独柱中央索宽幅钢箱梁转体斜拉桥关键技术

卿仁杰

（广州市南沙区建设中心 广州511400）

1 工程概况

某跨铁路大桥采用（40+88+252+88+40）m 半漂浮体系［1］双塔钢箱梁斜拉桥，如图1 所示。大桥桥塔中穿桥面，为典型的独柱塔宽幅桥面结构，采用转体法施工，转体半径124 m，转体重量1.8万t。桥面按双向八车道设计，宽度达44 m，局部46 m。大桥具有建设条件严苛、技术含量高、设计难度大、施工要求高等技术重难点。

图1 大桥立面布置Fig.1 Elevation Layout of the Bridge（m）

2 建设条件

大桥跨越高速铁路、普速铁路、编组站股道等多条铁路线，铁路东侧建筑物密布。场地地貌属于长江冲积平原，为长江Ⅲ级阶地前缘。工程区域属亚热带季风性湿润气候，雨量充沛、日照充足，极端最高和最低气温分别为41.3℃、-18.1℃，年平均气温为16.7℃。

地表土层为种植土和粉质黏土，下伏白垩-下第三系泥质砂岩，三叠系泥质泥质砂岩、泥灰岩、灰岩、泥质灰岩、炭质泥岩、钙质泥岩等。

3 技术标准

道路等级为城市快速路，按双向八车道设计，汽车荷载等级为城-A级［2］，设计时速60 km/h。

工程按7 度地震区设防，施工阶段风速按30年一遇设计，桥梁转体时风力不超过4级。

4 结构关键技术

4.1 结构体系

斜拉桥约束体系主要有全漂浮体系、半漂浮体系［3］和塔梁固结体系。

全漂浮体系斜拉桥在风力和制动力的作用下，产生的桥塔内力和位移、主梁位移均很大，由于本桥为多车道公路且转体施工时塔梁需临时固结，不推荐采用。其次，在下塔柱较低的情况下，塔梁固结体系会使得下塔柱产生过大的弯矩，给结构设计带来不利影响，亦不推荐采用。

考虑到改善结构受力，设置竖向支座将有利于后期固结进行转体施工，故推荐半漂浮体系。

4.2 桥塔形式及塔高的选择

目前转体斜拉桥桥塔形式可供选择不多，主要有：独柱形、H 形和A 形。各种桥塔在桥梁景观上具有多样性，结构受力上亦有其自身的优势。桥塔形式的选取要结合各桥建设条件和具体情况进行分析选用。由于桥址位于城区，工程附近有学校、住宅和城市道路，景观性十分重要。城市桥梁在满足功能需求的基础上，美观是确定结构形式的重要因素。

本桥桥塔与主梁的高宽比值较小，下桥塔必须内收便于转体施工，桥塔采用H形塔或A形塔虽然合适，但由于塔高不高，塔形较为扁平，严重影响桥梁美观，同时桥塔受力不合理，不推荐采用H形塔或A形塔。

从桥梁美观的角度考虑出发，同时为尽量节省工程造价、降低转体重量，推荐采用独柱形混凝土桥塔方案，同时下塔柱取消横梁构造，设置牛腿作为主梁竖向支撑和施工期的临时固结平台［4］，如图2所示。

图2 桥塔形式比选Fig.2 Comparison and Selection of Bridge Pylon Forms

桥塔构造示意如图3 所示。桥塔高跨比一般为0.26～0.29，基于桥梁景观性考虑，本桥桥塔高度在60～80 m（桥面以上）之间时，整体造型比较协调美观。因此分别对60 m、70 m、80 m 的塔高（桥面以上）进行计算分析，各塔高情况下的主梁位移曲线如图4所示。

⑴ 当塔高从60 m 提高到70 m，跨中挠跨比从1/888减少到1/1 057，减小幅度16%左右；当塔高从70 m提高到80 m，跨中挠跨比从1/1 057 减少到1/1 183，减小幅度10.6%左右。

⑵塔高增大对钢箱梁的活载疲劳应力幅有所改善。当塔高70 m 时，钢箱梁顶板、底板和桥塔应力峰值较小，塔高高度减少至60 m 或增加到80 m 时，钢箱梁顶板、底板和桥塔应力峰值均会增加，说明塔高设置为70 m时，斜拉桥主梁和桥塔应力水平较好。

⑶随着塔高的增加，拉索应力水平逐渐减小，同时活载应力幅也有所降低。但是塔高的增加将导致桥塔混凝土用量增大，当塔高从70 m 增加至80 m 时，桥塔混凝土数量增幅为589.6 m3（增幅约15%），进而增加工程造价。

综上所述，70 m 塔高在主梁、桥塔受力及工程材料的节约等方面均较优，结合拉索布置具体情况，本桥最终确定的塔高为72.5 m（桥面以上）。

图3 桥塔构造示意图Fig.3 Structural Diagram of Bridge Pylon（m）

图4 各塔高情况下的主梁位移曲线Fig.4 The Displacement Curve of Main Beam at Each Pylon Heights

4.3 梁形式及梁高的选择

斜拉桥主梁结构形式主要分为钢箱梁［5］、混凝土梁以及钢混组合梁。对于八车道桥面布置，桥面较宽，若采用混凝土截面，其横向应力很难有效控制且施工质量很难保证。钢混组合梁工艺复杂，需向铁路局登记天窗点施工的次数多且时间长。考虑跨越铁路桥梁施工便捷、对铁路影响小，同时尽量降低转体重量，推荐钢箱梁做为主梁结构形式。

由于采用独柱形桥塔，桥面宽且塔高较低，若采用斜拉索两侧布置的整幅钢箱梁和分离钢箱梁，斜拉索将会倾入行车道，同时分离钢箱梁中央护栏区仍存在车辆或异物坠入桥下铁路的危险，故钢箱梁截面形式推荐中央索面整幅钢箱梁（标准宽度42 m，上跨高铁范围两侧设置异物侵限监测网拓宽为44 m），如图5所示。

以结构力学性能和钢材用量为优化目标，初步选定3 种钢箱梁梁高方案进行比选，其截面高度分别为3.0 m、3.3 m、3.5 m。

⑴随着梁高的增加，主梁竖向刚度变大。当梁高由3.0 m 增大至3.3 m 时，跨中挠度减少17.1 mm，降幅6.67%；当梁高由3.3 m增大至3.5 m时，跨中挠度减小8.5 mm，降幅3.55%。

图5 主梁标准横断面示意图Fig.5 Schematic Diagram of Standard Cross Section of Main Beam （cm）

⑵主梁梁高增大对钢箱梁的活载疲劳应力幅有所改善，同时桥塔应力有所减小，但斜拉索应力增大，拉索用量增加。

⑶钢箱梁梁高变大使得用钢量增加，当梁高由3.0 m增加到3.3 m时，全桥钢材用量增加1 919.8 t；当梁高由3.3 m增加到3.5 m时，全桥钢材用量增加1 279.9 t。

因此，从结构受力状态和工程经济性综合考虑，3.3 m 梁高方案对于主梁、索塔受力及工程材料的节约方面较优，本桥梁高推荐采用3.3 m。

4.4 宽幅钢箱梁剪力滞分析

宽幅钢箱梁［6］剪力滞效应突出，为此特建立混合有限元空间模型进行宽幅截面的剪力滞［7］效应分析，混合有限元空间模型如图6所示。

图6 钢箱梁剪力滞分析混合单元有限元模型Fig.6 Mixed Element Finite Element Model for Shear Lag Analysis of Steel Box Girder

⑴由于桥梁跨中活载效应较为明显，而恒载效应较小可忽略，该区域需重点研究活载剪力滞效应。

⑵对于塔梁交汇区域，该区域为主梁承受最大轴力区域，同时活载效应也较大。故剪力滞效应需同时关注恒载和活载影响。

⑶对于辅助墩区域，该区域为主梁承受最大弯矩区域，恒、活载效应均很大。故剪力滞效应需同时关注恒载和活载影响。

各典型位置处的剪力滞系数汇总如表1所示。

表1 各典型位置处剪力滞系数Tab.1 Shear Lag Coefficient at Each Typical Location

4.5 塔梁临时固定结构

在钢箱梁与桥塔牛腿间设置8 个临时固定结构（见图7），临时固定处设置临时垫石，临时垫石之上设置钢底座，钢底座与钢箱梁栓接，钢箱梁内设置加劲板；钢底座与桥塔牛腿之间通过竖向预应力钢绞线抵抗竖向上拔力；结合横向抗风支座构成三向固定。施工过程考虑5年一遇风力、不平衡重量等因素，临时固定结构抗倾覆安全系数为2.83，满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：JTG 3362-2018》要求。

图7 塔梁临时固定装置示意图Fig.7 Schematic Ciagram of Temporary Fixing Device of Pylon Girder

4.6 大跨度跨铁路桥梁防撞防抛体系研究

针对上跨高速铁路及大型编组站防护要求，在主梁使用SS级+SX 级防撞墙的基础上，对防抛网气动性能进行研究，防撞防抛体系如图8 所示。针对①网眼25 mm；②下部网眼5 mm、上部网眼25 mm；③网眼5 mm 三种方案进行风洞试验研究，结果表明仅网眼25 mm 的情况下，主梁涡振幅值小于《公路桥梁抗风设计规范：JTG/T 3360-01-2018》［8］规定的允许值，其余方案均不满足此规范要求。

图8 大跨度跨铁路桥梁防撞防抛体系Fig.8 Anti Collision And Anti Throw System of Long Span Railway Bridge（mm）

4.7 桥面铺装体系

图9 钢桥面ECO+SMA铺装体系Fig.9 Steel Deck ECO + SMA Pavement System

桥面采用ECO+SMA 组合的铺装体系，如图9 所示。ECO 为改性聚氨酯混凝土，具有良好的抗拉强度，且配套的防水粘结材料可与桥面钢板形成较大的粘结强度，最高可达16 MPa。ECO 改性聚氨酯铺装材料具有良好的防水、防渗透性能，抗高温和低温抗裂性能，还具有高耐磨性能，施工周期短，对环境要求低，摊铺后即可快速开放交通，全寿命经济性良好等优点。该体系适合于夏季高温炎热、冬季低温寒冷、潮湿多雨等气候特点下的桥面铺装应用。

4.8 转动体系

基于球铰的姿态可调性、施工稳定性等优势，大桥采用1.8万t承载能力的钢球铰［9］，球体半径10 m。

桥塔基础上、下承台分别作为转动体系的上、下转盘，转体施工完成后，再将上下承台封铰并浇筑成一个整体。环形滑道、下球铰、助推系统及反力座布置于下转盘，撑脚及上球铰布置于上转盘。

4.9 抗风性能研究

根据大桥的结构特点和施工方法，需重点关注成桥运营节段的涡振性能以及施工期的风致振动响应。本桥进行了主梁节段模型试验、转体施工状态和成桥状态的气弹模型试验［10］。风洞试验表明：施工期桥梁在均匀流场不同风攻角下主梁涡振锁定区风速范围较高，约为25.0～45.0 m/s，考虑桥位处风场存在一定的紊流度，桥梁涡振性能满足文献［8］的要求。

大桥施工和成桥状态颤振稳定性［11］、涡振性能均满足文献［8］的要求。

4.10 抗震性能研究

采用反应谱和时程分析2种方法，研究大桥在E1和E2 地震［12］作用下的抗震性能。计算表明，大桥满足预期性能目标，各主要截面呈弹性工作状态。基于抗震验算结果，提出桥塔、桥墩和桩基关键截面的配筋率和配箍率指导进行设计优化。

5 结语

该跨铁路斜拉桥为国内外首座独柱塔半漂浮体系钢箱梁转体斜拉桥，存在很多设计、施工难点。大桥解决了跨越高速铁路及大型铁路编组站的建设难题，创新提出了大跨度独柱中央索宽幅钢箱梁转体斜拉桥方案及相应结构体系、关键构造，并针对上跨高速铁路及大型编组站防护要求，结合风洞试验研究成果，研制了大跨度上跨铁路桥梁新型防撞防抛装置。该桥的成功实施为我国跨线桥领域提供了新的思路。