大跨宽幅四线高速铁路混凝土部分斜拉桥设计研究

罗春林

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063)

混凝土桥梁结构的整体刚度大、设计及施工技术成熟、造价低、养护维修方面等优点，是高速铁路的首选桥型[1－2]。在高速铁路中采用大跨宽幅混凝土部分斜拉桥要解决桥梁的竖向、扭曲、横向变形等难题[3－4]。本文以赣深高铁剑潭东江特大桥主跨(136＋260＋136)m预应力混凝土部分斜拉桥为研究对象，重点对大跨宽幅混凝土部分斜拉桥的桥式方案、关键构造、结构受力、变形控制以及施工方法等问题开展研究，具有较高的工程价值。

1 工程概述

剑潭东江特大桥位于惠州市惠城区与博罗县交界处，在剑潭段跨东江，位于东江水利枢纽上游约1.5 km、G25长深高速公路上游约0.4 km。桥位处为赣深高铁和广汕高铁惠州北联络线的四线并行段，桥梁小里程侧接白面石隧道(双洞隧道)，桥上四线线间距为(5.0＋14.0＋4.6)m。主桥采用主跨(136＋260＋136)m预应力混凝土部分斜拉桥跨越东江，桥型布置如图1所示。

图1 桥型布置(单位:cm)

桥位处东江河段河道弯曲，河床、河势基本稳定。东江航道现状为Ⅳ级，规划要求跨河拦河建筑物通航尺度按Ⅲ级航道标准控制。东江百年一遇设计流量11 970 m3/s，设计水位16.26 m(85高程)，设计流速2.07 m/s。

桥址处属于东江冲积平原及丘陵地貌。场区下伏基岩为燕山期侵入岩花岗岩，埋深较浅。多年平均气温21.8℃，极端最高气温38.2℃，极端最低气温－2.4℃，最低月平均气温12.7℃；最高月平均气温28.1℃。

2 主要技术标准

设计速度:赣深高铁正线为350 km/h，广汕高铁惠州北上下行联络线为250 km/h。

线路情况:四线均铺设CRTSⅢ型板式无砟轨道。赣深正线双线线间距5.0 m；惠州北上下行联络线线间距4.6 m。平面位于直线，立面位于3‰纵坡上。

设计活载:采用ZK标准活载。

抗震烈度:抗震设防烈度6级，地震动峰值加速度0.05 g。

3 桥型方案研究

拟建大桥与下游惠河高速公路桥梁的距离未满足《内河通航标准》要求，同时大桥与上游弯道的距离约300 m，不满足4倍船长的安全距离要求，通航专题研究建议加宽处理，按单孔双向通航设置，桥梁跨径取260 m，一孔跨越下游惠河高速公路桥两个孔，通航孔有效净距为240.3 m，满足《内河通航标准》要求。根据通航要求的主跨跨度，边中跨比按0.5～0.6考虑则边跨跨度为130～156 m，也能够跨越南、北岸的两条道路，因此主跨260 m是合理的跨度。

对于主跨260 m的四线铁路桥梁，四条线路线间距分别为(5.0＋14.0＋4.6)m，设计时速350 km。本桥的线间距条件决定了如果采用钢桁拱桥需按两幅桥布置，钢桁拱桥方案的用钢量大、工程造价高、后期养护维修工作量巨大，考虑到本桥时速350 km高速铁路的功能定位，因此不考虑钢桁拱桥方案。对预应力混凝土部分斜拉桥、矮塔混合梁斜拉桥、双塔斜拉桥进行了比选，三种桥式的比较表见表1。

表1 桥式方案比较

针对预应力混凝土部分斜拉桥，也对主梁分幅和整幅方案进行了比选。分幅方案的桥塔为M型，横向三肢塔柱，斜拉索为四索面。在整体受力计算中，整幅方案的四线铁路活载按0.75折减，并且整幅方案的桥塔为横向独柱式，主梁和桥塔、斜拉索的用量均小于分幅方案，整幅方案的经济性能更好。由于整幅方案巧妙利用了三、四线的线间距条件，桥塔中置于桥面，斜拉索锚固于主梁箱内，整体景观效果也要优于分幅方案。

4 桥梁结构设计

4.1 主梁结构设计

主梁为预应力混凝土结构，采用单箱三室变高整体箱形截面，跨中及边支点梁高6.0 m，中支点梁高13.0 m。箱梁顶面宽度31.2 m，顶板厚度0.45～0.65 m；底宽由跨中的22.61 m变化至支点的19.11 m；底板厚0.45～1.4 m。箱梁边腹板为斜腹板，中腹板为直腹板，边、中腹板厚0.5～0.75～1.0 m。主梁典型横断面见图2所示。

图2 主梁典型横断面图(单位:cm)

箱梁边支点横隔板厚1.5 m，每个主墩处各设2道横隔板，厚2.4 m，中跨跨中设1道厚0.4 m横隔板。箱梁于各索梁锚固处设置斜拉索锚固横梁，锚固横梁高为2.1 m，横梁厚0.7 m。为了降低箱梁畸变效应，在15、21、27号梁段索梁锚固处设横隔墙，横隔墙厚70 cm。

4.2 桥塔结构设计

桥塔设于桥面中央，塔高为56 m(桥面以上高度)，塔高与主跨比为1/4.6。索塔整体呈独柱式，横向设两肢柱并置，横向间距为4 m。塔柱为矩形截面，上塔柱尺寸为2.4 m×4.8 m。下塔柱纵向分叉为两肢，纵向呈倒Y形。桥塔的结构示意见图3所示。

图3 桥塔结构示意(单位:cm)

4.3 斜拉索及索鞍设计

斜拉索采用单丝涂覆环氧涂层钢绞线拉索体系，外套HDPE，横向为双索面体系，竖直平行布置，斜拉索横向分别锚固于索塔的两个柱。每个塔柱设置10对斜拉索，全桥共40对。斜拉索在梁上锚固于箱梁内中间箱室，锚固点纵向间距8.0 m，主梁内设置锚固梁(横隔板)，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1.0 m。斜拉索规格分91～15.24 mm、109～15.24 mm两种，斜拉索最大索长271.459 m。

索鞍采用分丝式抗滑鞍座。鞍座承受斜拉索的径向压力及塔两侧索体的不平衡力，并安全地将斜拉索转向合力传递到桥塔结构。

4.4 主墩、承台和基础设计

主墩采用双肢薄壁墩，两肢的间距为6.4 m，墩柱横宽23.0 m，纵向尺寸2.4 m。3＃主墩墩高27.0 m，4＃主墩墩高25.5 m。主墩桩基为24根直径3.0 m的钻孔灌注桩，桩基按行列式布置，均按柱桩设计。

4.5 支座及轨温调节器设置

采用球形钢支座，边支点沿横向设4个支座，边支点支座吨位10 000 kN。

四线均铺设CRTSⅢ型板式无砟轨道，桥梁两端各设置四组钢轨伸缩调节器。

5 主桥结构计算研究

5.1 宽幅四线主梁受力计算

5.1.1 主梁内力

预应力混凝土部分斜拉桥的荷载由主梁和拉索共同承担，荷载大部分由主梁承担，拉索起辅助作用[5－6]，主＋附组合下的主梁弯矩见图4。

图4 主梁弯矩包络图(主＋附组合)

5.1.2 主梁截面检算

施工阶段主梁最大压应力15.26 MPa，最大拉应力－0.6 MPa。运营阶段主梁的验算结果见表2，主梁各项指标均满足规范要求[7－8]。

表2 主梁应力检算结果汇总

5.1.3 主梁结构变形

本桥四线均铺设无砟轨道，赣深正线设计时速为350 km，是国内外最大跨度的无砟轨道混凝土桥梁，需重点研究解决主梁的变形控制问题[9]。

ZK静活载下主梁竖向位移－100.7 mm，挠跨比1/2 582。ZK静活载下主梁梁端转角最大值为＋0.92‰rad，满足《高速铁路设计规范》对铺设无砟轨道桥梁梁端转角的限值要求(小于1.0‰rad)。

轨道铺设完成后，大跨度混凝土主梁会发生工后徐变变形[10]，过大的变形将导致线路附加不平顺从而影响高速列车行车的安全性和乘坐舒适性[11－12]。通过斜拉索索力主动控制，结合优化纵向预应力钢束布置，将主梁在恒载作用下的上、下缘应力差值控制在较低的范围内(大部分截面小于4.0 MPa)。徐变系数按照《铁路桥涵混凝土结构设计规范》模式计算，本桥主梁在铺轨1 000 d后竖向徐变变形值仅－11.2 mm，见图5。

图5 主梁徐变位移(单位:mm)

整体宽幅四线高速铁路桥在单边双线偏载作用下偏心扭矩较大。根据《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014/J 1942—2014)第7.3.4条，ZK静活载作用下梁体扭转引起的轨面不平顺值，在一段3 m的线路范围内一线两根钢轨的竖向相对变形量不应大于1.5 mm。

根据本桥的空间有限元分析，本桥在同一侧两线静活载作用下的主梁扭转变形值最大。由于本桥为整幅主梁，抗扭能力较强，对应每3 m线路范围内一线两根钢轨的竖向变形量仅为0.028 mm，满足规范要求。

5.1.4 主梁横向受力分析

宽幅主梁需重点关注横向受力。本桥分别基于实体单元和平面杆系单元进行了横向受力分析，两者相互校核。

实体单元模型:采用通用有限元软件ABAQUS建立了主梁节段有限元模型，在模型中模拟了主梁、斜拉索、顶板横向预应力索、横梁横向预应力索。实体单元模型研究了宽幅箱梁的畸变效应并针对箱内的加劲构造进行了研究，结合斜拉索的锚固需要，最终确定了半跨范围内“3道全隔板＋7道横梁”的箱内加劲方案，一方面降低了宽幅主梁的畸变效应，满足了结构受力的要求，同时也最大限度避免了过多的横隔板对悬臂施工产生干扰。

平面杆系单元模型:主梁横向分无拉索区和有拉索区分别进行检算。无拉索区沿纵向截取单位长度的主梁梁体，简化成腹板下缘四点支撑的三孔框架，按弹性支撑计算，弹性支承刚度由空间实体有限元得到。有拉索区沿纵向截取横向有效宽度的主梁梁体，有效宽度由空间有限元模型计算得到，偏安全地取4.0 m，简化成腹板下缘四点支承的三孔框架，拉索吊点处加竖向集中力，按弹性支撑计算。结果表明结构横向受力满足要求，并且平面杆系单元模型与实体单元模型的结果吻合较好。

5.2 四线高速铁路宽幅主梁横向变形分析

主桥设计为四线整幅箱梁，边支点设置4个支座，其中中间一个为固定支座。与主桥相邻的引桥为32 m双线简支梁，横向两幅桥设置。若按常规的支座布置形式，主桥侧2＃支座横向固定，引桥侧2＃、3＃支座固定，则8号钢轨的横向温度跨度跨差为10.15 m，主梁在整体升、降温作用下，8号钢轨在相邻梁两侧的钢轨支点横向相对位移难以满足《高速铁路设计规范》中1 mm的限值要求。因此，本桥将相邻的引桥梁端用现浇横梁连接，并将一个横向约束(3＃支座)释放，仅约束2＃支座的横向位移，8号钢轨的横向温度跨差由10.15 m减小至3.65 m，从而将8号钢轨在主桥和引桥侧的横向相对位移差控制在1 mm内。主桥和引桥支点的横向约束见图6、图7。

图6 主桥侧支座横向限位示意(单位:cm)

图7 引桥侧支座横向限位示意(单位:cm)

5.3 斜拉索检算

斜拉索规格为91～15.24 mm、109～15.24 mm钢绞线，最大索力为10 772 kN(主＋附组合)。

斜拉索在主力组合下最大应力为673.1 MPa，安全系数为2.76；主 ＋附组合下的最大应力为705.9 MPa，安全系数为2.64。斜拉索活载最大应力幅46.8 MPa。

5.4 主墩结构受力分析及检算

本桥为塔墩梁固结体系，主墩墩高较矮，为了减小主墩附加弯矩，在中跨合龙之前施加顶推力24 000 kN。

主墩截面受力主筋2φ32双肢一束，间距12.5 cm，内外双排设置。运营阶段主力组合混凝土最大压应力12.8 MPa，钢筋最大拉应力－32.4 MPa，裂缝宽度0.03 mm；主＋附组合混凝土最大压应力20.7 MPa，钢筋最大拉应力－142.4 MPa，裂缝宽度0.13 mm。

6 宽幅主梁施工方案研究

主梁采用悬臂浇筑法施工。全桥共32个悬浇节段，节段长度3.0～4.0 m，节段重量389.8～821 t，其中15＃悬浇节段混凝土方量达315.8 m3，重量创下了悬浇施工单节段最大重量记录。

主梁悬浇施工采用4片菱形主桁的挂篮结构，挂篮自重约298 t，结构具有良好的刚度、稳定性和便捷安装的特点[13]。主梁悬臂浇筑施工线形控制好，各部位尺寸控制精准，满足了宽幅箱梁悬臂梁段顶面高程±5 mm的控制精度目标，为桥梁的高质量建造提供了支撑。

7 结束语

(1)结合建设条件，采用的(136＋260＋136)m预应力混凝土部分斜拉桥方案具有良好的技术经济性，四线铁路整幅主梁结构刚度大，受力性能良好。桥塔中穿桥面巧妙地适应了线间距条件，整体景观效果好。

(2)本桥通过一系列技术措施解决了大跨宽幅部分斜拉桥的竖向、扭曲变形和横向变形问题，为铺设无砟轨道创造了有利条件。

(3)本桥于2020年顺利建成通车，建成时是国内外最大跨度的无砟轨道混凝土桥梁，通车后运营状况良好，本桥设计建造技术将为大跨无砟轨道混凝土桥梁应用提供借鉴。