包银高铁黄河特大桥(102+3×178+102) m矮塔斜拉桥设计及创新

冯文章

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

引言

20世纪80年代，法国工程师Jacgues Mathivat最早提出了矮塔斜拉桥的概念。这种桥型在法国诞生之后，没有得到广泛应用，却在日本得到重视。日本于20世纪90年代建成了世界上第一座矮塔斜拉桥—小田原港桥[1]，随后相继建成了屋代南和屋代北两座铁路桥[2-3]、冲原桥、蟹泽桥[4]、三内丸山桥[5]、木泽川桥[6]等。我国于2000年建成第一座公铁两用矮塔斜拉桥—芜湖长江大桥[7]。随后，矮塔斜拉桥在我国发展迅猛，相继建成漳州战备桥、同安银湖大桥等多座矮塔斜拉桥[8-11]。2011年，我国建成第一座铁路预应力混凝土矮塔斜拉桥—京沪高铁津沪联络线特大桥[12-13]。由于矮塔斜拉桥刚度大，经济性优，施工便捷，在铁路领域得到广泛应用[14-16]。商合杭铁路(94.2+220+94.2) m矮塔斜拉桥、福平铁路(144+288+144) m乌龙江特大桥[17]是其中典型代表。

铁路矮塔斜拉桥跨度逐渐增大，但联长较短，对长联大跨矮塔斜拉桥缺少足够的研究。本文结合包银高铁磴口黄河特大桥(102+3×178+102) m矮塔斜拉桥，对高速铁路长联大跨矮塔斜拉桥的受力性能进行分析，为同类桥型在高速铁路上的运用提供借鉴。

1 工程概况

包头至银川铁路工程在磴口县南粮台村附近跨越黄河。桥位处左岸有库区围堤，为灌区和农田；右岸为鄂尔多斯低山台地。桥位处河道顺直，河宽2.7 km，现状主槽宽约600 m，主流靠右岸，河道比降为0.14‰，该段河势平缓开阔，为典型的库区冲积平原型河道。桥址区范围地址以细砂，粉砂，细圆砾土为主。磴口黄河特大桥采用ZK活载，双线线间距4.6 m，有砟轨道，设计时度250 km/h，主桥位于直线，3.5‰纵坡上。桥址区地震基本烈度8度，地震动峰值加速度0.2g，场地类别Ⅲ类，特征周期分区为二区，地震动反应谱特征周期为0.55 s。

2 主桥孔跨布置和桥式方案

桥位处黄河规划通航等级为Ⅴ级航道，需满足通航要求。桥位处左滩扩宽，主槽进一步缩窄，河势无较大变化，主流靠近右岸。桥位位于三盛公库区闸前段，桥位处河道顺直，主槽窄深。从历年河势变化分析，右岸稳定，左岸边滩往河心发展，主槽略有萎缩。斜拉索加劲方式可有效提高主梁结构刚度，同时考虑通航要求、结构受力、方便施工、经济环保等各方面因素[18]，决定采用(102+3×178+102) m矮塔斜拉桥方案。

主桥结构体系采用塔梁固结，塔墩分离形式。主桥全长738 m，孔跨布置如图1所示。

3 主桥构造

3.1 主梁

主梁断面如图2所示。主梁采用单箱双室、直腹板、变截面形式，梁高5.5～9.5 m，边支点等高段长27.5 m，中支点等高段长9 m，跨中等高段长29 m，变高段长700 m，按二次抛物线变化。箱梁顶宽13.3 m，底宽10.8 m，中支点附近箱梁顶宽局部加宽至17.2 m，底宽加宽至14.0 m。顶板厚度除梁端为110 cm、中支点附近为100 cm外，其余均为42 cm。底板厚度50～163.8 cm，底板底部按二次抛物线变化，中支点局部加厚至2 m。边、中腹板厚度均按照50 cm～70 cm～90 cm折线变化，中支点腹板局部加厚到110 cm。全联在端支点、中支点、跨中处共设置9道横隔板，边支点隔板厚2.45 m，中支点隔板厚4.0 m，跨中隔板厚0.4 m，所有横隔板均设过人孔。斜拉索锚固点位置设0.8 m宽的半横梁，以提高主梁截面的横向刚度和整体性。

3.2 索塔

增加桥塔高度可有效提升主梁刚度[19]，本桥梁顶面以上索塔高30 m。为提高景观效果，塔柱外轮廓作圆形倒角处理。塔柱横向宽度均为2.0 m，顺桥向宽3.5 m。塔柱下端无索区高19.1 m。桥塔结构如图3所示。

图2 主梁横断面(单位：cm)

图3 索塔结构(单位：cm)

3.3 索鞍

为便于斜拉索通过，塔柱上部设置索鞍。索鞍由多根分丝钢管焊接而成，每根斜拉索穿过一个分丝管。索鞍两侧斜拉索通过单侧双向抗滑锚固装置实现抗滑的目的，抗滑移装置和钢铰线无相对滑移和断丝现象。

3.4 斜拉索

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1.1 m，梁上索距约8 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，抗拉强度标准值为1 860 MPa。

3.5 桥墩

桥主墩采用钢筋混凝土结构，实心矩形变截面，外轮廓做圆形倒角和凹槽处理，2号主墩为固定墩。边墩采用普通双线圆端形实体桥墩。

3.6 基础

主墩基础采用桩径2.0 m的钻孔灌注桩。边墩基础采用桩径1.5 m的钻孔灌注桩。

3.7 附属设施

由于桥体联长较长，温度跨度大，需设置温度调节器。桥体位于高烈度震区，需采用减隔震支座，考虑到采用减隔震支座会造成梁端位移增大，按照抗震设计控制梁缝并设置梁端大位移伸缩装置。桥体大位移伸缩装置与轨道伸缩调节器合并设置。

4 结构计算

4.1 结构静力计算

采用MIDAS CIVIL(2019)建立空间有限元模型，主梁、主塔、桥墩采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟，模型如图4所示。

图4 有限元模型

梁塔连接采用主从约束模拟，梁墩的支座连接采用弹性连接模拟。桥墩与地基的连接采用节点弹性支撑模拟。计算荷载包括恒载、活载、附加荷载、特殊荷载，对结构施工过程和成桥状态进行检算。

对静活载挠度及梁端转角(考虑温度影响)进行计算分析，其中中跨挠跨比为1/1 171，次中跨挠跨比为1/1 309，边跨挠跨比为1/2 914。梁端转角下挠度1.11‰rad，反弯-1.32‰rad。结果表明，在列车静活载和温度作用共同作用下，主梁竖向变形能够满足刚度要求。

主梁应力值见表1，可以看出，各种荷载组合作用下，主梁各截面的应力、强度安全系数、抗裂安全系数满足TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》要求。

斜拉索采用抗拉强度标准值为1 860 MPa的环氧涂层高强钢绞线。主力组合作用下斜拉索最大拉力4 818 kN，主力+附加力组合作用下斜拉索最大拉力5 059 kN；最小强度安全系数2.8；拉索疲劳应力幅90 MPa。

表1 主梁截面验算结果

4.2 地震响应分析

本桥联长较长，主墩较矮，桥址处地震基本烈度为8度，地震动峰值加速度为0.2g，属于技术复杂、修复困难的高速铁路特殊桥梁结构。抗震设防目标见表2。

表2 主桥抗震设防目标

通过抗震方案设计比选，确定采用阻尼器+减隔震支座的方案，阻尼器与减隔震布置如图5所示，阻尼器参数如表3所示。

图5 阻尼器布置示意

表3 阻尼器参数

本桥设计采用1倍多遇地震(考虑桥梁重要性系数1.5)时普通支座的水平反力作为减隔震支座的水平极限承载力，即当桥梁承受地震超过多遇地震水准时，支座的限位装置解除约束，减隔震支座发挥相应作用。桥体采用减隔震支座最大承载力1.3×105kN。

考虑到罕遇地震工况下桥塔、梁、减隔震系统协同运动，按多遇地震工况(考虑1.5倍放大系数)下计算桥塔截面配筋。

采用以上设计参数，对结构进行多遇地震、设计地震及罕遇地震工况下的抗震计算分析，分析结果如表4～表8所示。

表4 多遇地震墩底内力

表5 设计地震墩底内力(减隔震支座+阻尼器)

表6 罕遇地震墩底内力(支座硬抗)

表7 罕遇地震墩底内力(减隔震支座+阻尼器)

表8 墩底抗震最大承载弯矩 kN·m

由计算结果可知，多遇和设计地震工况下桥墩墩底弯矩均在墩底弹性弯矩以内，罕遇地震工况下桥墩墩底弯矩均在墩底屈服弯矩以内，说明桥墩在多遇、罕遇地震下均满足安全需要。

4.3车-桥耦合分析

为对列车过桥时的舒适性、安全性进行研究，本桥进行了车-桥耦合动力分析[20]。主桥前10阶自振特性如表9所示。

表9 主桥前10阶自振特性

根据车-桥耦合动力分析的结果，当CRH3高速列车以200～300 km/h的速度通过桥梁时，桥梁的动力响应均在容许范围之内，列车横向、竖向振动加速度满足均限值要求；当CRH3高速列车以200～250 km/h(设计速度段)的速度通过桥梁时，列车乘坐舒适性指标可达到规定的“优秀”标准以上，以275～300 km/h(检算速度段)的速度通过桥梁时，列车的乘坐舒适性也能够达到规定的“良好”标准以上。

5 结论

包银高铁磴口黄河特大桥为目前我国联长最长的高速铁路矮塔斜拉桥，结构采用塔梁固结墩梁分离体系。对结构的静力、地震响应和车-桥耦合进行分析，结果表明，各项指标满足设计要求。主要创新点如下。

(1)地震基本烈度为8度，地震动峰值加速度为0.2g，联长738 m，为给桥墩和基础设计提供优化空间，在主梁和桥墩之间设置减隔震支座和粘滞阻尼器协同抗震。计算结果表明，协同抗震体系下，桥墩在多遇、罕遇地震下均满足安全需要。

(2)大位移伸缩装置与轨道伸缩调节器合并设置，解决了桥体温度跨度大和减隔震支座引起的纵向大位移问题。

(3)本桥主墩采用承载力130 000 kN的大吨位减隔震支座，支座进行了专门研发。

包银磴口黄河特大桥计划于2020年开工建设，2023年建成通车。