跨座式单轨交通(100+160+100)m钢箱梁刚构矮塔斜拉桥设计研究

彭华春，李 靖

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

跨座式单轨交通是一种新型的交通方式，在日本以及中国重庆应用[1]，其具有造价低、景观好、占地少、噪声低、施工便捷和适应地形能力强等优点，是未来城市建设的一个方向[2-5]。跨座式单轨轨道梁作为梁轨合一的桥梁结构[6]，应同时满足承受列车荷载和列车对行走线形的要求[7]。作为轨道，还应具备一定的结构高度来适应列车走行和承载。跨座式单轨轨道梁截面宽度小，跨度有限，跨度较大时一般采用梁上梁结构，将箱梁作为轨道梁的平台，即大跨度箱梁上再铺设小跨度的轨道梁[8]。梁上轨道梁一般采用简支体系，通过抗拉力支座与箱梁铰接，受力上与大跨度箱梁分离，仅作为二期恒载，造成整体组合结构较高，景观性不好。特别是当轨面高程及梁下净空受限时，为确保方案可行性，除最大程度压缩箱梁结构高度外，还应考虑轨道梁与箱梁整体受力，减小无效高度。以柳州单轨1号线三门江跨江桥为例，结合跨座式单轨交通的特点，介绍一种钢箱梁刚构矮塔斜拉桥。该斜拉桥采用钢箱梁上焊接钢轨道梁，形成组合受力结构，能够有效降低结构高度，确保桥下净空，利用刚构矮塔斜拉桥刚度大的特点保证桥梁整体刚度[9-11]。

1 工程概况

柳州单轨1号线三门江跨江桥位于广西壮族自治区柳州市境内，三门江国家森林公园东南侧，平行于既有三门江公路桥北侧(上游方向)约10 m横跨柳江，该处柳江宽约450 m。大桥西岸属低矮溶丘地貌，西北至西南方向都被山峰环绕，中间为河谷平地，地势相对较平坦；大桥东岸主要为柳江阶地，地面相对较平缓，临水区域岸坡坡度较陡，坡面植被繁茂。拟建桥梁位于柳江河床内，河床呈扁平弧状，东西两端高，中间低，常水位水深为21.2 m(中墩处)，百年一遇洪水位水深35.9 m(中墩处)。

本桥址下游约10 m(右线中心线与公路桥梁结构外侧距离)处为既有三门江公路桥，本线线路平行于该公路桥。三门江公路桥为(100+160+100)m双塔双索面部分矮塔斜拉桥，塔、梁固结体系，桥面宽41 m。通航等级为Ⅲ级，通航净空10 m，通航净宽110 m。

考虑通航及防洪要求，综合景观、经济性及施工难度等因素，本桥与既有三门江大桥对孔布置，采用(100+160+100)m钢箱梁刚构矮塔斜拉桥方案，通航净空不小于110 m(宽)×10 m(高)。全桥立面如图1所示。

图1 主桥立面布置(单位：m)

2 主要技术标准

柳州单轨1号线主要技术标准为: ①列车制式，跨座式单轨；②线路情况，双线，线间距4.6 m；③设计速度，90 km/h；④设计活载，庞巴迪CMR2；⑤地震烈度为Ⅵ度，反应谱特征周期为0.35 s。

3 主桥结构设计

3.1 横断面布置

主梁采用钢箱梁与钢轨道梁相结合的形式。钢箱梁采用单箱单室变高度箱梁，桥面宽13.6 m，钢箱梁上方设置高约1.5 m、宽0.69 m钢轨道梁，线间距约4.6 m。钢箱梁先期架设，主桥合龙后，在钢箱梁桥面上焊接钢轨道梁。标准横断面布置如图2所示。

图2 标准横断面布置(单位：cm)

3.2 钢箱梁

主梁采用单箱单室变高度钢箱梁，主跨跨中及边支点处梁高2 m，中支点处梁高6 m，区段梁高从6 m变化至2 m，按二次抛物线变化。钢箱梁梁宽13.6 m。

钢箱梁梁段划分：A0梁段为墩梁结合部的钢-混结合段；中跨从主墩到跨中依次为A1～A9梁段，中跨合龙H1梁段，共19梁段；边跨依次为B1～B12梁段，共24梁段。

3.3 轨道梁

轨道梁采用钢轨道梁，并与箱梁焊接。由于轨道梁线形精度要求很高，为确保施工完成后线形可调，顶面设置10 cm厚混凝土层，通过剪力钉与钢梁连接，用以调整轨道梁线形[12-13]。钢轨道梁高约1 500 mm，宽690 mm；顶板厚24 mm，腹板厚18 mm，采用板肋加劲，板肋150 mm×16 mm，隔板基本间距1 000 mm，端部设置密封板，钢轨道梁每隔8 m设置一道过水槽。钢轨道梁待钢箱主梁合龙成桥后，在钢箱梁桥面上焊接。

3.4 索塔

索塔采用双柱式桥塔形式，桥面以上塔高22.8 m，桥面以上塔的高跨比为1/7。为适应分丝管索鞍，塔柱采用矩形实体截面，顺桥向宽4.6 m，横桥向宽2 m，为美化索塔造型，每个角点处采用倒圆角处理，详见图3。下部采用分离式结构，塔根部截面顺桥向宽1.8 m，横向宽2 m。

图3 桥塔塔柱截面(单位：cm)

3.5 斜拉索及锚固体系

斜拉索采用单丝涂覆环氧涂层钢绞线拉索体系，外套HDPE，空间双索面体系。斜拉索梁上间距8 m，与主梁采用成品梁端锚具形式，主梁内设置钢锚箱，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1.6 m。斜拉索规格为22-7φ5 mm，抗拉标准强度1 860 MPa。

3.6 桥墩及基础

主墩采用钢筋混凝土双肢薄壁墩，塔、梁、墩固结形成刚构体系。利用双肢薄壁墩在保证抗弯刚度的同时，减小钢箱梁的温度力[14-16]。如图4、图5所示，墩身高26.1 m，双壁中心距2.8 m，每片薄壁墩顺桥向壁厚1.8 m。主墩横桥向宽度：下部9 m高为等宽段，横向宽11.6 m；中部15 m为变宽段，横向宽11.6～13.6 m，按R=11.3 m圆弧过渡；上部横向宽13.6 m。主墩承台采用矩形承台，尺寸为11.6 m(顺桥向)×15.8 m(横桥向)×4.0 m(厚度)，每个承台基础设置12根φ1.8 m钻孔灌注桩。

图4 桥塔处横断面(单位：m)

图5 桥墩横断面(单位：cm)

3.7 主要施工步骤

(1)搭设水上施工平台、围堰，施工基础承台；

(2)爬模、滑模或支架施工桥墩至结合面；

(3)搭设支架或托架，吊装结合段钢结构，浇筑结合段混凝土；施工桥面以上桥塔；

(4)悬装施工各节段钢梁并及时张拉斜拉索；

(5)边跨及主跨合龙后，在钢箱梁上拼装钢轨道梁，并调整斜拉索索力；

(6)施工桥面附属，成桥。

4 结构计算结果

采用MIDAS CIVIL建立空间有限元数值计算模型，钢箱梁、轨道梁、桥塔、桥墩、桩基础采用空间梁单元模拟，斜拉索采用空间索单元模拟，索与梁、索与塔之间刚性连接，轨道梁在钢箱梁合龙后采用刚性连接，对施工阶段进行模拟[17-20]。成桥后的整体模型如图6所示。

图6 整体计算模型

计算荷载包括恒载、列车活载、温度、风力、列车制动力、摇摆力、支座沉降、地震力等荷载[21]。

4.1 静力分析

(1)运营状态下各应力指标

运营阶段，主力、主+附作用下各构件应力、裂缝及活载作用下疲劳应力幅如表1所示(表中正号为拉应力，负号为压应力)。

由表1可知，钢箱梁、轨道梁、桥塔及斜拉索在运营阶段的应力、应力幅及裂缝等均满足TB 10091—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》、JTG/T D65—01—2007《公路斜拉桥设计细则》要求。

表1 运营状态下各应力指标

(2)梁体刚度指标

梁体在静活载下的挠跨比如图7所示。

图7 双线静活载竖向挠度云图(单位：mm)

由图7可见，列车双线静活载作用下，中跨最大挠度为-99.8 mm，挠跨比1/1 603；边跨最大挠度为-56.6 mm，挠跨比1/1 766.8，其竖向刚度满足行车要求。列车双线静活载作用下，边跨梁端转角为1.86‰rad，满足 GB/T 51234—2017《城市轨道交通桥梁设计规范》的要求。

4.2 抗震分析

(1)动力特性计算

三门江大桥主要振型及对应的周期和频率详见表2。图8～图10给出了相应的典型振型。

表2 自振模态

图8 主桥第1阶振型(纵飘)

图9 主桥第2阶振型(竖飘)

图10 主桥第3阶振型(横飘)

由表2以及图8～图10可见，桥梁结构的基本周期为1.26 s，而设计反应谱的最长周期为2 s，已包含了所需的长周期成分。

(2)主梁和斜拉索抗震验算

根据GB50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》，本桥属于特殊设防类，在E1、E2地震作用下应满足性能等级Ⅰ的要求，在E3地震作用下应满足性能等级Ⅱ的要求[22]。由于E2地震远大于E1，故仅需进行E2和E3二阶段抗震设计即可。E2和E3地震作用下钢梁和斜拉索计算结果见表3。

表3 钢梁和斜拉索计算结果 MPa

E3地震作用下，钢梁最大应力为35.2 MPa，斜拉索的最大应力幅为42.8 MPa；E3地震与恒载组合后，钢梁应力在150 MPa以内，小于钢材强度设计值，抗震不控制钢梁设计；E3地震与恒载组合后，斜拉索的最大应力为650 MPa，小于斜拉索强度设计值，抗震不控制斜拉索设计。

(3)桥塔、墩柱检算

根据《城市轨道交通结构抗震设计规范》要求：在E2地震作用下，桥塔、墩柱截面要求其截面弯矩小于截面初始屈服弯矩My[22]，整个截面保持在弹性，结构基本无损伤；E3地震作用下，桥塔、墩柱截面要求其截面弯矩应小于截面等效抗弯屈服弯矩Meq(考虑轴力)，满足E3地震作用下局部可发生可修复的损伤，地震发生后，基本不影响列车通行的性能要求[23-24]。

E2和E3地震作用下，桥墩抗震能力检算见表4。

表4 桥塔及墩柱抗震能力检算

由表4可见，E2、E3作用下最大弯矩皆发生在墩底，计算结果满足规范要求。

5 结论

柳州单轨1号线三门江跨江桥主桥采用(100+160+100)m钢箱梁刚构矮塔斜拉桥，主墩采用双肢薄壁墩有效释放温度力。为降低结构整体高度，在钢箱梁上焊接钢轨道梁，形成组合受力结构。钢箱梁先期架设，主桥合龙后，在钢箱梁桥面上焊接钢轨道梁。主桥强度、刚度和抗震分析均满足设计要求。该类桥型能够有效利用轨道梁截面，提升桥梁整体刚度和强度，结构合理，力学性能良好，同时整体结构轻巧，可为同类型桥梁的设计研究提供借鉴。