南玉高铁六景郁江特大桥主桥方案研究

2023-08-21陈刚

铁道标准设计 2023年8期

陈刚

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 工程概况

南宁至玉林高速铁路是南宁至深圳高铁的一部分,南深高铁是连接北部湾经济区、珠三角经济区和粤港澳大湾区的快速客运通道。南玉高铁也是自治区城际铁路网的重要组成部分,正线长度193.31 km。本线水系发达,桥梁长124 km,约占线路全长的65%,线路三跨全线最大河流郁江,针对六景郁江特大桥桥位及主桥设计方案开展研究。

本桥设计遵循以下设计原则:①满足高速铁路大跨度桥梁铺设无砟轨道的要求;②满足通航、防洪要求;③桥位适应线路接入规划六景站位要求;④结构相对经济,运营维护费用低。

主要技术标准:①高速铁路,设计速度350 km/h;②双线线路,正线线间距5.0 m,线路平面位于直线上,人字坡;③设计活载为ZK活载;④CRTSⅠ型双块式无砟轨道;⑤环境类别及作用等级为一般大气条件下无防护措施的地面结构,环境类别为碳化环境,作用等级T2;⑥正常使用条件下梁体结构设计使用寿命为100年;⑦通航等级为规划Ⅰ级。

2 桥位比选

2.1 桥位比选

根据六景郁江通航要求,结合研究区域内的既有桥梁分布及河段平顺性,考虑本线宏观走向,研究区域内可供选择的桥位有:并行高速公路A桥位、并行规划张六公路B桥位、杨江村C桥位和峦城镇D桥位共4处。按通航论证意见,考虑墩身宽度及桥墩防撞设施影响,主跨跨度需320 m,桥位比选见表1,桥位方案见图1。

图1 六景郁江特大桥桥位比选

表1 桥位方案比选

经综合比选,C桥位方案河道顺直、水域较窄、最有利于衔接规划六景站方案,故采用C桥位方案。

2.2 推荐方案桥址处建设条件

(1)地形、地貌:桥址处以低山、丘陵区为主,地面高程在59～113 m之间,相对高差约54 m。桥址位于村庄,交通条件较好。

(2)地质:桥址区地层主要为第四系全新统冲积粉质黏土、细砂、细圆砾土,白垩系下统新隆组砂岩。砂岩:强风化,σ0=400 kPa;弱风化,σ0=600 kPa。

(3)气象:桥址区属亚热带季风气候,年平均气温21.7 ℃,年平均降水量1 585.4 mm,年平均风速2.6 m/s,最大风速16.7 m/s。

(4)水文:桥梁上跨郁江,常水位江面宽约500 m,百年一遇流量19 100 m3/s,对应洪水位69.64 m、流速2.13 m/s;三百年一遇设计洪水位72.26 m。

(5)地震参数:按《南宁玉林铁路地震安评总报告》桥址处地震动峰值加速度0.102g;地震动反应特征周期0.35 s。

(6)桥位控制点:拟建桥位中心线至上游杨村作业区边缘最小距离73 m;桥位中心线将锚地分割成2 762 m+244 m,需局部调整锚地;拟建桥位上游140 m处有高压天然气管线(压力10 MPa,管径1 016 mm,埋深5 m),满足安全距离要求;拟建桥位与高压电线斜交角度为30°,高压线高度临近铁路轨面,需迁改。

2.3 桥式方案确定

设计速度350 km/h、铺设无砟轨道的主跨320 m桥梁,其结构刚度需满足轨道的平顺性和列车的平稳性、舒适性,结构必须通过加劲提高刚度,可供选择的桥式方案有:拱桥方案、悬索桥方案和斜拉桥方案。

拱桥(中承式钢管混凝土或钢箱拱桥、连续钢桁连续拱、连续钢桁柔性拱)方案可行,如代表性的南广高铁西江特大桥[1]、南京大胜关大桥[2]、银川机场黄河桥[3]。本桥桥址水面宽约500 m,中承式拱桥方案跨度需500 m以上,但两岸黏土覆盖层较厚,主拱施工难度较大;连续钢桁拱主墩位于水中,由于拱脚的影响,为满足通航净空要求,跨度需在320 m基础上进一步加大。拱桥方案所需跨度大,造价高,施工周期长,施工难度大。

悬索桥系列方案中,可选择的桥式结构有:地锚式悬索桥、自锚式悬索桥、斜拉索-悬索协作体系桥。自锚式悬索桥在城市轨道交通中已有应用[4],近年来悬索桥在铁路工程也有应用,如丽香铁路金沙江特大桥[5]、五峰山长江大桥[6]、大渡河特大桥[7],但均为有砟轨道结构。考虑本线轨道形式为无砟轨道,设计速度350 km/h,对桥梁刚度要求较高,且结构用钢量大,故不推荐悬索桥桥式。

斜拉桥方案中,可选择的桥式结构有:钢桁梁斜拉桥、钢箱梁斜拉桥、混凝土斜拉桥、钢-混混合梁斜拉桥、钢-混部分斜拉桥方案。钢桁斜拉桥方案可行,如徐盐高铁大跨度连续钢桁梁斜拉桥[8],但造价高;钢箱梁斜拉桥方案可行,但结构用钢量大,后期养护费用高,工程造价高;混凝土斜拉桥方案受力可行,但因后期混凝土收缩徐变变形大,铺设无砟轨道难度大,线路运营维护成本高。钢-混混合梁斜拉桥和钢-混部分斜拉桥方案较适应本桥,文献[9-10]介绍了钢-混斜拉桥的设计和实践;文献[11-15]介绍了钢-混结合段在不同桥型中应用情况;文献[16-18]分析了钢-混结合段的力学性能;文献[19]介绍了钢-混结合段的施工方法。为确定最优方案,对二者进行详细分析比较,见表2。

表2 钢-混斜拉桥与钢-混部分斜拉桥综合对比

由表2可知,钢-混混合梁斜拉桥方案可行,如赣江特大桥[20]、商合杭高铁裕溪河特大桥[21],但该方案边跨混凝土梁需水中搭设支架现浇施工,且支架段落长、结构用钢量大,整体施工难度大,工程造价高;钢-混部分斜拉桥方案受力、使用功能、工程实施均可行,无砟轨道的适应性较好,仅边跨现浇段梁体在水中搭设支架施工,用钢量低,徐变残余变形小,结构刚度大。

综上,比选选取拱桥、悬索桥、斜拉桥3种桥型方案,从技术、经济、无砟轨道适应性、施工等方面综合比较,最终选择桥跨布置为(40.75+109+320+109+40.75) m钢-混部分斜拉桥方案,主桥效果图见图2。

图2 南玉高铁六景郁江特大桥钢-混部分斜拉桥效果图

3 结构体系

3.1 结构体系比选

按确定的孔跨(40.75+109+320+109+40.75) m,对比分析不同结构体系:半漂浮体系(体系1)、半漂浮+左塔支座带水平约束(体系2)、塔梁墩固结(体系3),通过对不同结构体系受力对比分析,确定适合本桥的体系方案,具体见表3。

表3 南玉高铁六景郁江特大桥钢-混部分斜拉桥方案3种结构体系对比

由表3可知,体系3的结构整体刚度最大,其他两个方案相当;在温度作用下,体系3受温度影响显著;纵向多遇地震作用下,体系1梁端位移最大,其他两个体系相当;横向多遇地震作用下,3个体系横向位移相当;纵向多遇地震作用下,体系1由于为漂浮体系,地震响应最大,体系2左塔梁体设置纵向约束,故左塔地震响应较体系3大,右塔地震响应较体系3小;横向多遇地震作用下,体系1、2地震响应相当,体系3地震响应相对较小。综上,由于本桥下塔高度较低,体系3受整体升降温及收缩徐变影响显著,故不予采用;体系1与体系2相比,体系1在顺桥向多遇地震作用下地震响应较大,体系2左塔梁体设纵向约束抑制了主梁在制动力、温度等作用下的梁端变形,改善了大位移伸缩缝的使用性能,故最终设计采用体系2。

3.2 约束体系

约束体系选择根据结构体系和设计需求,满足结构正常使用和动、静载作用下的结构承载能力及变形要求。本桥约束体系主要包括:①竖向支座,结构传力和适应结构正常使用变形的需求;②为满足支座承受设计地震,研究采用支座有限横桥向水平约束的方式,即支座横桥向满足正常使用位移需求的前提下进行约束;③由于本桥为部分斜拉桥,结构质量大,为避免梁体水平作用对上塔的影响,主塔处未设置水平抗风支座;④支座抗剪销力按设计地震控制,罕遇地震下采用阻尼器进行耗能和抑制梁体纵、横向位移,两个主塔共同分担纵向地震力,全联共同分担横向地震力。约束体系布置见图3。

图3 南玉高铁六景郁江特大桥钢-混部分斜拉桥主桥约束体系布置(单位:cm)

3.3 辅助墩设置

辅助墩设置对优化斜拉桥整体受力状况是有益的,此外,对斜拉桥施工安全性的提升也有很大帮助。其作用主要是通过改善主梁弯矩的分布和主梁的挠度,提高斜拉桥整体刚度。本桥主要依据结构刚度是否满足铺设无砟轨道的要求,分析比较设置辅助墩的必要性。方案1, (40+109+320+109+40) m钢-混部分斜拉桥,设1个辅助墩;方案2,(150+320+150) m钢-混凝土部分斜拉桥,不设辅助墩。分别分析在ZK荷载作用下结构的变形,见图4。

图4 2种方案斜拉桥结构变形对比

由图4可知,不设辅助墩,相邻两孔梁间梁端转角大于2‰rad,不满足TB10002—2017《铁路桥涵设计规范》要求,梁体跨中挠度较不设辅助墩大49%。设置1个辅助墩可显著提高梁体刚度、减小梁端转角,故本桥采用方案1。

3.4 边中跨跨长比确定

考虑主桥边中跨跨长比分别为0.45、0.47、0.49时,对结构变形和边墩、辅助墩一次成桥状态下反力的影响,静活荷载作用下结构跨中挠度和梁端转角对比见表4,不同边跨跨长边墩及辅助墩反力对照分别见图5、图6。

图5 边墩支反力对比

图6 辅助墩支反力对比

表4 不同边跨跨长的结构变形对比

由表4可知,随着边跨长度增加,跨中挠度和梁端转角均增大。由图5、图6可知,边墩、辅助墩支反力大小随着边中跨跨长比增大而增大;当边中跨跨长比为0.45时,与边中跨跨长比0.47、0.49相比,辅助墩、边墩支反力显著减小;设计结合桥位处施工条件(减少水中边跨支架现浇段长度),采用边中跨跨长比0.47,则边跨跨径为320 m×0.47≈150 m。

3.5 钢-混结合段设置位置

本桥中跨增设钢箱梁主要目的:将混凝土主梁主跨跨中的一段用钢箱梁替换,可以减轻主跨结构自重,由此,大幅度提高了混凝土部分斜拉桥跨越能力,同时减小了收缩徐变对结构的影响。该结构需通过构造措施将钢箱梁和混凝土梁连接在一起共同受力,确定结合面位置是关键问题之一。

本桥钢混结合段位置确定的主要原则为:①成桥状态恒载作用下主梁弯曲应变能相对较小;②运营状态活载作用下,结合位置的弯矩幅值相对较小,确保结合段的承载力、应力、变形、抗裂性能及耐久性满足设计要求。基于以上原则,本桥以主力弯矩包络图反弯点位置为主(图7),兼顾梁段划分、施工方案等确定混合梁结合段位置,中跨恒载弯矩反弯点间距离107.8 m,中跨主力包络图弯矩反弯点间距离92～129 m,设计采用“钢箱段+钢箱过渡段+钢混结合段+混凝土过渡段”总长为95 m的方案。

图7 主梁主力包络图(单位:cm)

3.6 主梁梁高

主梁是斜拉桥的重要基本承载构件之一,主梁的强度、刚度和稳定性直接影响全桥刚度和稳定性,而主梁高度是控制其力学特性的重要指标。基于主梁刚度控制,分析在活荷载作用下不同梁高的跨中竖向挠度和梁端转角。方案1,支点梁高14 m,跨中梁高5.5 m;方案2,支点梁高14.5 m,跨中梁高6.0 m;方案3,支点梁高15 m,跨中梁高6.5 m;方案4,支点梁高15.5 m,跨中梁高7 m,分析结果见表5。

表5 不同梁高主梁变形

由表5可知,随着主梁梁高增加,桥梁刚度增大。在其他条件不变的前提下,梁高较高时斜拉索承担的荷载减小,主梁材料用量会上升,导致工程造价增加。本桥结合轨道不平顺性和行车动力特性分析,采用方案2。

3.7 桥塔高度对主梁刚度的影响分析

比选采用了7组上塔高度和相应的3组上塔截面,见表6。分析在移动活载作用下,桥塔高度对桥梁跨中挠度和梁端转角的影响,结果分别见图8、图9。

图8 不同桥塔高度对应的主梁跨中挠度

图9 不同桥塔高度对应的主梁梁端转角

表6 桥塔截面比较组

由图8、图9可知,在活载作用下,随着桥塔高度增加,跨中挠度减小,梁端转角减小,梁体刚度增大。桥塔高度不仅与桥梁的主孔跨径有关,也与斜拉索的索面形式、斜拉索间距以及斜拉索的水平倾角有关。桥塔高度影响桥梁刚度和经济性,桥塔越高,斜拉索倾角越大,斜拉索提供的竖向分力越大,但斜拉索的长度也越长;桥塔高度过高,截面尺寸需要相应加大,不仅会增加塔柱的材料用量,还会给施工带来困难。本桥为钢-混凝土部分斜拉桥,中跨部分梁段采用钢箱梁,中跨刚度较混凝土梁小,结合本桥构造和受力需求,上塔桥面以上有效塔高按55 m设计,有效塔高与主跨跨度比约为1/6。

3.8 主要结构设计

通过上述比选分析,确定了本桥的主要设计参数,主桥孔跨布置为(40.75+109+320+109+40.75) m钢-混凝土部分斜拉桥,主梁包括边跨现浇段、悬浇段、钢箱段及钢-混凝土混合段。边跨现浇段长26.25 m;中跨83 m采用钢箱梁(含钢箱过渡段);钢-混凝土结合段总长14 m,其中混凝土段长6 m,钢-混结合段长4 m,钢箱过渡段长4 m。

3.8.1 主梁

混凝土主梁采用单箱双室直腹板截面,桥面宽15.2 m,底板箱宽12.2 m,中支点处加宽为15.2 m,边支点及跨中梁高为6.0 m,中支点梁高14.5 m,梁底变化段采用二次抛物线,抛物线方程为y=0.000 809x2,在拉索处设置锚固横梁和锚固块,横断面见图10。

图10 有索区混凝土主梁横断面(单位:cm)

中跨钢箱采用单箱双室截面,两侧箱梁外侧设置钢锚箱,用于斜拉索锚固;钢箱梁为正交异性板结构,由顶板、底板及竖直腹板围封而成。梁顶宽15.2 m,梁底宽12.2 m,梁高5.75 m;钢箱桥面设混凝土板,宽15.2 m,中心厚度0.25 m,纵向设断缝,顶面构造与混凝土主梁构造一致。混凝土桥面板通过剪力钉与钢箱梁形成整体,横断面见图11。

图11 钢箱梁主梁横断面(单位:cm)

3.8.2 桥塔

塔横向布置为H形钢筋混凝土结构,上塔高85.5 m(下塔顶面起算),下塔高35.5 m(主塔1)、42.5 m(主塔2),塔柱及连接横梁均采用矩形截面。上塔柱正常截面尺寸为8.0 m×3.0 m(顺×横)、上塔柱底截面尺寸为8.0 m×4.408 m(顺×横);下塔柱顶截面尺寸为8.0 m×26.215 m(顺×横)、下塔柱底截面尺寸为9.0 m×18.0 m(顺×横);塔柱连接横梁截面尺寸为4.5 m×3.0 m(顺×高);桥塔纵向设0.6 m×0.2 m的刻槽,下塔横向结合塔身构造设1 m深梯形槽口造型;塔冠纵向造型寓意“爱心”,与部分斜拉桥结构柔美的效果统一,没有压抑感。桥塔构造见图12。

图12 主塔构造(单位:cm)

3.8.3 斜拉索

由于本桥为钢-混部分斜拉桥,钢绞线拉索轴向刚度大,可提高拉索的效应;钢绞线斜拉索采用现场制索,具有无需大型制索、运输、吊装和张拉牵引设备、拉索的整体防护性能优越等优势,故本桥采用钢绞线斜拉索。

斜拉索采用双索面扇形布置,全桥设置13对共52组拉索,梁上拉索水平间距8.0 m和11.0 m,桥塔上竖向锚固间距1 m。斜拉索与主梁通过混凝土锚固横梁和钢锚箱连接,桥塔设可更换的分丝管索鞍。

3.8.4 基础

主塔、边墩、辅助墩基础均采用钻孔灌注桩基础;边墩桩基φ1.8 m,承台尺寸10.2 m×15.0 m×4.0 m;辅助墩桩基φ1.8 m,承台尺寸10.2 m×15.0 m×4.0 m;主塔设24根φ3.0 m桩基,承台尺寸22.8 m×34.8 m×6.5 m。

3.9 无砟轨道铺设可行性分析

3.9.1 列车、轨道及桥梁动力仿真分析

主桥基于多体系统动力学和有限元法结合的联合仿真技术,选用德国低干扰谱作为轨道激励,计算了CRH3动车组列车分别以 250,300,350 km/h和400 km/h四种速度通过该桥时的车桥耦合振动动力响应,列车-桥梁系统仿真模型如图13所示。

图13 车桥耦合仿真计算模型

在设计速度350 km/h时,列车横向加速度0.694 m/s2, 列车竖向加速度0.885 m/s2, 轮重减载率0.481,脱轨系数0.306,横向舒适指标2.206,竖向舒适指标2.379;桥梁最大竖向加速度0.104 6 m/s2, 桥梁最大横向加速度0.010 3 m/s2, 最大竖向挠跨比1/10 186,最大横向挠跨比1/949 555。综上,在CRH3动车组以设计速度通过大桥时,各项指标均在限值以内,保证了高速列车的行车安全;动车的竖向舒适性和横向舒适性均达到“优”;大桥各跨的竖向和横向振动位移较小,桥梁竖向和横向振动加速度均小于规范规定的限值,说明桥梁的振动性能良好。

3.9.2 基于跨中竖向变形竖曲线半径评价

六景郁江特大桥在最不利荷载组合下(温度+收缩徐变+双线列车运营荷载),结构跨中竖向最大挠曲变形量为131.27 mm,计算得拟合半径为97 800 m,满足跨中变形曲率半径49 000 m的要求。