某拱承斜拉桥设计方案探讨

王 聪 曾永平

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

1 工程概况

某高速铁路跨越深汕西高速公路，线路与高速公路夹角为26°。桥址处高速公路为路堑段，现状为双向四车道(正宽29 m)，沥青路面，深汕西高速公路后期规划为双向八车道(宽44 m)，净空不小于6.0 m。

主桥采用(32+160+32)m双线铁路拱承斜拉桥上跨深汕西高速公路，斜拉桥桥塔、桥墩整体采用拱式结构横跨既有高速公路两侧[1]。

主要技术标准为：

(1)设计速度目标值350 km/h。

(2)双线，线间距为5 m。

(3)设计活载为ZK活载。

(4)轨道类型为CRTSⅠ型双块式无砟轨道。

(5)主桥纵向位于平坡上，平面位于直线上。

2 主桥原设计方案

2.1 总体设计

主桥跨度为(32+160+32) m拱塔斜拉桥，主跨采用全飘浮体系，设辅助墩，辅助墩和边墩上设支座，纵向固定支座设在大里程侧辅助墩上，横向固定支座与简支梁部分统一设在线路左侧。主桥长225.5 m(含两侧梁端至支座中心线各0.75 m)，含梁缝全长225.8 m，主桥总布置如图1所示。

图1 主桥总布置示意图(cm)

2.2 主梁构造及桥面布置

主梁采用纵肋倒置式钢混组合桥面板，桥面宽15.9 m，中心线处梁高3.4 m(钢梁底面至混凝土板顶)。

钢桥面板厚10 mm(墩顶附近部分节段加厚至14 mm)，底板厚16 mm(墩顶附近部分节段加厚至20 mm)，腹板厚16 mm(墩顶附近部分节段加厚至24 mm)。桥面板加劲肋采用板肋，宽80 mm，厚 8 mm，间距400 mm，底板和腹板加劲肋采用板肋，宽160 mm，厚16 mm，间距500 mm。横隔板标准间距3.0 m，板厚16 mm墩顶及跨中加厚至20 mm。桥面布置如图2所示。

两侧边箱梁由工厂加工完成后运至现场，与横隔梁腹板通过高强螺栓连接；顶底板现场焊接，形成钢梁节段后，采用步履式顶推施工到位。

主桥支座横向设于两侧钢锚箱底部中心处，横向间距14.2 m。

2.3 桥塔构造

桥塔采用拱型结构，塔底以上桥塔高55 m，桥面以上塔高44.5 m，桥面以下塔高10.5 m。

拱轴线线型采用二次抛物线，截面采用等高等宽箱型截面，截面尺寸为4 m(顺桥向)×4.5 m(横桥向)，板厚为20～28 mm，加劲肋采用板肋，宽160～200 mm，厚16～20 mm，间距500 mm，桥塔断面如图3所示。

2.4 斜拉索

斜拉索采用抗拉标准强度 1 860 MPa镀锌平行钢丝拉索，空间双索面体系，辐射形布置，全桥共设13对斜拉索，梁上索距12 m。

图2 结合梁桥面布置示意图(mm)

图3 桥塔标准断面示意图(mm)

索塔及索梁锚固采用钢锚箱方式锚固，张拉端设置在主梁侧；斜拉索在梁端均设外置式阻尼器以抑制风雨振，并在其下端2.5 m范围内外包不锈钢管。

2.5 下部构造

桥塔承台尺寸为12 m×12 m，厚4.5 m，设3 m高塔座。基础采用扩大基础。

辅助墩及连接墩均采用实体墩，墩高5～14 m，厚2.5 m，小里程端连接墩及辅助墩采用钻孔桩基础，大里程端均为扩大基础。

2.6 施工方案

桥梁主要施工步骤为：①桥塔采用履带吊车，逐段吊装施工；②在施工平台组拼钢加劲肋及钢导梁，采用步履式逐段顶推施工；③绑扎桥面板钢筋，按设计要求分段现浇混凝土桥面板；④挂索(不张拉)；⑤拆除临时支墩及大临措施；⑥上二恒及附属工程；⑦调整索力、主梁和桥塔线形；⑧安装斜拉索减振设施，主梁及桥塔钢结构涂装整修；⑨联调联试及交付运营。

3 设计方案存在问题及优化建议

3.1 主跨跨中残余徐变上拱问题

根据TB 10621-2014《高速铁路设计规范》、TB 10002-2017《铁路桥涵设计规范》要求，桥面附属设施宜在轨道铺设前完成。轨道铺设完成后，跨度大于50 m的无砟桥面，竖向变形不应大于L/5 000且不大于20 mm[2-3]。上述规定是对梁部残余徐变变形作出的限制，且主要针对预应力混凝土结构，但实质上是借此控制桥上轨道结构铺设完成后梁体的竖向变形量，以确保高速铁路线路的平顺性，因此规定的“残余徐变变形”限值也可拓展至钢梁、结合梁等结构。

本桥二恒施工完毕后，主梁跨中梁部残余徐变上拱值计算结果如表1所示[4]。从表中可以看出，最大残余徐变上拱度为455.4 mm，远远超过规范20 mm的限值不满足规范要求。其主要原因是由于斜拉索初拉力较小(只挂索，未张拉，初拉力基本为零)，调整索力阶段补张幅度较大，二次补张力占补张后总索力的比例过高所引起。

表1 主跨跨中梁部残余徐变上拱计算表

主梁的残余徐变上拱变形应自轨道结构施工完成即开始计算，若此期间有调索所引起的梁部竖向变形或其它弹性变形，也应计入“残余徐变变形”。因张拉斜拉索期间，梁部竖向位移较大，为减少竖向变形对无砟轨道铺设、调整的影响，降低现场施工测量、定位的难度，建议无砟轨道部分二恒应待斜拉索张拉完成后再行施工(斜拉索张拉完毕后，因混凝土残余徐变所引起的主梁跨中上拱度最大仅8.0 mm)。

3.2 梁端钢轨横向相对位移超限问题

根据TB 10621-2014《高速铁路设计规范》要求，无砟轨道桥梁相邻梁端两侧的钢轨支点横向相对位移不应大于1 mm[2]。

桥位处1月平均气温14 ℃左右，7月平均气温28 ℃左右；极端最低气温-3 ℃，极端最高气温 40 ℃。据此计算横向位移时，混凝土结构的温差可取±12 ℃，钢梁的温差可取±23 ℃(无砟轨道横向的锁定温度按17 ℃～20 ℃控制)。

原施工方案中，支座横向设于两侧钢锚箱底部中心处，横向间距14.2 m，横向固定支座设于左线侧。则右线外侧钢轨距横向温度零点的距离为10.318 m，温度作用下最外侧钢轨横向变形为±2.800 mm。小里程侧32 m预应力混凝土简支梁对应钢轨处距横向温度零点的距离为5.468 m，温度作用下横向变形为±0.656 mm。由此计算可得该梁缝两侧钢轨处的横向位移差为2.144 mm，大于规范1 mm的限值，不满足规范要求。

为保障轨道结构安全，优化支座设计，解决梁端两侧钢轨横向相对位移超限，建议在主梁底部的横向中心设置剪力卡榫(只约束横向位移)，将横向固定支座设在主梁横向中心。此时，梁上两线最外侧钢轨距温度零点的距离均为3.218 m，温度作用下最外侧钢轨的横向变形为±0.873 mm；简支梁靠近横向固定支座一侧的最外侧轨道的温度跨度为0.968 m，对应温度作用下的横向变形为±0.097 mm；此时，梁端两侧的横向相对位移为0.970 mm，小于规范1 mm的限值，满足规范要求。

3.3 桥塔高强螺栓延迟断裂的隐患问题

本桥桥塔垂直于主梁布置，施工问题中采用等宽矩型截面。桥塔利用大吨位履带吊逐段吊装拼接施工，拱顶节段长约6.17 m，其余节段长8～9.0 m，节段间采用“端面金属接触+摩擦型高强度螺栓连接(HTB)”并用接头。桥上正线限界上方共有4道高强螺栓连接面。从目前铁路钢梁运营情况来看，高强螺栓的延迟断裂现象较为普遍[5-6]，对下方的铁路运营存在较大的安全隐患。

建议调整桥塔分段，确保桥上正线建筑限界的竖直范围(总宽9.88 m)内无拱圈接头，以避免高强螺栓延迟断裂对列车运营的不利影响。

在场地吊装能力(节段最大吊高约60 m)和施工运输条件限制，无法调整桥塔分段避开正线限界区域的情况下应采用全焊连接以彻底解决该隐患。

4 结论

(1)斜拉桥及索加劲连续梁/刚构的梁部一般竖向刚度较小，若施工期间存在二次调索，且调索幅度较大，则调索阶段梁部的竖向变形将远大于混凝土收缩徐变变形(如赣深铁路某四线索加劲连续刚构，主跨跨中部分斜拉索初拉力为 6 000 kN，二次调索后索力为 9 150 kN，调索幅度约1.53，调索期间梁部竖向变形160 mm，由混凝土收缩徐变产生的竖向变形仅为-8.0 mm(变形以向上为正)[7])。因此，为满足轨道结构的铺设要求，推荐先调索再铺设轨道结构[8-9]，否则应重点核查主梁的残余徐变变形值。

(2)对于无砟轨道结构，梁端钢轨的横向相对位移主要取决于梁缝两侧梁体横向固定支座(即横向温度零点)的间距以及梁体的材料差异。对于单线或双线混凝土桥梁，若横向固定支座位于同一侧，则横向相对位移基本不控制设计。对于多线桥梁，远离横向固定支座侧的无砟轨道梁端相对变形控制设计。当梁缝两侧的梁体分别为钢结构和混凝土结构时，由于钢材的线膨胀系数比混凝土大18%，且钢材的温度变化幅度远大于混凝土结构，应重点核查梁端相对变形。