDPE外护套，外护套采用白色，表面设双螺旋线。

斜拉索梁端安装内置式高性能阻尼器，利用高阻尼橡胶来耗能减振，提高斜拉索抗振能力。每根斜拉索在梁面张拉端设3台磁通量传感器，用于运营过程中监测斜拉索索力。

索鞍采用分丝管形式，每根斜拉索对应1个分丝管索鞍，分丝管为多根钢管组焊而成，每根分丝管仅穿1根钢绞线，以便斜拉索单根张拉及更换。索鞍两侧斜拉索通过边跨单侧双向抗滑锚固装置实现抗滑的目的，每单根斜拉索需满足5 t不平衡索力的抗滑要求。

图3 桥塔横断面

2.6 基础设计

每个桥塔采用36 根φ2 m 的钻孔桩基础，桩长102 m，承台厚6 m，基坑开挖时采用钢板桩围堰防护。

2.7 计算指标

采用MIDAS 建立全桥空间模型，斜拉索采用只受拉桁架单元，其余均采用梁单元，基础按照计算刚度的0.5～2.0倍包络计算，MIDAS空间计算模型见图4。

静活载作用下，中跨挠度74.9 mm，边跨挠度7.8 mm，挠跨比分别为1/2 937 和1/12 076，梁端转角0.33‰。中跨最大徐变变形-2.0 mm，边跨最大徐变变形-1.4 mm。温度荷载作用下主梁跨中最大变形14.8 mm。

图4 MIDAS空间计算模型

斜拉索最小安全系数2.0，最大活载应力幅48.0 MPa。主梁、桥塔等结构受力均满足规范要求。

成桥状态结构动力特性见表1。

表1 成桥状态结构动力特性

3 关键技术

3.1 采用合理结构体系

颍上特大桥上游约70 m 处为既有滁新高速公路（60+100+60）m连续梁桥，根据通航论证和防洪评价要求，主跨跨度需220 m。主桥采用（94.2+220+94.2）m半漂浮体系矮塔斜拉桥，2个主墩与公路连续梁边墩对应，边跨跨越沙颍河大堤。温度跨度为204.2 m，满足轨道专业不设置轨道温度调节器的要求，以减少后期养护维修工作并改善行车条件。

由于桥墩较矮，相比同温度跨度的刚构体系，采用半漂浮体系，跨中温度变形减小49%，基础弯矩减小69%，结构受力更为合理，2种体系的温度变形及基础弯矩对比见表2。

表2 2种体系温度变形及基础弯矩对比

同时相较于塔梁固结、塔墩分离体系，半漂浮体系的主塔对主梁的约束作用相对更强，因此在相同预应力和斜拉索布置下，其残余徐变更小。

3.2 大跨度无砟轨道预应力混凝土梁温度及徐变控制技术

颍上特大桥铺设无砟轨道，为提高运营阶段行车舒适性，必须严格控制主梁温度变形及徐变变形。

（1）合理选择矮塔斜拉桥斜拉索安全系数。设计优化过程中，当斜拉索规格从15.2-91 减小至15.2-73时，主梁跨中温度变形相应减小3 mm。减小斜拉索规格（面积），索梁温差作用下斜拉索内力减小，从而能减小主梁的温度变形。因此采用合适的斜拉索安全系数尤为重要，既能充分发挥斜拉索对主梁的贡献，又能减小温度荷载作用下斜拉索对主梁竖向变形的影响。

根据相关文献［1-4］，矮塔斜拉桥（或部分斜拉桥）和斜拉桥可通过斜拉索承担竖向荷载比与斜拉索疲劳应力幅2 个指标来区分，当斜拉索承担竖向荷载比≤30%且斜拉索疲劳应力幅≤50 MPa时为矮塔斜拉桥，否则是一般斜拉桥。

应力幅大小是决定拉索容许应力的主要因素，矮塔斜拉桥活载索力由结构刚度分配，斜拉索的疲劳应力幅与结构参数有关。由于矮塔斜拉桥梁体刚度较大，斜拉索应力幅较小，斜拉索的容许应力可提高至0.55fpk，即安全系数1.82。

根据调研资料［5-10］，国内外已建成的部分斜拉桥斜拉索安全系数多为1.67～2.50；综合考虑受力、温度变形和经济性，建议高速铁路矮塔斜拉桥斜拉索的安全系数取2.0左右。

（2）采用纵向A 形、空间桁架式桥塔。桥塔采用纵向A 形空间桁架式结构，每个桥塔上布设2 排支座。对1 个主塔纵向设单排支座和设双排支座进行分析比选，其中双排支座纵向间距11.0 m。采用双排支座，中跨跨中竖向温度变形减小9.5 mm，残余徐变减小8.4 mm，且运营工况边支点最小反力增加约4 000 kN。

主墩设2排支座后，一方面适当降低了主梁的计算跨度，另一方面桥塔边跨侧的支座对主梁的竖向变形具有抑制作用，因此徐变、温度变形、边墩支座反力均较单排支座更优。

同时采用A 形、空间桁架式桥塔有效减小桥塔承台厚度，优化下部结构设计。

（3）分批加载二期恒载，二次张拉斜拉索。施工时防护墙、竖墙、遮板、盖板和栏杆等与无砟轨道板结构无关的二期恒载先施工，再进行部分底板预应力张拉和斜拉索二次调索，随后立即铺设无砟轨道板，能有效减小预应力混凝土大跨结构残余徐变，并避免斜拉索二次张拉对桥面无砟轨道线形的影响。

需要说明的是，如果斜拉索二次张拉后，主梁空载停梁时间过长，在轨道板加载前，主梁可能发生向上变形，计算的残余徐变值反而更大。

3.3 减小不平衡索力差技术

为满足温度跨度需求，颍上特大桥边跨只有94.2 m，边中跨比仅为0.43∶1，较常规值偏小，中跨有5个不平衡节段，因而桥塔两侧斜拉索不平衡索力差相对更突出，为减小成桥后两侧不平衡索力，改善桥塔和基础受力，设计中主要采取如下措施：

（1）增加边跨腹板和边支点隔板厚度，通过结构质量调整。

（2）斜拉索索鞍抗滑键安装后立即锁定，采用两侧不平衡二次调索力。

（3）提高索鞍单侧双向抗滑锚固装置的抗滑能力，每对斜拉索的抗滑锚固装置能满足275 t 不平衡索力的抗滑要求。

4 车桥耦合分析

对桥梁在CRH2、CRH3 型动车组作用下的车桥空间耦合振动进行分析，轨道不平顺采用德国低干扰谱，将全桥温度变形曲线叠加到轨道高低不平顺中考虑温度对桥上线路不平顺性的影响，研究表明：

（1） CRH2、CRH3 型动车组以速度 180～420 km/h通过（94.2+220+94.2）m 矮塔斜拉桥时，动车与拖车的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标均在限值以内，保证了高速列车的行车安全。

（2） CRH3 型动车组以速度 180～420 km/h 通过（94.2+220+94.2）m 矮塔斜拉桥时，竖向和横向舒适性均达到“优”。CRH2 型动车组以速度 180～420 km/h 通过（94.2+220+94.2）m 矮塔斜拉桥时，竖向舒适性达到“优”；横向舒适性在车速180～375 km/h 时达到“优”“良”，车速400～420 km/h时为“合格”。