付小军

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063； 2.中铁建大桥设计研究院,武汉 430063)

1 工程概况

潜江铁路支线位于江汉平原腹地,属于江汉平原货运系统的重要组成部分,途经湖北天门、仙桃、潜江三市,在岳口镇南既有公路桥下游约1.1 km处跨越汉江,岳口汉江特大桥是潜江铁路支线跨越汉江的控制性重点工程。

1.1 建设条件

岳口汉江特大桥位于天门市岳口镇,工程所在河段上起吴家湾、下至复兴镇,全长约21 km,河道窄深,滩槽高差大,河岸土质较好,黏土层较厚,抗冲力强。工程所在河段局部河道较为顺直,深泓居中,由于两岸堤防约束,河床横向变形较小,主流平面摆动受到限制,河势较为稳定。

根据区域地质勘察资料,桥址所在地层岩性较复杂,主要由第四系全新统冲湖积层淤泥质黏土、粉质黏土、黏性土、粉土、砂类土等组成；地下水为第四系孔隙潜水,其中第四系粉、细砂及中砂层为主要含水层,测时地下水埋深1.0～2.0 m；桥址所在地区年平均最高气温21.0 ℃,年平均最低气温12.5 ℃,极端最高气温为38.7 ℃,极端最低气温-17.2 ℃；年最大风速36.0 m/s,年平均风速2.5 m/s。

1.2 主要技术标准

铁路等级为国铁Ⅱ级。正线数目为单线；设计行车速度：100 km/h。通航水位：最高通航水位为38.07 m,通航净高不小于10 m。桥位河段航道等级为天然Ⅲ级,货船尺度为85.0 m×10.8 m×2.0 m。船队尺度为167.0 m×21.6 m×2.0 m；船撞力按4 000 t级船队的撞击力设计。设计基本风速：V10=19.98 m/s。抗震设防标准：按Ⅶ度设防。

2 桥梁方案设计

2.1 桥型方案研究

岳口汉江特大桥桥址处与上游既有岳口公路桥间距为1 050 m,通航要求铁路桥必须一跨跨越该河段水域220 m,考虑到桥墩位置对通航空间有所影响,主跨净宽取值不宜小于240 m。

根据地形、地质、通航及景观设计等条件要求,在现有技术水平下,连续刚构桥的跨径难以满足铁路需求；对比斜拉桥与刚构拱方案,斜拉桥主桥造价虽高于刚构拱桥,但通过采用减小梁高的结构形式,降低线路高程,缩短引桥长度,斜拉桥全桥总造价较刚构拱桥低。同时,在增加斜拉桥部分主桥工程造价的情况下,采用较大跨度斜拉桥方案,一定程度上提高了结构通航安全性,更好地满足了防洪要求,因此本项目选用斜拉桥方案。

对比斜拉桥独塔方案与双塔方案,可以发现独塔方案能更充分地利用材料特性,且通过减少主墩个数,造价较双塔方案更为经济。桥址处江面宽阔,基底持力层软、埋藏深,仅设置1个主墩结构,能较大程度降低施工难度,减短施工周期。独塔斜拉桥作为一种常用的斜拉桥跨径布置方式,在已建斜拉桥中占有较大比重,是修建现代大跨度桥梁的热门选择桥型之一[1-4]。为减轻桥梁自重、增强跨越能力,主梁采用钢-混混合梁结构形式,近些年来混合梁结构在斜拉桥建设中得到广泛应用,与其他主梁形式相比,混合梁结构的受力特性、跨越能力、结构布局、经济效益等特点优势显著[5-8]。综合分析,最终推荐采用独塔双索面混合梁斜拉桥方案。

2.2 桥跨布置

主桥结构采用(32.7+50+93.7+260+38.2) m混合梁独塔斜拉桥,全梁长474.6 m(含梁缝)。边跨及部分中跨主梁为预应力混凝土箱梁,其余中跨主梁为钢箱梁。见图1。

图1 岳口汉江特大桥桥型布置(单位： m)

2.3 结构体系

主桥为半漂浮体系,塔梁之间设置竖向支座、横向抗风支座及纵向阻尼器。各辅助墩位置均设置多向活动竖向抗压支座,同时设置横向挡块,约束横向位移。

2.4 桥梁设计难点

潜江支线260 m独塔斜拉桥为单线大跨度独塔斜拉桥在铁路工程项目中的首次采用,具有设计技术复杂、施工难度大、建设标准高等特点。针对其非对称铁路独塔斜拉桥体系的特殊性,需着重对以下几个方面进行深入研究,以形成较为完整的铁路独塔体系设计思路。

(1)需对塔梁之间的连接形式、主梁梁部构造形式、边跨布置、钢混结合段位置进行研究。考虑到拉索锚固系统的重要性,对索梁、索塔锚固方式、受力性能进行研究,得出最优设计方案。针对铁路桥梁列车活载重、抗疲劳性能要求高(尤其是单线铁路)、横竖刚度控制严等特点,需要详细研究结构体系的受力特点,保证体系的技术经济合理性。

(2)为研究关键结构参数设计对铁路独塔混合梁斜拉桥力学行为的影响,需要对边跨跨度、加劲梁截面形式、桥塔高度、辅助墩设置个数和斜拉索规格等参数进行讨论研究,以确定铁路独塔混合梁斜拉桥各部构件之间的合理比例关系。

(3)考虑到在车辆动荷载、风力及地震力作用下,桥梁结构产生的振动会影响桥上行车舒适性与安全性,有必要对结构进行风车桥耦合分析、抗风分析和抗震分析[9-13],评估桥跨结构的自振特性、抗风、抗震及车辆荷载的冲击振动等动力学特性。

3 主桥结构设计

3.1 桥塔

索塔类型采用钻石型,桥面以上塔柱采用倒Y形,通过对比120，130，140，150 m不同索塔高度,从结构受力、工程经济性方面进行比较分析,最终确定桥面以上塔高为130 m,高跨比为1/2,桥面以下塔高为29.5 m。索塔纵向宽度由塔顶6 m线性加宽至塔底10 m,桥塔布置如图2所示。

图2 桥塔布置示意(单位： cm)

塔柱均采用C50混凝土,截面形式为单箱单室,上塔柱斜拉索锚固区横宽为6 m,纵宽由6 m变化至6.742 m。考虑到索塔钢锚箱横竖向受力及预应力筋张拉空间等因素,上塔柱顺桥向壁厚定为0.8 m,纵桥向壁厚由0.8 m变化至1.26 m,靠近实体段部分顺桥向局部加厚至1.3 m,横桥向局部加厚至1.8 m,上塔柱上部设置顶帽,厚1 m。中塔柱和上塔柱之间采用实体段连接,实体段高4.5 m,横宽由9.966 m线性变化至10.67 m,纵宽由6.742 m变化至6.85 m,并设置人孔。

中塔柱为分离式倾斜塔柱,横宽为4 m,壁厚1 m；纵宽由6.85 m变化至7.91 m,壁厚1.5 m,对应梁侧面处设置横向抗风支座,其垫石横向距离为13.75 m。根据受力需要,中塔柱和下塔柱在塔梁交接处设下横梁,采用箱形断面,横梁高4 m,宽7 m,顶底板厚均为0.8 m,腹板厚0.8 m。在靠近中塔柱实体段处设置3 m×1 m倒角,保证塔与横梁传力途径平缓。

下塔柱为分离倾斜塔柱,为使塔壁应力均匀扩大到基底,减少施工混凝土接缝影响,下塔柱距承台顶2 m高度范围内设置实体段,塔柱横宽由4 m变化至6 m,纵宽由8 m变化至10 m,横纵向壁厚均为1.5 m。根据防洪要求,主墩承台需位于河床面以下,承台顶高程为+22.78 m,位于现状地面线下0.26 m。主塔采用23φ2.2 m钻孔桩基础,摩擦桩梅花式布置,桩长97 m,桩底持力层为细圆砾土。承台为矩形,承台尺寸为26.9 m×23.7 m×6 m。主塔基础布置如图3所示。

图3 主塔基础布置(单位： cm)

3.2 主梁

主梁采用钢-混混合梁形式,其中预应力混凝土梁长190.05 m,钢混结合段长13.05 m,钢箱梁长270.8 m。

3.2.1 混凝土箱梁

混凝土箱梁为单箱三室等高截面,采用C55混凝土,箱梁尺寸主要由结构受力及构造要求确定,其中顶板需满足桥面横向弯矩要求,故按既有铁路单线连续箱梁设计经验取值；底板厚度应满足预应力筋布置和混凝土浇筑要求,考虑到边跨混凝土梁需提供较大的重力刚度以便减少压重,故底板尽量取厚；腹板作为箱梁上下翼缘连接纽带,主要承受截面剪应力和主拉应力,厚度需满足抗剪、抗扭极限强度、预应力筋布置及混凝土浇筑等要求。综合分析,标准横截面全宽取13 m,梁高3.5 m,中室梁顶板厚度取40 cm,底板厚度取60 cm,中腹板厚50 cm,斜底板厚60 cm,加厚横截面中室梁中腹板厚度为70 cm。混凝土梁标准横断面如图4所示。

图4 混凝土梁标准横断面(单位： cm)

混凝土箱梁每5.5～9.5 m布置1道厚50 cm横梁,与斜拉索位置对应设置,全桥共计22道斜拉索横梁。索塔、连接墩顶、辅助墩顶及结合块箱梁各设置1道横隔梁,其中P88号墩顶横隔梁厚2.35 m,P89～P91号墩顶横隔梁厚2.5 m,结合块横隔梁厚2 m,全桥共计5道墩(塔)顶横隔梁。各墩(塔)顶横隔梁均设置过人孔,P89、P90、P91号墩顶横隔梁只设置中室过人洞,宽高尺寸为1.2 m×1.2 m；边室过人孔为圆孔,外径φ0.8 m,边室人孔距结构中心线水平距离5.5 m,高度距底板底1.6 m。

3.2.2 钢箱梁

钢箱梁为带风嘴的单箱三室截面,采用正交异性板结构,由顶板、底板、斜底板、中腹板、边腹板及风嘴围封而成。考虑到受力及刚度过渡要求,钢箱梁在不同区段采用不同板厚,共分6个区,10个梁段类型。顶、底板厚16～28 mm,钢箱梁设2道中腹板和2道边腹板,中腹板厚20～28 mm,边腹板厚30～40 mm；根据正交异性钢桥面板疲劳试验结果,顶板均设置纵向V肋,加劲肋厚10 mm,间距600 mm。底板均设置纵向U肋,板厚8 mm(压重区域加厚至10 mm),平底板上U肋间距700 mm,斜底板上间距800 mm。钢箱梁主跨标准节段长12 m,边跨节段长9 m。标准节段每隔3 m设置1道实腹横隔板。全桥共计24个钢箱梁节段,最大节段质量约134.1 t。钢箱梁标准横断面如图5所示。

图5 钢箱梁标准横断面(单位： mm)

关于钢箱梁边跨压重一般有两种方式可供选择,一是设置搭板将压重块支撑于底板U肋[14],二是设置挡板灌注混凝土压重[15],考虑到灌注压重混凝土能与焊钉共同作用,对结构抗疲劳性能、支座局部承压及整体稳定性都有较大提高,故本桥采用灌注混凝土的方式对边跨进行压重。

3.2.3 钢混结合段

给合段是混合梁斜拉桥受力的关键部分,特别是接头位置要求能流畅传递各种荷载效应,必须具有良好的抗疲劳性和耐久性。综合考虑混凝土梁施工架设难度、通航要求、主梁受力、主梁不平衡弯曲应变能最小原则及梁塔刚度等各类因素[16],比选了混凝土梁伸入主跨23，27，39，51 m不同方案的各类评估指标,综合分析,确定钢混结合面设于主跨距桥塔处27 m位置处。

本桥结合段采用阶梯状填充混凝土前后承压板式钢-混凝土接头。整个结合段长13.05 m,包含3 m顶底腹板变厚混凝土箱梁过渡段、2 m混凝土横梁、4.05 m顶底腹板变厚钢混过渡段、4 m顶底板V(U)肋变高T肋钢箱梁过渡段共4部分。结合点设置在2 m厚的横梁处,两侧梁体通过实心梁段传力,其中4.05 m钢混过渡段采用阶梯状混凝土填充前后承压板式接头,通过将结合段钢箱梁的顶板、底板、腹板、隔板和端承压板之间围封组成钢格室,与混凝土箱梁顶板、底板和腹板平顺过渡,同时PBL剪力键、纵向预应力索及钢格室顶底板剪力钉保证了力的可靠传递和扩散。钢-混结合段及钢箱梁刚度过渡段的顶板、底板、中纵腹板、T形加劲肋板厚均为28 mm,边腹板厚度30 mm。钢混结合段构造如图6所示。

整个钢混结合段加工成整体,起吊后在支架上安装固定。为方便混凝土浇筑及自由流动,结合段钢格室顶板开设浇筑孔,隔板设置连通孔；为确保连接可靠,钢格室箱体内侧钢板设穿孔钢筋及搭焊钢筋与混凝土梁内钢筋连成整体。

图6 钢混结合段构造图(单位： mm)

3.3 斜拉索

斜拉索材料为镀锌平行钢丝拉索,空间双索面体系,采用梁端锚固、塔端张拉的方式,全桥共42对斜拉索。斜拉索梁上间距为6～12 m,塔上间距为1.7～4.63 m,单索最长277.3 m,最大规格为PES(C)7-199,质量约9.2 t。根据不同索力,斜拉索规格分别为PES(C)7-109、121、127、139、151、163、199共7种。

3.4 索梁锚固

斜拉索与混凝土箱梁采用齿块连接,与钢箱梁采用锚拉板连接[17-18],锚拉板倾角与拉索保持一致,考虑拉索非线性垂度影响,纵向倾角最小为26.69°,最大为74.32°,横向倾角从2.45°变化至3.68°。纵向倾角通过保持锚拉板与主梁水平角度适应拉索索形来调整,横向角度通过在钢箱梁顶板上方设置对接双面坡口熔透焊来调整。

3.5 索塔锚固

索塔锚固采用内置型钢锚箱形式,钢锚箱共20节,每节钢锚箱高1.83～5.6 m,钢锚箱节段之间采用高强螺栓连接,钢锚箱最下端支撑锚固在混凝土底座上。钢锚箱由侧面拉板、端部承压板、腹板、锚板、锚垫板、横隔板、连接板、加劲肋等构件组成[19-21],其中侧面拉板主要承担斜拉索水平拉力,板厚40 mm,表面设置竖向人孔,为增强钢锚箱的竖向稳定性,侧面拉板外侧焊有竖向加劲肋；承压板与混凝土塔壁相连,表面焊有剪力钉；索力通过腹板传递至竖向拉板上,高度随斜拉索角度不同而变化,腹板两侧焊有加劲肋；侧面拉板之间设置横隔板,为厚度16 mm带肋钢板,上面开有人孔,在斜拉索张拉时作为施工平台使用。

4 主桥结构计算

本桥结构计算主要分为3个层次：第一层次为建立空间杆系单元模型对结构整体进行计算分析,求得位移、反力、理想成桥索力等总体计算结果；第二层次为对混凝土梁、钢箱梁、桥塔等构件进行纵横向实体计算分析；第三层次为建立全桥实体模型,对总体计算结果进行复核。

采用有限元软件按施工阶段计算结构各截面内力、应力和位移。计算荷载包括恒载、列车活载、混凝土收缩徐变、预应力、温度变化、风载、列车制动力、支座沉降等荷载,同时考虑了斜拉索非线性及桩-土相互作用等要素。

主桥结构计算主要结论如下。

(1)基于多套程序相互校核计算,归总并对比结构刚度结果如表1所示,根据刚度计算结果可知,各程序计算结果比较接近,均满足刚度要求。

表1 结构刚度条件(计冲刷)

(2)主塔在主力工况作用下混凝土正截面最大压应力为10.89 MPa,主附工况作用下最大压应力为15.44 MPa。主塔钢筋拉应力、混凝土主拉应力和裂缝宽度均小于规范规定数值,相关验算均满足规范要求。

(3)主力组合和主加附组合作用下,混凝土主梁最大主压应力分别为14.2 MPa和16.28 MPa,斜截面最小主拉应力分别为-0.36 MPa和-0.43 MPa；运营阶段钢箱梁主力下上缘最大应力为94.5 MPa,下缘最大应力为133 MPa,主加附作用下上缘最大应力为116 MPa,下缘最大应力为145 MPa。钢箱梁的较大疲劳应力幅主要出现在边腹板与钢锚箱交接处和横隔板过焊孔与U/V肋交接处,应力幅均在99 MPa以内。

(4)断索工况下斜拉索最小强度安全系数为2.48,悬臂施工下最小值为2.25,最大值为7.65,均满足施工阶段受力要求,斜拉索疲劳活载应力幅介于44～130 MPa,满足疲劳要求。

(5)通过对本桥动力特性及风—车—桥系统耦合振动计算结果进行分析,得出当桥面平均风速不超过25 m/s时,货物列车以50～80 km/h速度行驶所得各指标均可满足列车行车安全性和桥梁安全性要求；该桥最大单悬臂施工阶段和成桥阶段颤振稳定性指数均小于2.5,跨中竖向抖振位移响应根方差为0.039 m；设计地震作用与罕遇地震作用下主桥墩柱、桥塔及桩基础均满足预期性能目标要求。

5 桥梁技术创新

考虑到建造铁路大跨度混合梁斜拉桥面临着荷载重、疲劳活载大、动力性能及刚度要求高等诸多难题,故该桥设计时主要在以下桥梁技术方面实现了一定的创新。

(1)单线大跨度铁路斜拉桥中首次创新采用了独塔形式,确定了非对称单线铁路独塔斜拉桥体系梁、塔、索等构件关键设计参数及其力学性能之间的关系。

(2)创新采用了铁路桥梁钢混结合段梯形填充混凝土构造技术,解决了结合段在重载作用下刚度平稳过渡的技术难题,确保了结构传力可靠性及行车安全性。

(3)大跨度铁路桥梁中首次创新采用了剪压承载式锚拉板的索梁锚固形式,通过对结构增设承压板来改变传统锚拉板焊缝受剪的单一传力方式,使得结构的安全冗余度更高。

(4)创新采用了加厚加高型V肋的铁路钢箱梁加劲肋形式,减小了圆弧形过焊孔面积,与面积、惯性矩相等的常规U肋相比,V肋降低了疲劳敏感点的应力幅,提高了横隔板的竖向支撑刚度。

6 结语

岳口汉江特大桥设计技术复杂,施工难度大,是目前国内货运单线铁路跨度最大的钢混结合梁独塔斜拉桥,其中锚拉板的索梁锚固形式在铁路梁上也是首次采用。该桥设计中所采用的大跨铁路钢混结合段构造连接技术、铁路索梁锚拉板设计构造技术及主桥结构设计关键参数取值，可为同类型大跨度斜拉桥建设提供参考。该桥已于2018年12月通车运营,该桥建成后一定程度上弥补了长江经济带综合运输网的交通短板,对完善江汉铁路货运系统,服务“一带一路”的综合物流大动脉具有重要作用。