津保铁路矮塔斜拉桥设计关键技术研究

张 海,吴大宏

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 项目背景

以津保铁路子牙河特大桥主桥为研究背景，对铁路矮塔斜拉桥的设计关键技术进行研究。该桥位于天津市，主要为跨越既有西青路及规划西青路而设。津保双线及津保动车线跨越西青道立交桥共有6条铁路线，以两座(84+56+32) m三线铁路曲线矮塔斜拉桥跨越，两座桥里程对应，结构形式相同。该桥设计速度160 km/h，主桥全长172.7 m，桥高30余m。本桥建成之后，将成为我国第一座三线铁路曲线矮塔斜拉桥。如图1所示。

图1 津保矮塔斜拉桥布置(单位：m)

矮塔斜拉桥是国际上一种新型的桥梁结构，是介于刚性的连续梁桥与柔性的斜拉桥之间的一种刚柔相济的桥型。矮塔斜拉桥利用主梁受弯、受压和拉索受拉共同承受荷载[5]。索对主梁起体外预应力的加强作用，当梁体刚度较大，承载力大时，可适当减少斜拉索；当梁体柔弱、承载力较小时，可适当增加斜拉索。矮塔斜拉桥与连续梁相比具有结构新颖、跨越能力大、施工简单、经济等优点；与斜拉桥相比具有施工方便、节省材料、主梁刚度大等优点[1]。

2 结构尺寸

本桥曲线上梁曲梁曲做布置，主梁全长172.4 m，计算跨度(82.85+56+31.55) m，主塔塔、墩、梁固结，梁顶面以上全高20.0 m，采用实心截面。斜拉索横向双索面布置，立面扇形布置，每个索塔设8对斜拉索，塔上索距0.7 m，梁上索距6 m。

箱梁截面采用单箱4室、变截面斜腹板形式。中支点截面梁高6.0 m，跨中等高段梁高3.8 m，梁底下缘按圆曲线变化。箱梁顶宽23 m，底宽跨中等高段18.2 m、中支点16.0 m。全联在端支点、中支点、辅助墩顶、斜拉索锚固点处共设置21个横隔板，以提高主梁截面的横向刚度。主梁采用三向预应力体系：主梁顶、底板及腹板内布置纵向预应力钢束，横梁内设置横向预应力钢束，斜拉索梁上锚固区、主梁边腹板内设置竖向预应力筋。

3 结构关键技术研究

3.1 纵向钢束布置

本桥梁部分析采用桥梁专用软件BSAS建立全桥平面模型对各施工阶段及运营阶段进行计算分析，节点总数120，单元总数135，计算模型见图2。计算荷载包括：恒载(结构自重、二期恒载、混凝土收缩徐变、预应力、基础变位等)、活载(列车活载、摇摆力、牵引或制动力、钢轨力等)、附加力(风力、温度力)、特殊荷载(列车脱轨荷载、运架梁荷载、地震力等)。

图2 全桥平面有限元模型

通过梁部的整体分析，确定合理的结构尺寸及纵向钢束布置是该桥平面分析的要点。本桥纵向钢束布置的关键点位于辅助墩处，辅助墩处的钢束布置根据该桥的受力特点可能采用两种布置形式：方案1，当辅助墩支座沉降0.005 m时，辅助墩处主梁在主力作用下主要承受负弯矩(图3)，钢束宜从梁上部通过；方案2，当辅助墩支座沉降0.01 m时，辅助墩处主梁在主力作用下正弯矩值大于负弯矩值(图4)，钢束宜从梁底部通过。通过计算结果的分析可以看出，辅助墩基础沉降取值是否合理直接影响到钢束的布置方案。为对结构进行合理的分析计算，本桥通过桩基计算，辅助墩基础沉降为0.003 m，远远小于0.01 m，设计时采用基础沉降0.005 m，因而本桥采用纵向钢束从梁上部通过的形式进行布置。

图3 方案1弯矩包络图(单位：kN·m)

图4 方案2弯矩包络图(单位：kN·m)

截面结构尺寸及钢束布置确定后，对桥梁结构进行静力分析，主力及主力+附加力作用下各项计算指标如表1所示，均满足铁路相关规范要求[2]，满足铁路的运行安全要求。

表1 运营阶段主梁计算结果

桥梁结构在静活载及温度荷载的组合作用下的挠度结果如表2所示，也满足结构的刚度要求。

表2 静活载作用下的挠度

3.2 支座布置方案

本桥桥面宽度较大，支座的布置方式对桥梁结构的影响较为明显。方案设计时确定采用2支座体系或3支座体系，如图5所示。为对2支座及3支座体系进行合理选择，本次研究采用有限元软件MIDAS_FEA建立了全桥空间模型[12]，梁部采用板单元，桥墩及桥塔采用梁单元，空间板单元模型如图6所示，其中3支座体系计算结果见表3。

图5 支座布置方案(单位：cm)

图6 空间板单元模型

根据对计算结果的分析，3支座体系每个桥墩上3个支座分配的反力不均匀，在主力工况及恒载情况下，中支座分配的反力比例最大仅为21%。相比而言，两支座体系时2个支座的反力分配基本一致，外支座略大于内支座。对3支座体系还分析了支座间距及梁部弹性模量对支座受力分配的影响，经分析，支座间距对支座反力影响较大，支座间距越大，中支点分配的反力越大；而弹性模量对支座反力分配基本无影响。

表3 三支座作用下竖向支反力

另外，通过对该桥梁部板单元应力云分析，3支座体系仅对优化底板横向应力有一定的效果，对顶底板纵向应力分布及顶板横向应力分布均无明显效果。

根据以上的分析结果确定该桥采用两支座体系。

3.3 塔上锚固方案

桥塔鞍座是矮塔斜拉桥的重要组成部分，索鞍区是矮塔斜拉桥的一个关键传力部位[10]。国内外现有矮塔斜拉桥拉索体系多采用内、外管鞍座结构，拉索整体通过塔上内管后，灌注高强环氧砂浆，利用环氧砂浆的粘结力，增加抗两侧拉索拉力差能力即抗滑力，然后对称锚固于主、边跨上。本桥索鞍采用分丝管形式，每根斜拉索对应1个分丝管索鞍，分丝管为多根的钢管组焊而成，每根分丝管仅穿1根钢绞线，以便于拉索单根张拉及更换，索鞍的斜拉索出口处设置抗滑锚板，以防止成桥后钢绞线滑动。采用分丝技术后，能有效解决拉索张拉后钢绞线间会相互挤压、打绞及环氧砂浆的握裹面积减少，鞍座内受力状况差的问题[5]。根据平面模型的计算结果，该桥的最大不平衡索力为693 kN(主+附作用下)，远小于塔上斜拉索环氧砂浆抗滑移装置设计的2 000 kN不平衡索力抗滑要求，安全系数大于3.0，分丝管索鞍两侧环氧砂浆抗滑移装置具有足够的安全性。

4 细部分析

为更好地分析索梁锚固区及墩底的受力特点，以便指导该桥的施工图设计，利用大型有限元软件MIDAS FEA对这些区域进行了局部应力分析。

4.1 梁上拉索锚固区

斜拉桥索梁锚固结构区域受力集中、构造复杂，是控制设计的关键部位，该部位设计应尽量避免对主梁的削弱，并避免有较大的应力集中[6，11]。本次研究在平面分析基础上选取主跨拉索索力最大的一节箱梁，利用有限元软件MIDAS FEA对索梁锚固区建立空间有限元模型。空间模型取梁段的一半进行计算，约束采用一端固结，侧面约束横桥向位移及扭转的方式。索梁锚固局部分析模型见图7，索梁锚固区第一主应力云图见图8。

图7 索梁锚固局部分析模型

图8 索梁锚固区第一主应力云图

经分析，锚固区在最不利工况下主应力较大的区域位于主梁与齿块的临界区域，其余位置应力可以均匀传递，能够达到传力明确并使强大的集中力迅速分散并变得均匀的目的。另外，根据锚固区的应力分布特点，设计中需对应力集中区域采取钢筋加密、设置防崩钢筋等措施进行加强处理。

4.2 主墩墩底局部分析

本桥主墩设计是一大亮点，桥墩为钢筋混凝土结构，主塔塔、墩、梁固结。塔墩横桥向采用上大下小圆曲线变宽的结构形式，中间镂空，与优美的桥型结合看起来圆润、柔和，更加符合人们的审美观。然而，镂空的桥墩设计使得墩底实体段与镂空段交界处存在较大的横向劈裂力，为对该处进行更加合理的设计，截取墩底以上13.5 m段桥墩进行局部分析，为避免约束方式的影响，在墩底下模拟了承台及5 m长桩长，桩底固结处理。墩底模型见图9，Syy方向应力剖面见图10。

图9 墩底模型

图10 Syy方向应力剖面

通过计算分析，墩底镂空引起拉应力较大区域主要分布在圆弧下0.5 m左右，Syy方向应力为3～4 MPa。为消除该部分拉应力，可采用张拉横向预应力束或采用普通钢筋局部加强的方式进行处理，经分析，因结构截面尺寸较大，张拉横向预应力束不能有效解决横向劈裂力，最终确定采用普通钢筋加强的方式进行处理。

5 结论

结合津保矮塔斜拉桥的设计，提出了矮塔斜拉桥设计的一些设计思路及设计要点。结论如下：(1)矮塔斜拉桥作为一种刚柔并济的桥型，能够满足铁路行车的安全与舒适性要求，桥梁在施工阶段及运营阶段的应力及挠度均能满足相关规范的要求；(2)辅助墩处的纵向钢束布置应根据实际的支座沉降进行计算；(3)桥面较宽时可采用三支座体系或二支座体系，对于本桥从支座的有效利用来讲更适合采用二支座体系；(4)索鞍分丝管技术能有效解决拉索张拉后钢绞线间会相互挤压、打绞及环氧砂浆的握裹面积减少，鞍座内受力状况差的问题，更适用于斜拉桥设计；(5)索梁锚固区受力集中，结构设计需达到传力明确，使强大的集中力迅速分散变得均匀的目的。

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