杭衢铁路(117+240+117) m三线部分斜拉桥主桥设计

吴 鹏

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 桥梁概况

新建杭衢铁路(建德至衢州段)北起建德市，经龙游后至衢州西，正线全长130.913 km。常山江特大桥是该项目的控制性节点工程，线路于衢州市衢江区境内跨越常山江，桥址处常山江水面宽242 m，设计流量9 179 m3/s， 设计水位71.79 m，最高通航水位65.20 m。线路与常山江河道夹角59°。桥址处河道顺直开阔，地层主要为粉质黏土、细圆砾土、强风化粉砂岩、弱风化粉砂岩。

2 技术标准

(1)线路标准：正线双线线间距5.0 m；联络线位于正线右侧，距正线右线线间距6.5 m。设计速度正线350 km/h；联络线160 km/h。主桥位于5.7‰和-4.3‰纵坡上。平面位于直线上。

(2)设计活载：ZK标准活载。

(3)轨道类型：正线双线为无砟轨道，联络线单线为有砟轨道。

(4)场地类型和地震烈度：场地土类型为软弱土-岩石，Ⅱ类场地，地震动峰值加速度0.05g，场地基本地震动加速度反应谱特征周期0.35 s。

(5)通航标准：规划Ⅲ级航道。

(6)设计使用年限：桥梁结构100年。

3 桥型比选

在满足防洪要求的条件下，本桥孔跨布置的关键点在于通航孔需考虑上游500 m处规划船闸和下游250 m处公路大桥的影响。根据通航影响评价报告要求采用单孔双向通航孔方案，最终确定主跨为240 m的大跨方案，以满足通航要求。

本桥不适合大跨刚构桥方案(最大主墩高约21 m)，设计中进行了部分斜拉桥、连续梁-拱桥、钢-混连续梁3种大跨桥型方案的比选。由于钢-混连续梁的钢混结合段受力特殊、构造复杂，施工精度要求高、施工难度大，因此予以舍弃。重点对部分斜拉桥和连续梁-拱桥方案进行了比较，详见表1。

表1 桥型比较

上述方案均能满足功能需求，但综合考虑结构受力、经济性能、施工影响以及地方意见，最终确定采用(117+240+117) m部分斜拉桥[1]方案。考虑到大小里程侧主墩高分别仅为11 m和21 m(指梁底到地面线之间的距离)，高跨比仅为1/11.43和1/21.82，难以采用塔墩梁固结体系[2-4]，技术比选后确定采用塔梁固结、塔墩分离体系。桥址平面和立面布置分别见图1、图2。

图1 桥址平面

图2 主桥立面布置(单位：m)

4 桥梁主要结构设计

4.1 主梁

参考类似工程，针对主桥梁高，设计阶段研究了以下2种方案。

方案1：中支点梁高15.5 m，端支点梁高6.5 m。

方案2：中支点梁高14.5 m，端支点梁高7 m。

经计算，上述2种梁高方案下的各指标均满足规范要求。由于部分斜拉桥在一定范围内增加梁高对主梁的应力改善影响较小[5]，梁部应力满足规范的条件下，活载梁端转角是控制梁高的主要因素[6]。计算结果显示，静活载作用下方案2的梁端转角0.86‰rad优于方案1的梁端转角0.98‰rad，因此主梁采用中支点梁高14.5 m，端支点梁高7 m的单箱双室箱形梁。

箱梁顶宽21.3 m。箱梁顶板厚0.45 m，至中支点附近加厚至0.7 m。箱梁底宽16.7 m，底板厚0.45～1.406 m。箱梁采用直腹板，腹板厚分0.50、0.70、0.90 m三种。主桥在梁的两端和塔梁固结处共设4道横隔板，在斜拉索各锚固点主梁箱内共设32道横梁。主梁典型横断面见图3、图4。

图3 中支点处箱梁截面(单位：cm)

图4 跨中处箱梁截面(单位：cm)

边支座及中支座均采用三支座布置，边墩支座吨位为8 500 kN级，中墩支座吨位为170 000 kN级。横桥向中心距分别为(7.15+7.15) m及(6.75+6.75) m。支座布置如图5所示。

图5 支座布置示意

4.2 桥塔

桥塔是部分斜拉桥的主要受力构件之一，其高度与斜拉索水平倾角正相关。根据本桥特点(三线铁路桥，桥面宽、承载重)并参考类似工程，端索水平倾角取26.8°，较大的端索水平倾角提升了斜拉索的竖向效应，改善了主梁应力及梁端转角。另由于本桥为线间距5 m+6.5 m的三线桥，线间难以设塔，技术比较最终确定本桥采用直立双柱式桥塔，桥塔构造见图6。

桥面以上塔高52.0 m，桥面以上塔的高跨比为1/4.62。上塔柱索梁锚固区采用矩形实体截面，其余处采用矩形空心截面，顺桥向宽度为5.0～7.2 m，横桥向宽度为2.6 m，四周设50 cm倒角。

4.3 斜拉索及锚固方式

斜拉索的布置形式主要有辐射式、平行式、扇式。由于扇式斜拉索兼具辐射式和平行式的优点[7]，因此本桥采用该布置形式，为空间双索面体系。斜拉索采用抗拉标准强度1 860 MPa的单丝涂覆环氧涂层钢绞线拉索，外套HDPE。斜拉索梁上纵向间距9 m，横向间距19.8 m，与主梁采用成品梁端锚具形式，主梁内设置锚固梁，张拉端设置在梁上。斜拉索在塔端采用分丝管索鞍贯通，间距为1.5 m。斜拉索端索水平夹角为26.8°，最长115.6 m，最短57.8 m。

本桥为三线铁路斜拉桥，桥面较宽、荷载工况复杂，活载引起的斜拉索边中跨双侧抗滑力以及同一根拉索在索塔两侧的索力差值较大，容易造成索塔锚固处桥塔混凝土劈裂[8]，设计阶段开展了下列专题研究：(1)大倾角拉索索鞍应力分析；(2)索塔两侧拉索规格、索力、倾角非对称情况下鞍座式拉索锚固体系受力性能研究；(3)鞍座式拉索锚固体系的抗滑及疲劳性能研究。

通过上述研究分析，对索鞍局部构造进行了改进，采用了一种新型双侧抗滑移鞍座式拉索锚固体系。主要改进体现在以下两个方面：一是在索鞍垫板处设置加劲板，加劲板上设置布筋孔；二是在索鞍两端垫板之间设置4根φ20 mm的连接钢筋，以利于索鞍垫板在斜拉索活载或不平衡力作用下的受力传递分散，从而改善索鞍垫板下混凝土的受力。斜拉索索鞍构造详见图7。

常山江特大桥主桥采用的新型双侧抗滑鞍座式拉索锚固体系，构造简单、施工方便，解决了鞍座式拉索锚固体系应用于大跨度斜拉桥时列车活载不对称加载时引起的同一根斜拉索在中跨和边跨索力值差距较大问题；并可在一侧拉索梁端锚固失效时，可以对拉索进行临时锚固，避免产生连锁反应，具备防锚固失效功能。

4.4 桥墩与基础

主墩采用圆墩形实体直坡墩以减少阻水面积，水中58号主墩高20 m，陆上59号主墩高9 m，顺桥向宽6.5 m，横桥向宽21.6 m。58号主墩基础采用19φ3.0 m钻孔桩，59号主墩采用18φ3.0 m钻孔桩，桩基均按柱桩设计。对应承台为八边形承台，58号承台尺寸18.6 m×38.8 m×6 m，59号承台尺寸21.2 m×28.8 m×6 m。

5 主桥计算

5.1 纵向计算

本桥为三线铁路部分斜拉桥，桥面宽21.3 m(桥塔梁固结处桥面宽24.8 m)，属于较宽的桥面结构，相对于常规单、双线铁路，荷载工况多，受力更为复杂。采用桥梁博士V3.5程序及Midas/civil程序对主桥进行分析，得出支反力及内力、应力、强度等指标。

5.1.1 主梁检算

对主梁在施工阶段和运营阶段强度、抗裂性、应力、变形等进行检算，主要结果见表2。

表2 主梁截面检算结果 MPa

施工阶段，主梁上缘最大应力16.4 MPa，最小应力-0.50 MPa；下缘最大应力16.7 MPa，最小应力-0.50 MPa。

计算结果满足规范[9-11]要求。

5.1.2 桥塔检算

桥塔按实心矩形截面计算，主力作用下桥塔最大应力8.3 MPa、最小应力4.9 MPa，均为压应力；主力+附加力作用下桥塔最大压应力8.8 MPa、最小压应力3.6 MPa，均为压应力。

5.1.3 斜拉索检算

斜拉索采用镀锌钢绞线，单根钢绞线规格为直径15.20 mm，钢绞线标准强度fpk=1 860 MPa。规格采用61、55根7φ5 mm钢绞线。分别对斜拉索使用阶段应力以及活载应力幅进行检算。

斜拉索在主力工况下最大拉应力为884 MPa，最小安全系数2.11；在主力+附加力作用下最大拉应力897 MPa，最小安全系数2.07；活载最大应力幅为70 MPa。

5.2 横向计算

分别对无索区、有素区、边支点梁部、中支点梁部进行横向检算，其中无索区取腹板厚度50 cm截面，按1.0 m输入计算模型，按刚性支撑计算。有索区分别取腹板厚度50 cm截面、腹板厚度70 cm截面、腹板厚度90 cm截面，每个截面分别按集中荷载、均布加载2种加载模式考虑计算。按6.0 m输入计算模型，按刚性支撑计算。

边支点梁部梁高700 cm，按7.0 m输入计算模型，按刚性支撑计算。中支点梁部梁高14.5 m，按14.5 m输入计算模型，按刚性支撑计算。

检算结果表明，应力和裂缝宽度均满足要求。

5.3 刚度

本桥为高速铁路大跨斜拉桥，要求桥梁要具有足够的刚度、平顺性和较小的残余徐变。同时正线为无砟轨道结构，对桥梁竖向变形控制更为严格[12-13]。主桥在三线ZK静活载作用下，结构竖向挠度计算结果如表3所示。

表3 主梁竖向挠度计算结果 mm

由表2可知，竖向挠度最不利情况为静活载+0.5倍温度荷载挠度之和，中跨跨中最大挠度取值为113.9 mm(为跨度的1/2 107)，边跨跨中最大挠度取值23.3 mm(为跨度的1/5 021)，小于1.1L/1 500。

梁端转角为-0.61‰rad和0.86‰rad。边跨最大徐变变形值为11 mm，中跨最大徐变变形值为18 mm。

5.4 实体模型分析

依靠Midas FEA强大的数值模拟及局部分析优势，建立足尺寸模型，分析其局部应力状态。其中锚固区(横梁和锚固块)空间构造复杂[14]，是设计中的关键部位。

锚固区主要计算结果：(1)横梁在荷载下的横桥向正应力最大值为6.1 MPa，最小值为-1.9 MPa。可知，横向索改善了横梁在横向的受力状况，在自重、横向索、使用荷载共同作用下横梁横向受压，且有较大的压应力储备。(2)除横向索锚固区外，最大主拉应力发生在锚固块锚固面与主梁斜腹板的交接角线上，最大可达8.6 MPa。剔除该小区域后，余值均小于C50混凝土的抗拉强度设计值2.64 MPa。(3)最大主压应力发生在锚固块底部，为14.1 MPa。考虑锚垫板分散传力作用，上述位置的应力值在锚垫板与锚固块连接面边缘处增加，最大可达22 MPa。索梁锚固块与斜腹板交界面区域最大主压应力为5.8 MPa，斜拉索混凝土孔道最大主压应力不超4 MPa。

根据上述锚固区的应力分布特点，设计中对应力集中区域采取了钢筋加密，设置防裂、防崩钢筋等有效措施进行加强处理。

此外，由于本桥桥面较宽、荷载大且工况多，各种荷载作用下截面应力的横向分布是设计中的关键问题之一。根据三支座横向支反力分配结果可知，边支座两侧多向支座分配反力6 629 kN，边支座中间纵向支座分配反力7 745 kN，分配比例为1∶1.34∶1，分配较不均。中支座两侧横向支座分配反力145 533 kN，中支座中间固定支座分配反力145 633 kN，分配比例为1∶1∶1，分配均匀。

5.5 主桥抗震分析

本桥属于B类桥梁结构，抗震设防要求高。采用Midas有限元程序建立全桥三维模型进行抗震计算分析，结果如下：(1)地震作用下，桥塔处于受压状态。桥塔最大压应力在设计和罕遇地震作用下分别为11.1 MPa和13.3 MPa。(2)罕遇地震作用下，梁端最大顺桥向位移为19.7 mm。(3)设计和罕遇地震作用下，边墩支座横桥向最大水平力分别为4 946 kN和10 881 kN，中墩支座横桥向最大水平力分别为13 684 kN和30 105 kN，顺桥向分别为6 117 kN和13 458 kN；依据规范[15]对支座及防落梁设施进行抗震检算，满足要求。

上述计算结果表明：在多遇地震和罕遇地震作用下主桥均有较强的抗震能力，各项指标满足规范要求，结构设计合理，安全可靠。

5.6 桥塔稳定性分析

采用Midas Civil有限元程序建立空间有限元模型，对桥塔稳定性、裸塔稳定性进行检算分析。

(1)桥塔稳定性检算

运营阶段在静活载全桥满布和静活载中跨满布的情况下，一阶弹性失稳模态：桥塔横桥向弯曲失稳，带动主梁平面内转动(横弯)，见图8。稳定系数分别为21.36和21.12。

图8 全桥满布活载情况下的一阶弹性失稳模态

运营阶段在静活载边跨满布的情况下，一阶弹性失稳模态：桥塔顺桥向弯曲失稳，带动主梁平面内转动(竖弯)，见图9。稳定系数为22.19。

图9 边跨满布活载情况下的一阶弹性失稳模态

(2)裸塔稳定性检算

不计斜拉索及主梁刚度，将斜拉索所有竖向力加载于桥塔上进行裸塔稳定性分析。得出一阶弹性失稳模态：桥塔横桥向弯曲失稳，带动主梁平面内转动(横弯)，见图10。稳定系数为6.85。

图10 裸塔情况下的一阶弹性失稳模态

5.7 动力分析

高速铁路有较高的行车舒适性要求，对变形要求较高[16]。对本桥进行车-桥耦合振动仿真计算与分析[17]，模型计算了CRH3高速列车通过桥梁时的车-桥系统空间耦合振动动力响应，该桥正线设计车速为350 km/h，联络线设计车速为160 km/h。列车编组、计算工况及轨道不平顺情况见表4。

表4 列车编组及计算工况

CRH3高速列车以单线、双线、三线通过主桥时：①当CRH3高速列车以250～420 km/h通过时，各工况的桥梁动力响应均在容许值以内，列车竖、横向振动加速度满足限值要求；②当CRH3高速列车以250～420 km/h通过时，列车的乘坐舒适性达到规定的“良好”标准以上。

因此，主桥采用的(117+240+117) m三线部分斜拉桥结构设计方案具有良好的动力特性及列车走行性，当列车通过桥梁时的安全性和乘坐舒适性均满足要求。

6 结语

部分斜拉桥作为一种连续梁拉索加劲结构，是跨度140～280 m[5]内具有较强竞争力的组合体系桥型，已在多条铁路上得到了成功应用[18-23]。常山江特大桥主桥为(117+240+117) m多线、大跨、宽桥面预应力混凝土部分斜拉桥，是杭衢铁路控制性工程。该桥于2020年5月开工建设，预计于2023年12月建成通车。

通过对本桥的相关计算分析，得出以下结论。

(1)采用对索鞍局部构造进行改进的新型双侧抗滑移鞍座式拉索锚固体系，可有效改善索鞍垫板下混凝土的受力；同时有效减小桥塔的结构尺寸，便于桥塔及斜拉索的施工，具有良好的经济效益。

(2)三线铁路桥梁桥面宽、荷载大且工况多，各种荷载作用下截面应力的横向分布是设计中的关键问题之一。本桥三支座横向支反力分配检算分析表明，中支点处反力分布均匀。但边支点处一是因为箱梁剪力主要由中腹板承担，二是因为梁高相对较小分配作用不明显，从而导致支座反力分布较不均匀。因此设计中应重视局部应力检算分析，通过进行横向支反力分配来确定采用的支座吨位。

(3)索梁锚固区空间构造复杂，受力集中，局部应力大。其中索梁锚固块与斜腹板交界面区域是设计中应重点关注的区域，该位置承受较大的拉应力，设计中应重视局部应力检算分析，并对锚后区应力集中区采取钢筋加密，设置防裂、防崩钢筋等措施，确保结构受力性能。