池黄高速铁路大跨度多塔矮塔斜拉桥总体设计

陈怀智 张欣欣

中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070

高速铁路修建跨度200 m 桥梁时混凝土桥是优先考虑的桥型。常用桥式主要有连续刚构、梁-拱组合结构、矮塔斜拉桥等。连续刚构结构简单，投资节约，但跨越能力受限，一般不超过200 m。连续梁（刚构）-拱组合桥受力特点是自重由梁体承担，主跨的二期恒载和活载由梁和加劲拱共同承担，拱对结构的加劲作用大大提高了梁体的竖向刚度。矮塔斜拉桥在自重作用下，拉索的主动索力可以平衡大部分荷载，二期恒载、活载等后期荷载由拉索和主梁共同承担，矮塔斜拉桥具有建造较经济、造型美观、整体刚度大等优点［1-2］。目前，梁-拱组合结构、矮塔斜拉桥是200 ～250 m 跨度高速铁路混凝土桥梁的常用桥型。本文以池黄铁路太平湖特大桥主桥为研究对象，针对库区深水及水位变动特点和基础覆盖层薄、长联结构次内力突出等问题，从桥梁选型、总体设计、结构体系优化、施工方案等方面进行研究，以期解决高速铁路深水大跨桥梁长联结构选型及设计施工问题。

1 工程概况与主要技术标准

新建池黄铁路位于安徽省南部山区，途经两山（九华山、黄山）一湖（太平湖）并于黄山市黄山区境内自北向南跨越太平湖下游。库区百年一遇设计水位120.65 m，常水位110 m，常水位时水面宽720 m。太平湖常年通航，定级Ⅵ级航道，通航限界要求为40 m（宽）×6.0 m（高）。最高通航水位117.15 m。

桥址位于构造低山区，属黄山衍生山体。地层岩性主要有：第四系全新统种植土、黏性土，上更新统坡残积黏性土、砾砂、碎石土、卵石土及泥盆系五通组石英砂岩、砂岩和砂质页岩。场地抗震设防烈度为6度，地震动峰值加速度为0.05g，特征周期为0.25 s。

池黄铁路为设计行车速度350 km∕h 高速铁路；正线数目为双线；线间距5.0 m；线路平面为直线；纵坡为1‰；设计活载为ZK活载。

2 桥式方案选择

2.1 控制因素

①水深。该桥处于典型深水库区，常水位水深达35～40 m，基础施工难度及风险大。②通航。该处船只数量多，航迹线紊乱，船撞风险高。③环保与景观。太平湖为Ⅱ类水源保护区，须要充分考虑与“两山一湖”的协调性，设计应采用更为轻量化的大跨度桥梁跨越，尽量减少施工对水体的影响。

2.2 主跨和桥型

由于通航净宽不受限制，跨度采用32 m 以上即可满足，但桥址处湖面宽约720 m，且水深较深，应尽量减少水中墩个数，以减少下部结构工程费用和施工周期。同时采用混凝土主梁，减少养护工作量。基于技术可靠、经济合理、施工方便、造型美观的原则，为满足无砟轨道铺设要求，对比（48 + 118 + 2 ×228 + 118 + 48）m 矮塔斜拉桥（方案Ⅰ）、（118 + 2 ×228 + 118）m 连续刚构拱桥（方案Ⅱ）、（70 + 4 ×150 +70）m 连续刚构桥（方案Ⅲ）三种方案。由于不同桥型主边跨长度配比不同，主桥长分别为788、692、740 m，两侧配跨采用24 m 或32 m 简支梁，特大桥总长约920 m，桥梁立面布置见图1。桥型方案对比见表1。

图1 三种方案桥梁立面布置（单位：m）

表1 桥型方案对比

根据铁路大跨度混凝土梁修建经验，跨度在180～220 m 时连续刚构桥最经济，其次为部分斜拉桥，连续刚构拱桥的造价最高。跨度在220～275 m 时部分斜拉桥比连续刚构拱桥的造价低，且随跨度增加优势更明显。由表1可知：三种方案均能满足功能要求，方案Ⅱ需要施工完连续刚构后再安装拱肋，施工工期长、施工难度大，且造价高；方案Ⅲ深水基础数量多，景观较差。方案Ⅰ主梁采用悬臂施工，斜拉索作为主梁加劲与主梁同步施工，可承担主梁施工阶段和成桥阶段的荷载，有效降低主梁结构高度，经济性较好，结构刚度大，因此采用方案Ⅰ。

3 结构体系

多塔矮塔斜拉桥常用的结构体系主要有四种［3］：①塔墩梁固结体系。可视其为主梁具有多点弹性支撑的刚构，结构刚度大，避免设置大吨位支座，施工时不需要临时固结措施，但不能释放体系温度力。②塔梁固结、塔墩分离体系。可视其为主梁具有弹性支撑的连续梁，用桥墩代替承受较大弯矩的桥塔下塔柱部分，结构的体系温度力能得到有效释放。③半漂浮体系。该体系塔墩固结，主梁在塔墩横梁上设置竖向支撑，支座均为活动支座，主梁纵向无固定约束。④中塔固结、边塔支撑体系，即为中塔采用塔墩梁固结，边塔塔梁固结，墩上设置竖向支撑，在纵向固定约束的情况下，可以释放体系温度力。

为有效控制高速铁路大跨度结构桥梁梁端转角，分析外伸跨对主梁竖向刚度和梁端转角的影响。不同结构体系矮塔斜拉桥主梁结构变形和承台底纵桥向弯矩分别见表2、表3。

表2 不同结构体系矮塔斜拉桥主梁结构变形

表3 不同结构体系矮塔斜拉桥承台底纵桥向弯矩

由表2 可知，四种结构体系中塔墩梁固结体系结构刚度最大。不设置外伸跨时，塔梁固结、塔墩分离体系和半漂浮体系结构的梁端转角大于1‰rad，不满足TB 10621—2014《高速铁路设计规范》要求，仅塔墩梁固结体系梁端转角满足规范。设置外伸跨后，各个体系主梁静活载挠度相差不超过10%。然而，梁端转角计算值差别较大，对于中塔固结、边塔支撑体系，梁端转角从1.35‰降低至0.22‰。因此，边跨设置一定长度的外伸跨对主梁竖向挠度影响不大，但可以大幅改善梁端转角，满足高速铁路行车要求。

由表3可知：虽然塔墩梁固结体系结构刚度较大，但在主力、主力+附加力作用下，中塔、边塔承台底弯矩较大，受收缩徐变、温度等附加力累加影响边塔承台底弯矩更大。该桥自由桩较长，经计算分析桩基受力不合理，故不能采用塔墩梁固结体系。

由于方案6—方案8中梁端转角均满足规范要求，但方案8 竖向刚度最大，方案6 比方案8 多设置1 处支座，方案7 无纵向约束，主梁纵向位移大，对轨道结构不利。综合静活载挠跨比、桥塔和基础弯矩等因素，推荐采用方案8。该体系静活载挠跨比相对较大，下部结构受力更合理，设置外伸跨后可以满足梁端转角的要求。

4 结构设计

4.1 构造设计

1）主梁

主梁截面为单箱双室直腹板截面，中支点和跨中梁高为 12.0、6.0 m，分别为主跨的 1∕19 和1∕38，梁底下缘按二次抛物线变化。箱梁顶宽14.1 m，底宽11.5 m，中支点处局部变宽为18.1 m。顶板厚50 cm，腹板厚为50、60、90 cm，底板厚由跨中的45 cm 按抛物线变化至中支点的120 cm，中支点局部加厚至250 cm。主梁横截面见图2。

图2 主梁横截面（单位：cm）

全桥共设9 道横隔梁，边中塔支点处横隔梁厚7 m，次边墩支点处横隔梁厚2 m。中塔支座横桥向中心距为8.5 m，边墩及次边墩支座横桥向中心距为9.3 m。

斜拉索锚固于腹板外侧，锚固区设1 道宽0.8 m、高1.8 m的锚固横梁。

2）桥塔

三个桥塔均采用直立式桥塔。桥面以上塔高47.2 m，最上排斜拉索理论锚固点距离桥面35 m。塔柱采用矩形截面。横桥向宽2.6 m，桥面以上20 m 范围内纵桥向塔身宽度圆曲线按5～8 m 变化，内侧设15 cm × 15 cm 切角，外侧设 30 cm × 30 cm 切角，外侧中间部位设置深度为30 cm的凹槽。

3）斜拉索

斜拉索采用单丝涂覆环氧涂层钢绞线，防护采用热挤压HDPE 护套。每个桥塔设置9 对斜拉索，横向双索面布置，塔上索间距为1.2 m，梁上索间距为8 m。斜拉索通过索鞍构造从索塔内通过，两侧对称锚固于梁体。斜拉索规格有AT-55、AT-61、AT-73、AT-91，抗拉强度标准值均为1 860 MPa。

4）桥墩与基础

中塔下部为刚构墩，尺寸为15.4 m（横桥向）×6.5 m（纵桥向）×18.0 m（高），承台尺寸为29.0 m×17.0 m×6.5 m。基础采用15 根直径3.0 m 的钻孔灌注桩，按柱桩设计。

边塔下部为矩形实体墩，尺寸为15.4 m（横桥向）×6.5 m（纵桥向）×16.5 m（高），承台尺寸为23.0 m× 17.0 m ×6.5 m。基础采用 12 根直径 3.0 m 的钻孔灌注桩，按柱桩设计。

次边墩采用圆端形实体墩，尺寸为13.0 m（横桥向）×4.5 m（纵桥向）×22.0 m（高），承台尺寸为15.4 m×9.0 m×3.0 m。基础采用14 根直径1.5 m 的钻孔灌注桩，按柱桩设计。

边墩采用圆端形实体墩尺寸为14.0 m（横桥向）×4.5 m（纵桥向）×16.0 m（高），承台尺寸为14.6 m×9.4 m×3.0 m。基础采用11根直径1.5 m的钻孔灌注桩，按柱桩设计。

4.2 静力分析

采用MIDAS∕Civil建立模型进行计算分析。主梁、桥塔、中墩、基础均采用梁单元模拟，桩土相互作用采用土弹簧模拟，边塔处主梁支撑采用一般弹性支撑。主梁计算结果见表4。

表4 主梁计算结果

主力作用下斜拉索最大应力为692 MPa；主力+附加力组合作用下斜拉索最大应力为721.3 MPa，最小安全系数为2.58，斜拉索最大应力幅为73.3 MPa。斜拉索承担荷载的比例为12.85%，索梁荷载比为0.147。结合表4可知，主梁刚度、应力和强度，斜拉索应力均满足规范［4-5］要求。

4.3 动力分析

4.3.1 自振特性

前10 阶自振频率及振型特征见表5。可知：①由于边墩采用纵向活动支座，因此全桥纵飘为最早出现的振型。②由于竖向有斜拉索支撑，成桥状态桥梁结构的前10阶振型主梁均未出现扭转，结构竖弯频率与扭转频率均较高，说明主梁竖向刚度与扭转刚度较大，结构稳定性良好。

表5 前10阶自振频率及振型特征

4.3.2 抗震设计

采用非线性时程反应进行抗震分析。主桥在多遇地震作用下结构处于弹性状态，混凝土应力和钢筋应力均满足规范要求。罕遇地震作用下桥墩、桥塔和基础均基本处于弹性状态，桩基强度检算结果见表6。可知，桩基纵桥向和横桥向弯矩均小于等效屈服弯矩，满足GB 50111—2006《铁路工程抗震设计规范》的要求，说明结构设计合理，安全可靠。

表6 罕遇地震组合作用下桩基强度检算结果 kN·m

4.3.3 车桥耦合振动分析

对三塔矮塔斜拉桥进行车桥耦合振动分析。计算CRH380BL 型车通过桥梁时的车桥系统空间动力响应。当列车以250～420 km∕h 的速度单线通行且不考虑桥面附加不平顺时，脱轨系数最大值为0.306，减载率最大值为0.535，车体横向加速度最大值为0.808 m∕s2，车体垂向加速度最大值为 1.2 m∕s2，横向轮轨力最大值为15.59 kN，桥梁垂向加速度最大值为0.097 m∕s2，桥梁横向加速度最大值为 0.039 m∕s2，乘坐舒适度达到良好以上，各项动力性能指标均满足TB 10621—2014要求。

5 施工方案

桥址区北岸以山坡为主，有较多的树木，无通道；桥址南岸有村庄分布，村庄后面为山坡，村庄交通条件较差。根据现场条件，提出全栈桥方案和水上施工两种方案。全栈桥施工方案设置钢栈桥长780 m，宽8 m，3个主塔桥墩设置3 座固定钻孔钢平台。水上施工则在距离桥址约8.6 km 沧溪村设一座码头，水上设置浮式栈桥694 m，3个主塔桥墩设置3 座固定钻孔钢平台。施工方案对比见表7。

表7 施工方案对比

由表7可知：由于库区水位变动较大，采用水上施工方案造价高，施工便利性差，且采用浮式平台和浮式栈桥对施工影响较大。采用全栈桥方案施工工期较长，但施工便利性更好，经济性好。综合比较，采用全栈桥施工方案。目前，现场已按该方案顺利实施。

6 结论

1）多塔部分斜拉桥采用中塔固结、边塔支撑体系，既能保证桥梁整体刚度，又能有效减小收缩徐变和温度力影响，可以有效改善梁墩受力条件。

2）大跨度矮塔斜拉桥通过增设外伸跨的方式减小梁端转角，可以满足高速铁路行车对桥梁的刚度要求。

3）深水库区桥梁方案应充分考虑水中基础施工对工期及造价的影响，综合考虑运输条件，本工程采用全栈桥方案，施工便利性和经济性均较好。