某高速铁路双塔双索面矮塔斜拉桥设计研究

胡志冰

（河南交投民沈高速公路有限公司，河南郑州 450016）

0 引言

矮塔斜拉桥是介于连续梁（刚构）桥和斜拉桥之间的一种新桥型。矮塔斜拉桥的桥塔不高，梁高也仅为连续梁桥的一半，既具有斜拉桥纤细柔美、高大宏伟的特点，又克服了连续梁桥的笨重和压迫感，且具有上下结构协调的美感。由Christian Menn 设计并建于1981 年的瑞士甘特（Ganter）大桥，是矮塔斜拉桥的雏形。2000 年我国建成第一座矮塔斜拉桥——芜湖公铁两用大桥。2011 年在京沪高速铁路天津枢纽，设计并建成了一座三塔四跨预应力混凝土矮塔斜拉桥，是我国第一座高速铁路预应力混凝土矮塔斜拉桥。随着我国高速铁路的飞速发展，加之矮塔斜拉桥具有施工方便、刚度大、抗震性能优、美学形态好等特点，使得矮塔斜拉桥成为高速铁路桥型的重要选择。

1 工程概况

该高速铁路双塔双索面矮塔斜拉桥跨度为（75+110+75）m，位于直线双线250km/h 无砟轨道客运专线上，线间距5.0m，列车荷载采用ZK 活载，主桥宽度16.0m[1.00m（人行道）+1.50m（索塔）+3.00m（至线路中心）+5.00m（双线中心距）+3.00m（至线路中心）+1.50m（索塔）+1.00m（人行道）]，该桥索塔支撑采用塔梁墩固结形式。设计主梁为塔根处无索区长度为18m，跨中部分为14m，边跨部分是27m，各跨有索区长度都以30m 对称布置，全桥孔跨布置图如图1所示[1-5]。

图1 全桥孔跨布置图（单位：cm）

2 结构设计

2.1 主梁

该桥主梁采用的横截面形式为预应力混凝土单箱双室的截面形式（见图2），主墩支点处梁高5.5m，跨中断面梁高3m，梁高按二次抛物线变化，箱梁顶宽16m，箱梁底宽14m；箱梁腹板直立设置，厚度由支点处1.0m 按一次线性渐变至跨中范围0.4m。顶板厚度一般为0.3m，底板厚度由支点处0.5m 按二次抛物线渐变至跨中范围0.25m。斜拉索布置在腹板。主梁除支点处设横隔板外，每根拉索锚固点处均设有横隔板，间距5.0m 左右[6]。

图2 主梁截面图（单位：cm）

2.2 桥塔

桥塔采用单柱型钢筋混凝土结构（见图3），梁顶面以上高13m。桥塔形式采用钢筋混凝土矩形实心截面，外轮廓作倒角、凹槽等处理，以增加结构的美学特性[7]。

图3 桥塔结构图（单位：cm）

2.3 斜拉索

为充分利用矮塔的高度，发挥斜拉索对梁体的竖向支承作用及斜拉索的最佳景观效果，该桥采用扇形双索面双排索。由于矮塔斜拉桥主梁的刚度较大，结构受力时，以主梁为主，拉索为辅，同时为了方便施工，该设计采用的主梁上索距为5m，每个桥塔设7 对斜拉索，斜拉索在塔上的索距设为0.8m。斜拉索采用平行钢绞线，由37 根直径15.2mm 镀锌钢绞线或环氧涂层钢绞线平行、紧密排列集束而成，钢绞线的标准强度可达1860MPa。每根钢绞线外包热挤压黑色PE 管，索体外套白色或彩色HDPE 管，形成多层防腐保护体系[8]。

3 结构计算

采用Midas Civil 软件对结构进行空间有限元分析，梁、塔、墩采用梁单元模拟，斜拉索采用索单元模拟，桥墩、梁、塔三体为固结，采用刚性连接。索的作用点与主梁采用弹性连接中的刚性连接进行连接，全桥共划分184 个节点、177 个单元，梁体采用C50 混凝土，桥塔、桥墩采用C40 混凝土。该桥整体有限元模型如图4 所示。按照规范要求在恒载（自重、二期恒载、混凝土收缩及徐变、预应力、基础变位等）、活载、附加力（温度力）等荷载组合作用下，从各施工步骤到运营阶段对桥梁结构进行了全面检算[9]。

图4 成桥有限元模型

3.1 主梁截面应力计算

根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB 10002.3—2005）6.3.10条规定：运营荷载作用下正截面混凝土压应力（扣除全部预应力损失后）应符合下列规定。

其一，主力组合作用时：σc≤0.50fc＝0.5×33.5＝16.75MPa。

其二，主力+附加力组合作用时：σc≤0.55fc＝0.55×33.5＝18.425MPa。

根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB 10002.3—2005）6.3.7 条规定：在运营荷载作用下，混凝土的最大剪应力应符合公式要求。τc≤0.17fc＝0.17×33.5＝5.695MPa。

根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB 10002.3—2005）6.3.9 条规定：对不允许出现拉应力的构件，按抗裂计算的主拉应力应符合下式要求：σtp≤fct＝3.1MPa，主压应力应符合下式要求：σcp≤0.60fc＝0.6×33.5＝20.1MPa。

在各种可能的荷载组合下，主梁各截面的应力检算结果见表1。

表1 主梁在荷载组合作用下的应力检算结果汇总表 单位：MPa

由表1 可知，该桥在荷载组合作用下的主梁的正应力、主应力、剪应力均满足规范要求。

3.2 主梁刚度计算

根据《高速铁路设计规范》（TB 10621—2014）7.3.2 条规定，梁体的竖向变形、变位限值应符合下列规定：该次设计的列车速度为250km/h 相应的边跨的竖向挠度不应大于0.6 倍的L/1400，中跨的竖向挠度不应大于0.6 倍的L/1000。梁体竖向挠度见表2，从表2 可知主梁的刚度满足规范要求[10]。

表2 竖向挠度验算表 单位：mm

3.3 斜拉索检算

3.3.1 斜拉索的组合应力检算

计算斜拉索组合应力按容许应力法进行检算，具体检算条件为：

σmax≤[σ]=0.6Ry=0.6×1860=1116MPa（1）式（1）中：σmax为斜拉索的最大组合应力（正常使用极限状态的应力计算组合工况）。设计中要求对每根斜拉索均进行应力强度检算。结果见表3。

表3 运营阶段斜拉索最大应力表 单位：MPa

由表3 可知斜拉索的最大拉应力发生在C4’上，斜拉索组合应力最大值为：σmax=649.28MPa≤0.6fpk=1116MPa，斜拉索的拉应力满足要求。

3.3.2 疲劳检算

《高速铁路设计规范》（TB 10621—2014）未对斜拉索疲劳强度检算提出明确要求。设计中的斜拉索疲劳检算方法为：要求斜拉索的疲劳应力幅度小于50MPa，即公式：斜拉索的疲劳应力幅度＝最大活载应力-最小活载应力，结果参见表4。

表4 运营阶段斜拉索最大应力幅检算

表4（续）

运营阶段斜拉索最大活载应力幅出现在C4’索上，其值为42.38MPa＜[△σ]＝50MPa，故斜拉索疲劳满足要求。

4 结语

采用（75+110+75）m 双塔双索面矮塔斜拉桥，增加了结构的刚度，提高了施工的便利性，优化了桥梁美感。通过对该桥主梁截面的正应力、主应力、剪应力、刚度进行检算，各项应力指标均满足设计规范的要求。对该桥斜拉索进行强度和疲劳检算的结果，各项指标亦满足设计规范的要求。通过对该双塔双索面矮塔斜拉桥进行设计计算，为后续的高速铁路矮塔斜拉桥设计提供参考。