郭 飞 唐 波 刘振标 任 征 郭远航

(1.中国铁路广州局集团有限公司 广东广州 510088；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063)

1 工程概况

新建广汕高速铁路增江特大桥位于广州市增城区石滩镇，为广汕高速铁路重、难点控制工程。大桥采用260 m主跨跨越增江主航道，航道规划等级为Ⅲ级，主桥轴线与水流方向夹角约45°。增江特大桥主桥孔跨布置为(48＋84＋260＋84＋48)m，创新采用大跨度节段预制拼装混凝土斜拉桥桥式(如图1所示)，具有梁段工厂预制质量稳定可控、存梁一定周期可有效改善主梁后期徐变变形、适应高速铁路运营要求、施工方便快捷、后期维养工作量少等优点[1]。

图1 增江特大桥主桥桥式布置(单位:m)

2 主要技术标准

(1)铁路等级:高速铁路；

(2)线路情况:双线、有砟轨道；

(3)线路条件:平面为直线、立面为±6‰双向对称人字坡；

(4)线间距:5.0 m；

(5)速度目标值:250 km/h；

(6)设计活载:ZK活载；

(7)通航:规划内河Ⅲ级航道，桥塔防撞标准按1 000 t内河货船设计；

(8)抗震设防标准:按地震基本烈度7度设防。

3 结构设计

大跨度混凝土斜拉桥在公路市政工程中应用广泛，但在高速铁路建设项目中尚未采用过，主要原因是混凝土梁的后期徐变变形值较大，难以满足高速列车行车对主梁线形的要求[2]。增江特大桥主桥是国内、外首座采用节段预制拼装施工工法的高速铁路大跨度混凝土斜拉桥。结合高铁铁路运营需求，大桥与公路节段预制拼装混凝土斜拉桥相比存在铁路二期恒载及列车活载大、主梁需求刚度大、线形控制要求高等特点。因此，大桥的总体结构设计须重点关注承载能力、主梁刚度，尤其是主梁线形控制等因素[3－4]，其结构设计与公路节段预制拼装混凝土斜拉桥具有较大差异。

3.1 结构支承体系

合理选择结构的支承约束体系，可以减小结构各构件的内力及动力响应，提高结构设计的经济合理性[5－6]。为对比采用不同的支承约束体系对大桥受力、线形的影响，分别计算分析了桥塔处设固定支座、辅助墩处设固定支座和连接墩、辅助墩处均设置固定支座三种不同支承体系下的大桥受力状态。

通过计算分析比较发现:在连接墩和辅助墩处设置固定支座，限制主梁的轴向位移，可有效抑制主梁的轴向压缩变形和拉索索力的降低，进而减小收缩徐变效应。若在辅助墩处设置固定支座，30年主梁的收缩徐变变形会减小了25.3%；若在边墩和辅助墩处均设置固定支座，收缩徐变变形可减小46.5%。

主梁约束体系对抑制混凝土斜拉桥的收缩徐变效应是十分有效的，但其可应用性较低，原因有两点:(1)辅助墩和边墩处的固定支座需要承受巨大的水平力，在主＋附工况下，单个固定支座的最大水平力达到42 721～48 232 kN，设计建造这样的支座和桥墩需要花费巨大的代价；(2)设置固定支座对桥梁抗震性能、温度效应作用下的力学性能均有不利影响。因此，本桥支承体系设计采用了斜拉桥常用的半漂浮体系。

3.2 主塔结构

增加斜拉桥桥塔高度可以改善斜拉索角度，降低主梁轴向力和轴向压应力，减小运营阶段内收缩徐变引起的主梁竖向变形[7－8]。对三种不同桥面以上塔高的计算结果汇总如表1所示。

表1 不同塔高情况下主梁后期徐变变形情况

从表1中数据可以看出，增加塔高可改善大桥竖向刚度和主梁后期徐变变形，但效果并不明显，相应会增加斜拉索索长、桥塔及其基础工程量，从而影响结构设计的经济合理性。因此，本桥设计采用桥面以上塔高为70 m。

3.3 斜拉索

混凝土斜拉桥主梁因自重大，斜拉索梁上间距一般采用范围为6～12 m。本桥由于采用预制节段拼装技术，如索间距较大则梁段分节较长、自重较大，而不利于其悬拼施工；如索间距较小则会增加预制节段和斜拉索数量，影响施工工期，经济性亦较低。综合考虑体系受力、刚度条件、经济性能、施工简便等因素，本桥梁上索间距采用8 m，预制节段标准长度为4 m，标准梁重控制在约180 t。

为改善主梁后期徐变变形，推荐采用抗拉强度更高的斜拉索。在索力和拉索安全系数一定时，抗拉强度更高的斜拉索横截面积更小，运营阶段的拉索索力减小幅度低。理论分析如下:

假设斜拉索索长为l，横截面积为A，张拉时塔端锚固点的拔出量为l1，则塔端的斜拉索力为:

若运营期内斜拉索两端锚固点的距离变化量为Δl，则此时斜拉索索力为:

两式相减可得拉索索力变化量为:

(注:以上公式均为理想情况，未考虑垂度修正)

由上式可以看出，针对给定的Δl值，斜拉索的横截面积越小，拉索索力降低也就越少，桥塔向中跨侧偏移量变小，主梁徐变下挠变形减小[9－10]。

经计算分析，其他条件不变的情况下，相较1 860 MPa的斜拉索，如采用1 960 MPa的斜拉索可使得本桥运营3年后主梁最大徐变变形值由24.0 mm减小至19.5 mm。因此，采用高强度的斜拉索对改善主梁后期徐变变形有较为明显的作用。

3.4 主梁截面

铁路桥梁由于需要有较大的刚度满足列车运营需求，主梁结构多采用刚度和整体性更好的闭口箱形截面[11]。本桥主梁采用带翼缘板单箱三室四边腹板箱梁截面，受力形式同为双边主梁。箱梁总宽14.2 m，中心处梁高4.0 m；斜拉索锚固于箱梁两侧边室内，横向间距为10.9 m。如图2所示。

图2 主梁典型截面布置(单位:cm)

综合考虑斜拉索间距、梁段自重、节段类型及方便施工等因素，按预制节段标准长度4 m对主梁进行划分。全桥共划分为132个预制节段和1个跨中合龙现浇梁段，除桥塔支座处A0节段及连接墩墩顶A33节段分别为2.6 m和3.5 m长度外，其余节段均为4 m标准节段，即尽量减少了非标准节段数量、匹配斜拉索锚固间距，又能控制中跨悬拼节段自重约为180 t。

为满足斜拉桥边跨压重需求，设计应用加厚部分边跨主梁截面结构尺寸和支点处集中配置压重混凝土相结合的方式，优化结构设计。为方便预制施工，主梁边跨加厚截面和标准截面的外形及斜拉索锚固边室室内结构尺寸一致，仅对中室的顶底板进行加厚。同时，为减小辅助墩及连接墩墩顶A21和A33节段自重，其横隔板采用拼装完成后二次浇筑施工，降低了设备吊重要求。

结合大桥工点地形条件，经比选研究，采用先在支架上拼装施工边跨节段，再悬臂拼装中跨节段直至跨中合龙的主梁施工方案。相较主梁对称悬臂拼装施工方案，可减少悬拼作业面、避免边跨加厚节段与中跨节段自重不平衡施工、施工难度低，同时又利用了边跨地形便于搭设支架的有利条件，减少了边跨主梁施工周期；相较边跨主梁现浇施工方案，边跨支架数量没有增加，且充分利用已有预制梁场制梁，即提升了边跨主梁制梁质量，又绿色环保、方便施工，节省梁体现浇所需设备、设施配置。同时，边跨预制节段可存放于边跨拼装支架上，可节省节段梁存放场地面积，还能对边跨支架施加长期压力以稳定支架变形，利于保证边跨节段拼装施工线形。

3.5 主梁预应力

结合高速铁路大跨度节段预制拼装混凝土斜拉桥主桥受力、施工特点及需求，按照预应力束功能区分，经研究分析采用了预应力精轧螺纹钢筋、预应力钢绞线、体内和体外布束相结合的混合布束体系[12]，既满足主梁受力、施工方便需求，又能充分发挥预应力高强螺纹钢筋和钢绞线的各自优势性能，改善主梁受力和耐久性能。主梁纵向预应力束按功能分为四类(如图3所示):

图3 主梁跨中截面预应力布置(单位:cm)

(1)预制节段梁拼装施工临时张拉纵向预应力。采用φ50 mm的PSB980预应力精轧螺纹钢筋，满足预制节段梁拼装施工时胶体挤压、凝固所需0.35～0.45 MPa梁体截面均匀压应力的要求，施工方便快捷。

(2)预制节段梁拼装施工张拉永久纵向预应力。采用φ50 mm的PSB980预应力精轧螺纹钢筋，连接器及锚具构造尺寸小、施工快捷方便、回缩值小适用于短距离预应力束等特性适应于节段梁拼装施工过程。

(3)体内纵向预应力钢绞线。采用预应力钢绞线，其抗拉强度高、预应力效益大、预应力索形可弯曲调整，应用于主梁截面局部应力调整。

(4)备用体外纵向预应力钢绞线。利用主梁横隔板构造，在中跨范围内设置环氧钢绞线体外索备用张拉齿块、转向装置预埋件等，预留大桥运营后主梁补张拉预应力条件，作为主梁线形后期调整备用措施。

4 结论

不同于公路市政桥梁，高速铁路大跨度节段预制拼装混凝土斜拉桥结构设计要点在于大桥刚度、线形控制需满足高速铁路列车运营要求，因此其结构设计关键技术主要有以下几点:

(1)通过改变结构支承体系可有效控制主梁线形，但受限于较大影响结构受力性能，该方法适用性低。

(2)桥塔塔高变化对大桥竖向刚度和主梁后期徐变变形改善有限，其结构设计应以满足构造需求和受力性能为要。

(3)采用高强度的斜拉索对改善主梁后期徐变变形有较为明显的效果，因此斜拉索设计应尽量采用更高强度的斜拉索。

(4)主梁预应力设计采用混合布束体系，能充分发挥预应力高强螺纹钢筋和钢绞线的各自优势性能，方便节段预制拼装施工，满足主梁受力及耐久性能需求。

目前，广汕铁路增江特大桥主桥正在建设过程中，实际施工过程已做到1～2 d完成一节梁段的拼装施工，相较挂篮浇筑施工具有明显的工期优势。