高速铁路大跨度四线钢桁斜拉桥桥塔设计

谢远超

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

1 工程概况

杭绍台铁路是我国第一条民营资本控股的高速铁路项目，铁路跨越椒江主航道采用了(84+156+480+84+156) m四线钢桁斜拉桥[1](图1)，是全线关键重点工程。椒江特大桥跨越椒江，航道标准为Ⅳ级航道，椒江特大桥主跨跨越习惯性航迹线。

椒江特大桥主跨480 m创四线纯高速铁路桥梁主跨之最。该桥采用有砟轨道，设计速度250 km/h，预留300 km/h行车条件[2]。主桥结构为双塔双索面钢桁斜拉桥，半漂浮体系，其中主梁为正N形双主桁，桁高14 m，桁宽24.3 m；斜拉索共60对，采用锌铝合金平行钢丝索；主塔为下塔柱内缩的花瓶形混凝土桥塔，塔高190 m；基础为钻孔灌注桩基础，最大桩径2.5 m，最长桩长123 m。

图1 椒江特大桥主桥桥型布置(单位：m)

2 桥塔塔形比选

桥塔是斜拉桥主要受力构件，斜拉桥上部结构荷载通过主塔传递至基础，采用不同的桥塔塔形，桥塔受力特点相应变化，且桥塔是表达斜拉桥特色和视觉效果的主要结构物，其外形设计在全桥的景观设计中尤为重要[3-5]。故塔形的选择不仅与结构受力、工程造价、桥址处风速、地震等建桥条件密切相关，还往往受基础形式、施工难度以及景观效果的制约。

目前，桥塔的主要形式有A形、倒Y形、H形、钻石形和优化的花瓶形等主要塔形，如图2所示。

图2 塔形方案

从主塔受力而言，A形、倒Y形桥塔传力路径明确清晰，但下塔柱横桥向向外扩张，基础规模较大。当两肢下塔柱距离较远时，其基础平面形状可设计成“哑铃形”平面尺寸，但是要克服哑铃之间连接结构的拉力，同时也增加了围堰数量，增加了设计和施工的难度。H形塔是比较传统的桥塔形式，主要优点在于塔柱竖直，造型简洁便于施工，斜拉索为平行索面，但基础规模相对钻石形桥塔较大。

钻石形塔斜拉索为空间索面，索、塔之间的空间立体感增强，具有较好的稳定性、抗扭刚度和抗风性能，可以适应双索面及三索面的布置形式。下塔柱横向内缩，基础规模较小，节省工程造价，减小基础施工难度。

优化的花瓶形塔结合了传统H形塔和钻石形塔的优点，下塔柱内缩以减小基础规模，降低深水基础施工难度，节省造价，竖直的上塔柱及平行索面减小高空作业施工难度，通过塔柱棱角及横梁曲线的勾勒，使得塔形简洁大气而又不失优美。

由于该桥主塔位于深水区，为尽量减小深水基础的规模，从降低造价和施工难度等方面考虑，宜采用钻石形或优化的花瓶形桥塔，见图3。

图3 桥塔景观造型方案

对花瓶形桥塔及钻石形桥塔方案进行对比，主要结果对比如表1所示。

表1 塔形方案比较

两种塔形方案混凝土最大压应力、跨中静活载挠度及桥塔混凝土用量均较为接近，考虑花瓶形桥塔上塔柱竖直可简化模板便于施工，经综合比较，从受力合理、造价适宜、施工简便和景观优美等方面考虑，主塔塔形推荐采用花瓶形塔。

3 塔高比选

斜拉桥塔高是斜拉桥整体高度的控制因素，合理确定塔高，不仅具有技术经济意义，还有减小施工难度、降低施工风险等作用。

针对该四线铁路桥不同塔高进行计算研究，比较塔高180，190，200，210，220 m等5种方案。针对不同塔高方案，比较中跨活载挠度、拉索、主桁轴力、主塔反力等各项关键指标，主要结果对比如表2所示。

表2 不同塔高计算结果对照

随着塔高的增大，桥梁整体刚度增大，中跨静活载挠度减小，拉索及主梁受力相应改善，但主塔及基础受力增大。主塔和基础的横向弯矩随着塔高增大而增大，纵向弯矩反而减小。

可见随着塔高的增大，主塔和基础的工程量随着增大，但主梁和斜拉索的工程量随着塔高增大而减小。综合全桥考虑，本桥塔高采用190 m，本桥桥面以上至最高理论锚固点高为118.5 m，与主跨比例为0.25，为正常比例。

4 桥塔结构设计

桥塔为下塔柱内缩的花瓶形混凝土塔，由塔座、下塔柱、中塔柱、上塔柱、下横梁、上横梁六部分组成，塔高(从塔座顶面算起)为190 m，塔内设检修平台、爬梯及电梯等相关附属。桥塔顺桥向宽度为8～14 m。桥塔侧面距离塔底15.5 m及以上布置有直径10 cm、间距3 m的通风孔。塔柱四角均设倒角，横桥向内侧设置80 cm×80 cm的倒直角，横桥向外侧设置160 cm×80 cm的倒直角。在塔壁内设置型钢骨架。塔座、塔柱外表面混凝土保护层内布置有一层φ10 mm，间距10 cm的带肋焊接钢筋网片。桥塔结构见图4。

图4 桥塔结构(单位：cm)

4.1 塔柱

塔座高4 m，顶面顺桥向宽17 m，横桥向宽12 m，底面顺桥向宽21 m，横桥向宽16 m。

下塔柱高44.5 m，考虑通航防撞需要，塔柱下端为实体段，高度12 m，顺桥向宽11.89～14 m，下塔柱水平横桥向宽5.52～10 m，采用单箱双室截面，顺桥向塔壁厚度为1.2 m，中隔板厚0.8 m，横桥向塔壁厚度为1.2 m，在根部及与下横梁交界范围内壁厚局部加厚。

中塔柱高82.0 m，顺桥向宽8.0～11.89 m，横桥向宽5.5 m，采用单箱单室截面，顺桥向塔壁厚度为1.2 m，横桥向塔壁厚度为1 m，在中塔柱顶、底部内壁厚局部加厚。中塔柱在桥面处设有1.8 m×1.2 m进人孔，电力管线从该处通过。

上塔柱高63.5 m，顺桥向宽8 m，横桥向宽5.5 m，采用单箱单室截面，顺桥向塔壁厚度为1.5 m，横桥向塔壁厚度为1 m，在底部内壁厚局部加厚。塔顶部设有人孔。

4.2 横梁

下横梁高7.5 m，与塔柱相交位置局部加厚，横桥向长42.0 m，顺桥向宽9.2 m，采用单箱双室截面，顶、底板厚度为0.8 m，腹板厚度为1.0 m，在支点位置设有2.0 m厚的横隔墙，每塔下横梁共有2道支点隔墙。下横梁顶面布置有支承垫石及阻尼器锚固块。横梁考虑排水需要，梁顶均设2%双面人字坡。下横梁布置有82束22-φ15.2 mm钢绞线。

桥塔上横梁高6～10.43 m，横桥向长29.8 m，顺桥向宽6 m，采用单箱单室截面，顶、底板厚度为0.8 m，腹板厚度为0.8 m。上横梁布置有34束22-φ15.2 mm钢绞线。

4.3 基础

主塔基础采用钻孔灌注桩基础[6]，均按摩擦桩设计。基础设置单层圆端形承台，承台长48.966 m、宽32.224 m、厚6.0 m，桩基采用42根φ2.5 m的钻孔灌注桩，梅花形布置。桩基布置见图5。

图5 桥塔基础平面(单位：cm)

本桥位处地质条件较差，根据地质资料，桥塔基础土层主要为淤泥质黏土、粉质黏土、细圆砾土、凝灰岩等土层，上部土层较弱，存在较厚的软弱土层。为满足承载力及沉降值要求，选用强风化凝灰岩作为持力层。由于岩层纵横向存在倾斜，为使桩尖都落在基本承载力为500 kPa的强风化凝灰岩上，桥塔下的桩基采用了不等长桩，小里程桥塔桩长为114～116 m，大里程桥塔桩长为115.5～123 m。

4.4 索塔锚固

经受力及经济性比较，索塔锚固采用齿块锚，斜拉索塔端锚固在塔壁内侧的齿块上，并在塔壁内布置环向预应力束。

由于主塔截面较小，井字形布束在保证上下层螺旋筋不干扰时容易造成纵、横向预应力束竖向间距过大，导致预埋导管之间的区域配不下足够的预应力束，故采用环形配束方案。每层环向束布置内外侧两束，相邻层锚固区交错布置，上塔柱斜拉索锚固区塔壁内、外侧分别布置17-φ15.2 mm、19-φ15.2 mm环形钢绞线。

4.5 耐久性设计

椒江特大桥桥址处距离下游入海口约10.5 km，为感潮河段，为确保结构在设计使用寿命年限内的正常使用功能，对桥塔进行以下耐久性设计。

提高混凝土等级；增大最外层钢筋净保护层厚度；塔柱外表面设有φ10 mm的带肋防裂钢筋网片；受环境侵蚀性影响的墩身部位，采用硅烷浸渍防护作为附加防护措施；桩基施工用的钢护筒予以保留；优化混凝土配合比，以使混凝土的电通量、氯离子扩散系数等指标满足耐久性规范的要求。

5 桥塔计算分析

5.1 计算模型及荷载

采用通用有限元软件建立全桥计算模型，对不同工况下桥塔顺桥向、横桥向受力进行计算分析[7-13]。全桥计算模型见图6。

图6 椒江特大桥全桥有限元模型

计算荷载主要包括：结构自重、二期恒载、横梁预应力、混凝土收缩徐变、斜拉索初拉力、不均匀沉降、ZK活载、列车横向摇摆力、温度荷载、风荷载、制动力、地震力、船撞荷载等。

桥塔荷载组合分别以主力、主力+附加力进行组合，取最不利组合进行设计，并对特殊荷载进行检算。

5.2 主要检算结果

(1)塔柱计算

钢筋配置按规范要求的最小配筋率0.5%，并参考公路斜拉桥设计细则，总配筋率不小于1%进行配筋，根据不同的截面采用不同配筋方案。检算时钢筋按照双φ28 mm间距12.5 cm布置。

桥塔为压弯构件，计入弯矩增大系数对桥塔截面进行强度检算，检算结果如表3所示。

表3 塔柱混凝土压应力 MPa

混凝土最大压应力位于中塔柱下端变截面处，主附工况最大压应力为19.4 MPa，钢筋最大拉应力为46 MPa，运营阶段主塔不同部位混凝土应力、钢筋应力、裂缝等经检算均能满足要求。

(2)横梁计算

横梁按不同梁高进行对比分析，梁高较低时，跨中底板及梁端顶板存在拉应力，若不增加梁高采用增加钢束的方式，会导致钢束过密无法布置并使钢束锚固处桥塔承受较大的剪力，经比选后上横梁采用6～10.16 m变截面梁高，下横梁采用7.5 m梁高。横梁主要计算结果见表4。

可见横梁各项纵向检算结果均能满足要求。

对横梁建立环框计算模型，上横梁顶底板、腹板截面配筋均为φ20 mm@10 cm，下横梁顶底板、腹板截面配筋均为φ22 mm@10 cm。顶、底板及腹板按钢筋混凝土构件检算。选择最不利工况的内力，检算截面强度及裂缝，检算结果满足规范要求。

表4 横梁计算结果

(3)关键施工工况检算

裸塔工况混凝土最大压应力为11.7 MPa，最大悬臂工况混凝土最大压应力为15.9 MPa。裸塔工况及最大悬臂工况下，主塔不同部位混凝土应力、钢筋应力、裂缝等经检算均能满足要求。

(4)屈曲分析

对关键施工工况及正常运营工况进行屈曲分析，在各施工阶段稳定性分析均以恒载+风荷载进行计算，在正常运营阶段稳定性分析考虑恒载+活载+风荷载进行计算。屈曲分析结果见表5。

表5 屈曲分析结果

可见在各种计算工况下，结构弹性屈曲的特征值均满足要求。

(5)抗震计算

该桥位处地震动峰值加速度0.064g，桥塔横桥向采用反应谱法进行分析， 纵桥向采用时程法进行分析。从纵横向抗震模型中提取内力，对截面进行检算[14]。

多遇地震作用下桥塔混凝土最大压应力为17.5 MPa，钢筋拉应力很小。罕遇地震作用下桥塔混凝土最大压应力为20.4 MPa，钢筋最大拉应力为277.6 MPa。可见，在地震荷载作用下主塔不同部位混凝土应力、钢筋应力等均能满足要求。

6 施工方案

椒江特大桥主梁采用边跨顶推法，中跨悬拼法的施工方法，配备大型吊机，采用整节段架设，利用架梁吊机悬臂拼装中跨侧钢梁，每架设一个整节段钢梁，便对称挂设斜拉索，直至钢梁架设至跨中合龙。

桥塔基础为深水基础，搭设施工栈桥及水上施工平台，采用双壁钢围堰防护施工。椒江桥主塔基础采用低桩承台，钻孔灌注桩最大桩长为123 m，但最大钻孔深度达到143.6 m，是目前国内铁路桥梁中钻孔深度最深的桩基础，普通钻机难以施工，采用旋挖钻机桅杆加长，并定制特制钻杆的方案以满足钻孔深度。钻孔灌注桩施工控制难度很高，防止塌孔是施工该类大直径长桩的难题。该桥采取了加长钢护筒、精确控制泥浆配比等措施。

桥塔采用爬模法分节段施工，施工依次按照塔座、下塔柱、下横梁、中塔柱、上横梁、上塔柱的顺序进行。主塔塔座采用一次浇筑完成，并按大体积混凝土施工方法控制。塔柱总高190 m，共分34个施工段，采用液压爬模技术进行塔柱施工，中塔柱施工时应设置临时横撑以满足施工过程中的受力安全。上、下横梁施工时需搭建临时支架或托架，混凝土浇筑完成后，待混凝土强度达到设计值的95%、弹性模量达到设计值的100%且龄期大于7 d时，张拉上、下横梁内预应力[15-20]。

7 结语

椒江特大桥是杭绍台铁路重难点控制工程，所处地理位置建桥条件复杂，于2018年12月开工建设，截止到2020年3月，已完成桥塔基础及下塔柱施工。通过对桥塔塔形进行研究分析，从受力、造价、施工等方面综合考虑，主塔塔形采用花瓶形塔；通过对不同塔高方案进行计算比选，综合主梁、斜拉索、桥塔及基础共同考虑，本桥塔高采用190 m。在确定塔形及塔高后，进一步细化对桥塔塔柱、横梁、基础的截面设计，确定索塔锚固采用齿块锚体系，并对施工方案和耐久性措施进行研究，对桥塔不同工况的强度、稳定性进行检算，对桥塔抗震性能进行分析，从而确保桥塔设计的安全可靠、经济合理、美观可行、施工便利，设计经验可为类似桥梁建设提供借鉴。