山区大跨度铁路悬索桥设计关键技术

2022-11-23胡文军万田保

铁道建筑 2022年5期

胡文军万田保

中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉 430056

山区大跨度铁路悬索桥建设条件复杂艰险，桥梁设计面临地形陡峭、深切峡谷风特性复杂、近断层地震烈度高等多方面的挑战［1-4］。桥梁设计需要解决的重难点问题包括：①桥梁刚度标准的确定；②峡谷风环境下桥梁抗风和行车安全；③近断层强震区桥梁抗震设计等。本文以一座山区大跨度铁路悬索桥为工程背景，首先介绍了建桥条件、桥梁总体布置和结构设计，然后针对上述三个重难点问题提出解决方案，为以后山区铁路悬索桥设计提供参考。

1 主要建桥条件

1）地形地貌与工程地质

该悬索桥跨越深切峡谷区。桥址处坡陡谷深，地面坡度37°～55°，桥高约385m，为典型V形高山峡谷地形地貌。桥址区两岸覆盖层主要为崩坡积中密～密实碎石土及块石土，厚度10～50m。下伏基岩主要为闪长岩。桥址区构造运动强烈，受构造影响，岩石节理、裂隙发育，岩性多为碎裂岩。桥址处岸坡总体稳定，对左岸堆积体及两岸危岩带采取适当工程措施后风险可控，适宜建设桥梁。

2）气象

桥址区属于中亚热带季风气候，最大昼夜温差约20℃，多年平均气温16℃，极端高温37.6℃，极端低温-6.2℃。峡谷风的风速沿桥梁纵向分布不均匀，桥梁跨中处风速远大于桥梁两端和两侧山坡处。桥梁跨中处气流有明显的垂直运动，中午存在强烈下沉运动，傍晚有强烈上升运动。设计风攻角大，约为-6.6°～+3.5°，最大风偏角为65°。桥面处设计基准风速为41.7m/s。

3）地震

根据文献［5-6］，局部场地地形特征对地震动有显著影响。输入地震动参数时需考虑局部地形，对不同墩台处输入相应的地震动参数，进行非一致激励地震响应分析。在左岸锚碇处、左岸桥台处、左岸主塔基础处、右岸主塔基础处、右岸桥台处、右岸锚碇处分别布置峰值加速度测点A—测点F，选取50年超越概率为10%的设计地震、50年超越概率为2%的罕遇地震两种地震。每种地震作用下每一个测点采集3个样本，取其平均值作为水平向地震动峰值加速度。各测点水平向地震动峰值加速度见表1。鉴于桥址区位于近断层地震区域，竖向地震动参数取值与水平向地震动参数相同。

表1 各测点水平向地震动峰值加速度 g

2 桥梁结构设计方案

2.1 总体布置

该桥为主跨1060m钢桁梁铁路悬索桥，全长1293m。双线Ⅰ级铁路布置于钢桁梁上层，列车荷载为客货共线铁路荷载，设计速度200km/h，轨道采用有砟轨道。

根据桥面高程、桥隧相连处桥台设置条件、桥台处支座反力、梁端转角等情况，确定左岸、右岸加劲梁边跨跨度分别为130、90m。综合考虑两岸地形地质条件、散索鞍基础位置等因素，确定左岸、右岸主缆边跨分别为245、270m。大桥立面布置如图1所示，加劲梁横断面布置如图2所示。

图1 大桥立面布置（单位：m）

图2 大桥加劲梁横断面布置（单位：m）

2.2 结构设计

大桥加劲梁采用钢桁梁结构。两片主桁中心间距30m，桁高12m。钢桁梁节间长10m，材质采用Q500qD和Q370qD。由于铁路悬索桥钢梁疲劳问题突出，根据不同构件对应的疲劳容许应力幅选择构件形式。上弦采用箱形截面杆件，整体节点；下弦采用H形截面杆件，除主塔支点处采用整体节点外其余均采用散拼节点。上层铁路桥面系中间行车区域采用正交异性钢桥面板结构，行车区域两侧设置X形联结系与上弦杆连接。道砟槽板采用不锈钢复合钢板，钢桁梁杆件在工厂制造，运输至桥位后拼装成两节段整体吊装［7］。

大桥每根主缆由217根索股组成。每根索股由91束直径5.68mm的锌铝合金镀层高强钢丝组成，钢丝标准抗拉强度为2.1GPa。主缆矢跨比为1/9，主缆强度安全系数不小于2.5。

吊索上端采用45号锻钢材质的叉形耳板通过销轴与索夹连接，下端采用球面垫圈、螺母与钢梁连接。每一吊点设置2根吊索，每根吊索由163束直径5mm的锌铝合金镀层高强钢丝组成。受主缆与加劲梁相对位移、螺纹接头加工制造工艺等因素影响，短吊索上端螺纹接头处易产生疲劳断裂，设计时采取以下措施改善短吊索的疲劳性能：①在吊索上端叉形耳板与索夹连接处设置球形关节轴承，以适应吊索端部各方向转动；②设置中央扣索减小短吊索处主缆与加劲梁相对位移；③控制最短吊索长度约3.8m；④螺纹接头按照TB10091—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》中实体圆钢吊杆螺纹接头加工工艺生产。

主塔为门式C55钢筋混凝土结构。左岸主塔上下游塔柱不等高，上游、下游塔柱高分别为255.8、262.8m。上下游塔柱均为单箱单室截面，左岸主塔结构如图3所示。

图3 左岸主塔结构（单位：cm）

左岸、右岸主墩均采用分离式承台、群桩基础。左岸主墩单个基础采用36根直径2.5～3.0（3.5）m变直径钻孔桩，桩长60～85m。为减小承台基坑开挖对陡峭山体的扰动，基础按照高桩承台摩擦桩设计，并根据受力需要在桩顶一定范围布置永久钢护筒。右岸主墩单个基础采用20根直径2.8m钻孔桩，桩长55～67m。

根据地形地质条件，两岸锚碇均采用隧道式锚碇。左岸、右岸锚塞体长度分别为85、40m。

3 重难点问题

3.1 桥梁刚度标准的确定

我国现行TB10002—2017《铁路桥涵设计规范》对活载作用下桥梁竖向刚度和横向刚度均以挠跨比为控制指标。规范中也指出以挠跨比作为刚度标准仅适用于跨度不大于168m钢梁、跨度不大于128m混凝土梁及墩高不大于50m的桥梁，可见其并不适用于大跨度铁路悬索桥。大跨度铁路悬索桥刚度控制主要是对桥上轨道平顺性的控制［8-10］。基于此，根据车体加速度与轨道30m弦测值的相关性，通过车-桥耦合动力分析和弦测值分析，提出了对车体加速度和轨道30m弦测值分级管理的大跨度铁路悬索桥刚度标准。

竖向刚度标准为：一级管理为线路随机不平顺和温度荷载共同作用下一线行车时轮重减载率不大于0.60，车体竖向加速度小于1.30m/s2；二级管理为另一线行车时桥面竖向变形曲线的30m弦测值小于4.00mm，车体竖向加速度小于1.60m/s2；三级管理为沉降、徐变等组合作用下桥面变形曲线的30m弦测值小于2.50mm，车体竖向加速度小于1.80m/s2。

横向刚度标准为：一级管理为车体横向加速度小于1.00m/s2；二级管理为桥面横向变形曲线的30m弦测值小于4.00mm，车体横向加速度小于1.70m/s2；三级管理为轮重减载率不大于0.65，脱轨系数不大于0.80。

若竖向刚度、横向刚度三个分级管理指标均满足要求，则可认为桥梁在长期运营状态下整体刚度满足要求。

对照上述刚度标准，通过车-桥耦合动力分析和弦测值分析对大桥刚度指标进行分析计算得出：

1）对于竖向刚度，一级管理指标：设计速度200km/h时一线通行列车且叠加温度影响后最大轮重减载率为0.54，小于限值0.60，车体垂向加速度最大值为0.99m/s2，小于限值1.30m/s2；二级管理指标：另一线通行列车时30m弦测值为3.16mm，小于限值4.00mm，车体垂向加速度最大值为1.29m/s2，小于限值1.60m/s2；三级管理指标：沉降、徐变等组合作用下桥面竖向变形曲线的30m弦测值为1.60mm，小于限值2.50mm，车体垂向加速度最大值为1.52m/s2，小于限值1.80m/s2。

2）对于横向刚度，一级管理指标：车体横向加速度最大值为0.94m/s2，小于限值1.00m/s2；二级管理指标：桥面横向变形曲线的30m弦测值为3.22mm，小于限值4.00mm，车体横向加速度最大值为1.24m/s2，小于限值1.70m/s2；三级管理指标：最大轮重减载率为0.58，小于限值0.65，最大脱轨系数为0.73，小于限值0.80。

综上可见，大桥整体刚度满足要求。

3.2 峡谷风环境下桥梁抗风与行车安全

基于桥址区深切峡谷风实测数据开展了大桥抗风性能风洞试验，见图4。结果表明：①成桥状态下加劲梁颤振临界风速大于85.00m/s，远大于颤振检验风速64.07m/s，颤振性能满足要求。②在风攻角为0°、±3°、±5°、±7°时，实测加劲梁最大涡振竖向振幅0.037m，最大扭转振幅0.078°。考虑涡振对行车性能的影响，通过风-车-桥耦合分析确定四阶竖弯涡振限值为0.140m，二阶扭转振幅限值为0.150°。实测值均小于限值，表明涡振性能满足要求。③试验中未观测到主塔和加劲梁有明显涡振现象和颤振现象，表明大桥具有良好的抗风稳定性。

图4 大桥抗风性能风洞试验

经风-车-桥耦合振动分析，在增设风屏障的情况下桥面平均风速25m/s，双线列车时速200km时脱轨系数0.59，轮重减载率0.32，倾覆系数0.13，车体横向加速度0.72m/s2，竖向加速度0.52m/s2，Sperling指数达到优良，各项指标均满足行车安全性和旅客乘坐舒适性要求，可实现桥上不限速通行。

3.3 近断层强震区桥梁抗震设计

该铁路悬索桥位于近断层强震区，合理的结构体系和减震措施可有效改善桥梁抗震性能［11-14］。该桥加劲梁在主塔、桥台处设置竖向支座与横向支座。竖向支座为水平双向活动支座；横向支座纵向、竖向活动，约束风荷载、设计地震荷载作用下横桥向位移。竖向支座要求具备长效润滑功能。主塔处横向支座采用具有限力熔断功能的球形钢支座，即实现运营阶段横向风、设计地震作用下支座不破坏，当横向地震力达到支座设计承载力（1.1倍设计地震作用下支座反力）时支座剪力销剪切破坏，横向阻尼器发挥减震耗能作用。

在列车荷载作用下铁路悬索桥的梁端会频繁纵向移动，影响支座、梁端伸缩装置、短吊索等活动构件的耐久性［15-17］。为实现温度荷载作用下加劲梁纵向位移不受约束，制动力、列车荷载作用下加劲梁纵向位移受约束，并起到耗能减震作用，在主塔处纵桥向设置16台黏滞阻尼器。阻尼器的阻尼指数为0.1，单台阻尼器最大阻尼力为2575kN。在主塔及桥台处横桥向设置24台黏滞阻尼器，阻尼器的阻尼指数为0.2，单台阻尼器最大阻尼力为10MN。

此外，为减小加劲梁与主缆的相对位移，在主缆跨中处与加劲梁之间设置8对人字形耗能型中央扣索。在主塔和桥台处设置竖向、纵向地震限位装置，以保证罕遇地震作用下不落梁。综上所述，为改善桥梁抗震性能，大桥采取了纵桥向设置耗能型中央扣索+黏滞阻尼器，横桥向在主塔及桥台处设置黏滞阻尼器，并设置竖向、纵向地震限位装置的减震方案。

基于该减震方案，并考虑局部地形特征，不同墩台处输入相应的地震动参数，采用有限元方法进行非一致激励地震响应分析，对大桥抗震性能进行验算。结果表明：地震作用下主塔关键截面、主缆强度安全系数最小值分别为1.27、2.60，满足主塔抗震强度安全系数大于1.00，主缆抗震强度安全系数大于2.50的要求。加劲梁最大应力296MPa，未超过钢材屈服强度，可实现桥梁“设计地震弹性、罕遇地震可修”的抗震设防目标。