阜淮高铁高低塔混合梁斜拉桥方案研究

张欣欣,陈怀智,王法武

(中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070)

1 工程概况

新建阜阳至蒙城至宿州(淮北)城际铁路位于安徽省北部，自淮宿蚌城际铁路双堆集站至郑阜高铁阜阳西站，新建正线长度142 km。其中，颖河特大桥位于阜阳市境内，综合考虑线路顺直程度、车站位置、城镇规划等条件，颖河特大桥在既有商合杭高铁下游约1.56 km处，以与航道约62°斜交角跨越颍河。

桥址位于淮北冲积平原区，地势整体平坦开阔，地处亚热带和暖温带的过渡区域，属暖温带半湿润季风气候。多年平均气温15.7 ℃，最热月平均27.7 ℃，最冷月平均1.7 ℃，极端最低气温-20.4 ℃，极端最高气温41.4 ℃。沿线覆盖层以第四系黏性土、粉土和砂土为主，基岩埋深大于90 m。桥址段场地抗震设防烈度为7度，地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期为0.35 s。

2 主要设计技术标准

(1)铁路等级：高速铁路

(2)正线数目：双线

(3)线间距5.0 m

(4)设计行车速度：350 km/h

(5)线路平面线型：直线

(6)竖向坡度：平坡

(7)轨道：CRTSⅠ型双块式无砟轨道

(8)设计洪水频率：1/100，检算洪水频率1/300

3 桥式方案构思

3.1 桥址控制因素分析

颍河特大桥主桥主要控制因素如下。

(1)通航要求：颍河为内河Ⅲ级航道，线路与航道斜交角约62°。最高通航水位为33.76 m，主通航孔净宽要求158 m，净高10 m；大里程侧需预留副通航孔，副通航孔净宽要求90 m。

(2)防洪要求：为减小桥梁对河道的影响，根据行洪及河势数值模拟研究分析结论，要求主跨跨径不小于230 m。

(3)线路及车站设置要求：颖河节点往大里程侧1.7 km为新建阜阳颍泉站、大里程侧2.2 km处下穿商合杭后上跨G105，受纵坡坡率及坡长限制，轨面高程距离最高通航水位高程不宜大于15.5 m。

3.2 跨度确定

考虑结构宽度及斜交影响，如一跨跨越主、副通航孔，跨度需达到350 m以上，经济性差。如在主、副通航孔间设墩，主孔跨径为220～230 m，副通航孔跨径为115 m左右。结合防洪要求，主跨确定为230 m。同时，边跨需跨越防洪堤，并避免在河堤坡脚处设墩。桥址平面布置如图1所示。

图1 颍河特大桥主桥桥址平面布置(单位：m)

3.3 桥高及主梁确定

根据线路纵坡推算，跨越主通航孔范围桥梁总体高度需控制在5 m以内，扣除轨道结构高度，结构高度不宜高于4 m。因此，该桥需采用低高度桥梁结构，主梁可采用钢梁、钢混结合梁及混凝土梁。

3.4 可采用的桥式方案

结合近年来铁路大跨度桥梁建设实践，200～300 m大跨度桥梁可采用包括拱桥、斜拉桥及组合结构桥梁等[1]。其中，混凝土部分斜拉桥、连续梁拱等组合加劲结构主梁高度较高，不能满足净空要求。采用钢桁、钢箱或钢混结构的低高度梁，且具有较合适的边中跨比桥型主要为斜拉桥、钢桁拱组合桥等。

如采用斜拉桥，由于本桥边中跨比较常规斜拉桥偏大，小里程侧无通航要求，孔跨可适当减小，故可采用不对称双塔斜拉桥或独塔斜拉桥方案。如采用拱桥，可采用连续钢桁梁柔性拱桥方案。

结合上述3个方面分析构思，拟定了3个方案进行比较[2-6]：即高低塔混合梁斜拉桥方案、独塔混合梁斜拉桥方案、连续钢桁梁柔性拱桥方案。

4 桥式方案设计及比选

4.1 方案一：高低塔斜拉桥方案

本方案主桥采用(31+73+230+114+40) m高低塔斜拉桥，半漂浮体系。主梁全长489.5 m，主跨、大里程边跨分别跨越主、副通航孔，为满足梁端转角控制要求设置辅助墩。主桥立面布置如图2所示。

图2 方案一主桥立面布置(单位：m)

主梁由钢-混结合梁、混凝土梁及钢混结合段三部分组成。主梁全宽18.6 m，梁高3.8 m。结合梁钢梁为单箱三室开口槽形截面。混凝土箱梁采用单箱三室等高截面。主梁横断面如图3所示。

桥塔采用H形花瓶塔，小里程侧低塔塔高83.4 m，其中，桥面以上塔高58.8 m。大里程侧高塔塔高115.1 m，其中，桥面以上塔高84.8 m。斜拉索采用扇形布置。低塔侧布置18对拉索，高塔侧布置24对拉索，横向双索面扇形布置。

图3 方案一主梁横断面(单位：m)

采用高低塔斜拉桥结构，可使桥跨布局更为合理经济，桥梁景观上也给人以高低错落的印象，外观新颖。但高低塔结构布置和受力上均不对称，等效跨度大于实际跨度，合理的高低塔刚度匹配及斜拉索规格等关键参数选择是该类型结构研究的重难点。

4.2 方案二：独塔斜拉桥方案

本方案主桥采用(30+230+114+41+50) m独塔斜拉桥，半漂浮体系。主梁全长466.5 m，主跨、边跨分别跨越主、副通航孔，为满足梁端转角控制要求设置辅助墩。主桥立面布置如图4所示。

图4 方案二主桥立面布置(单位：m)

主梁由钢-混结合梁和混凝土箱梁及钢混结合段三部分组成。主梁全宽18.6 m，梁高4.0 m。结合梁钢梁为单箱三室开口槽形截面。混凝土箱梁采用单箱三室等高截面。桥塔采用H形花瓶塔，塔全高155.3 m，桥面以上塔高125 m。斜拉索采用横向双索面扇形布置，全桥共36对拉索。

独塔斜拉桥通过单个索塔基础承担荷载，对场地地形、水文条件适应性较好。配合钢混结构主梁，可有效提升跨越能力。但该方案采用漂浮体系，刚度较同等跨度双塔斜拉桥低，面临疲劳活载大、动力指标及刚度要求高的难题[7]。

4.3 方案三：连续钢桁梁柔性拱桥方案

主桥采用(35+115+230+115+35) m连续钢桁梁柔性拱桥，主梁全长530 m。主跨、大里程边跨分别跨越主、副通航孔，主桥立面布置如图5所示。

图5 方案三主桥立面布置(单位：m)

主梁采用有竖杆N形三角桁式，节间长11.5 m，主桁桁高15 m，横向采用两片主桁，主桁中心距15.4 m。纵向平联为交叉形布置，采用H形截面杆件，吊杆、弦杆及拱肋的基本截面为箱形截面。拱肋采用二次抛物线形，拱肋矢高46 m，矢跨比为1/5。

连续钢桁梁对地形、地质条件适应性较好，跨越能力强、自重轻、建筑高度低，具有较好的景观效果。但施工过程合龙难度大、精度要求高，钢结构用量多，费用相对较高。

4.4 桥式方案综合比选

从桥梁刚度、工期、施工方案、经济指标等方面对3个桥式方案进行综合比选[8]，其中，经济性按桥长530 m比选，引桥为简支梁。比选结果见表1。

表1 桥式方案综合比选

由表1可知，方案二主梁竖向刚度较低，方案三边跨竖向刚度较低，两个方案工程造价较高。综上，方案一能很好地满足主副通航孔设置和低梁高要求，并具有较大的结构刚度，经济性好。因此，推荐采用(31+73+230+114+40) m高低塔结合梁斜拉桥方案。

5 推荐方案主梁形式及结合段位置深化比选

5.1 主梁形式子方案比选

在主梁形式上，钢混结合梁或混凝土梁是目前高速铁路无砟轨道斜拉桥的主要梁型[9]。混凝土梁斜拉桥经济性较好，但跨度较大时，跨中徐变变形控制较困难[10-11]，且施工工期较长。经研究，主跨采用钢混结合梁，边跨采用混凝土梁，能满足结构刚度要求，无砟轨道适应性好并能有效控制工程投资[12-18]。

混合梁斜拉桥由于主跨结构轻、边跨结构重，在满足主跨跨越能力的条件下，尽可能减小边跨可以获得较好的经济性。结合段位置设置通常分为2种：边跨锚固跨采用混凝土梁、压重跨采用钢梁，或边跨全部采用混凝土梁，针对本桥结构受力和经济性对结合段位置进行进一步研究。在推荐方案跨度确定为(31+73+230+114+40) m的基础上，调整主梁结构型式、结合段位置，提出4个子方案进行比选。

(1)子方案1：230 m和114 m跨采用结合梁

子方案1即同前文推荐方案，主桥结构采用混合梁斜拉桥，中跨和大里程边跨采用钢混结合梁，其余采用混凝土梁，小里程侧钢-混分界点位于低塔往跨中方向16.75 m处，大里程侧钢-混分界点位于辅助墩往高塔方向13.25 m处，主桥立面布置如图2所示。

(2)子方案2：230 m跨采用结合梁

主桥结构采用混合梁斜拉桥，中跨采用钢混结合梁，其余采用混凝土梁，小里程侧钢-混分界点位于低塔往跨中方向14.25 m处，大里程侧钢-混分界点位于高塔往跨中方向23.75 m处，主桥立面布置如图6所示。

图6 子方案2主桥立面布置(单位：m)

根据配跨，大里程侧边跨跨度较常规斜拉桥偏大，根据计算分析，在恒载作用下，确保主梁弯矩受力较小时，高塔处于较大的偏心受压状态，高塔向边跨侧偏转。

(3)子方案3：73，230 m和114 m跨采用结合梁

主桥结构采用混合梁斜拉桥，中跨和大、小里程边跨采用钢混结合梁，其余采用混凝土梁，钢-混结合段位于辅助墩向跨中方向14.25 m(小里程侧)和辅助墩向跨中方向23.75 m(大里程侧)处，主桥立面布置如图7所示。

图7 子方案3主桥立面布置(单位：m)

(4)子方案4：全桥采用结合梁

主桥结构采用全结合梁斜拉桥，主梁采用钢-混结合梁。根据计算，辅助墩处负反力为-11 000 kN，需设置压重混凝土。

对上述4个子方案在结构受力、刚度指标、经济性等方面进行比选，见表2。

综上，4个方案竖向刚度指标相当，从结构受力合理性分析，子方案2大里程边跨质量太大，结构受力较不合理；子方案4辅助墩压重太大；子方案1和子方案3结构受力更加合理。从经济性分析，子方案1作为推荐方案。

表2 不同子方案技术经济比选

5.2 钢混结合段不同位置比选

对于混合梁斜拉桥而言，钢混结合段的部位非常重要，主梁刚度和强度在此处产生突变，因而容易产生应力集中[19-20]。钢混结合段需合理顺畅的传递综合作用所产生的内力和变形，并使刚度平稳过渡，从而减小或者消除应力集中现象，并且结合部位还必须具备良好的耐久性和抗疲劳性能。根据结构受力、施工设备能力、经济性等[21]，进一步研究确定合理的钢混结合段位置。小里程钢-混分界点位于主塔往跨中方向，大里程钢-混分界点位于辅助墩往主塔方向，距离见表3。

表3 钢混结合段位置选择

3个方案计算比较结果见表4。由表4可知：3个方案主梁刚度变化不大。小里程侧钢混结合段位置离桥塔中心进入主跨的距离增大时：①主+附组合下结合段弯矩显著减小；②小里程侧主塔处主梁负弯矩显著增大，辅助墩处负弯矩减小，正弯矩增大；③静活载作用下结合段竖向位移和转角显著增大。

大里程侧钢混结合段位置离辅助墩中心往桥塔方向距离增大时：①主+附组合下结合段弯矩显著减小；②大里程侧辅助墩处主梁负弯矩显著增大，正弯矩显著减小；③静活载作用下结合段弯矩变幅显著减小；④静活载作用下结合段竖向位移和转角显著增大。

综合而言，方案1结合段内力太大，方案3主梁在弯矩值偏大，方案2大小里程侧结合段和主梁内力适中。由于主跨位于水上，减小施工难度及对通航影响，结合段深入主跨不宜太长。因此，结合段位置推荐采用方案2。

6 结语

(1)针对高速铁路大跨度桥梁刚度变形要求高的特点，提出主跨230 m左右低高度桥梁选型。通过对高低塔斜拉桥、独塔斜拉桥、连续钢桁梁柔性拱桥3种方案进行研究，从结构受力性能、刚度变形、施工方案、工程造价等方面进行综合比选，最终推荐采用高低塔混合梁斜拉桥方案，总体布置合理、满足受力需求，具有良好的技术经济性和景观效果。

(2)混合梁斜拉桥可充分发挥主跨的跨越能力和边跨的锚固作用，尽可能减小边跨，获得较好的经济性。针对本桥主跨与不等边跨各自受力特征，设置了不对称结合段位置，能够降低主跨后期收缩徐变的同时，提高了整体经济性。

表4 钢混结合段比选

(3)合理设置结合段位置是混合梁斜拉桥设计的关键技术。钢混结合段位置位于主跨，远离桥塔中心时，结合段弯矩显著减小，主梁负弯矩显著增大，静活载作用下结合段竖向位移和转角显著增大；结合段位置位于边跨，远离辅助墩中心时，结合段弯矩显著减小，辅助墩处主梁负弯矩显著增大，静活载作用下结合段竖向位移和转角显著增大。通过分析结合段位置变化对结构受力和主梁刚度的敏感性，确定合理的结合段位置，使结合段和主梁受力更加合理、静活载响应小、施工便利。