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第88期高速鐵路四線雙桁大跨斜拉橋設計關鍵技術

2020-6-24 15:42

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【52監測網】第88期高速鐵路四線雙桁大跨斜拉橋設計關鍵技術

52監測網專家報告分享-第88期

高速鐵路四線雙桁大跨斜拉橋設計關鍵技術

文功啟中鐵第五勘察設計院橋梁處副總工程師、教授級高工

一、工程概況

二、主橋設計方案

三、設計關鍵技術

內容簡介

一、工程概況

線路走向

新建杭州經紹興至臺州鐵路，線路起自杭甬客專紹興北站，接入既有甬臺溫客專溫嶺站，全長223.6km。杭紹臺鐵路于DK209+538.920~DK214+793.440 設椒江特大橋，橋梁全長5.3km，橋梁軸線與航道中心線方向的夾角為94° 。

橋址處于臺州中心站與北四線疏解區之間，考慮沿海高鐵橋位，按四線設計。

橋址平面

擬建椒江特大橋位于臺州市，處椒江三江口（椒江、靈江、永寧江三江匯聚）之間略偏東側，東距公路椒江大橋約2.2km，西距永寧江口約3.9km。橋址處河道開闊順直，南巖碼頭較多。橋址上游現有船廠造船能力為1 千～2 萬噸級不等，如中興造船廠、楓葉船業公司的最大造船能力為2萬噸級。

通航航跡線

橋址處河道順直，主河床經治理后趨于穩定。主航道航跡線密集，中間設置橋墩，減少橋梁跨度，250m左右可供選擇的橋式豐富，高鐵行車不限速，工程投資大大減少。但船撞對高鐵行車安全有很大的風險。

通航要求

根據通航論證，主通航孔需480m跨越習慣性航跡線，主通航孔按通航5000t級海輪設計，通航凈空不小于38m。備用通航孔要考慮3000t級海輪航道。

經調查，航空凈高在橋址處對軍、民用航空飛行凈空無影響。

基于上述條件，主橋布置了（84+156+480+156+84）m四線鋼桁斜拉橋，北側引橋部分布置了（72+4x124+72）m四線連續梁。

氣象

臺州地區臨海、臺州、溫嶺地處浙江省東南沿海，屬亞熱帶季風氣候區，氣候溫和，雨量充沛，四季分明。年平均氣溫18.3℃，極端最高氣溫40.1℃，極端最低氣溫-4.5℃，歷年最熱月平均氣溫29.4℃，歷年最冷月平均氣溫6.8℃。年平均濕度74%。最大風速25m/s。

水文

椒江是浙江省第三大水系。工程河段受徑流和海洋潮流共同作用，為感潮河段；設計流速V1/100=1.88m/s，最大潮水位5.64m。

施工水深條件：12.91m

三百年一遇洪峰流量Q0.33%=20047m3/s、百年一遇 Q1%=18669m3/s。百年一遇水位為H1%=5.85m；三百年一遇校核水位H0.33%=6.34m。

水文地質特征及評價

工點內地下水對混凝土結構無侵蝕性；椒江地表水對混凝土對混凝土結構具氯鹽侵蝕，環境作用等級L3，具硫酸鹽侵蝕，環境作用等級H1。

工程地質特征

地質：有淤泥、粉質黏土、黏土、粉土、細圓礫土和粗圓礫土等，底層為凝灰巖。

其中淤泥及淤泥質黏土土層平均厚度20m；

凝灰巖埋深較深，基礎均按摩擦樁設計；

交接墩及輔助墩基底持力層為粉質粘土，橋塔基礎基底持力層為圓礫土。

地震動參數

根據地勘報告，橋梁范圍場地為Ⅳ類場地，場地土類型為軟弱土-中硬土，橋址區地震動峰值加速度為0.064g，地震動反應譜特征周期分區為0.35s。

地震動參數表

既有橋梁

(1)椒江大橋

下游約2.2km處已建的椒江大橋，除3x100m三個橋孔允許通航外，其它橋孔禁止通航。

通航凈高為22.5m，通航凈寬92m，其通航凈高及凈寬不滿足橋區航道的通航要求。后期考慮拆除，以滿足航道規劃。

(2)椒江二橋

下游約9.7km處已建椒江二橋，主通航孔跨度480m，按1萬噸級海輪通航標準設計。

二、主橋設計方案

主要技術標準

（1）線路標準

鐵路等級：客運專線；

正線數目：四線，杭紹臺鐵路2線+預留沿海高鐵2線；

行車速度：全線時速350km/h ，本橋梁段設計時速250km/h，滿足300km/h行車條件；

軌道形式：有砟軌道；

線路情況：主橋平面位于直線上，立面處于1.3‰和-1.3‰的縱坡上，變坡點設在主跨跨中。

（2）設計活載：ZK活載

（3）建筑限界：橋面高速鐵路建筑限界，橋下通航凈空滿足5000t海輪通行條件，實際通航凈空不小于38m。

（4）采用洪水頻率：設計洪水頻率1/100，校核洪水頻率1/300

（5）抗震設防烈度：地震基本烈度為Ⅵ級，設計地震動峰值加速度0.064g，罕遇地震基本加速度0.1g。

設計荷載

1、恒載：

結構自重：按《鐵路橋涵設計規范》（TB10002.1-2017）采用，混凝土梁及橋塔取26.0kN/m3。鋼結構按結構實際重量計算；二期恒載采用330 kN/m。恒活比僅為2.6。

2、活載：

（1）采用4線ZK標準活載計算結構剛度、強度，并按規范考慮折減(75%)，加載長度450m。

3、附加力

(1)風力及流水壓力

(2)溫度荷載

(3)列車制動力

4、特殊荷載

⑴ 船舶撞擊力

⑵ 地震力

橋式布置

主橋采用（84+156+480+156+84）m鋼桁斜拉橋，全梁長962.7m（含梁縫0.35m），半漂浮體系，塔、梁之間設豎向支座，縱向采用阻尼約束。

主梁采用鋼桁結構，兩片主桁，三角形桁式，節間距14（14.5）m，全橋共68個節間；主桁高度14m；兩主桁中心距24.3m。

主橋總體布置圖（單位：m）

橫斷面布置

標準橫斷面單位（mm）

約束體系

在各墩（塔）處均設置有豎向支承，鋼桁梁的豎向支座采用球型鋼支座。

在兩個橋塔位置設置縱向阻尼器。在溫度力作用下，主梁縱向變形不受約束，但在制動力、脈動風等較小的沖擊荷載作用下，主梁縱向變形受到支座摩阻力的約束，在地震力作用下，地震響應由阻尼器限制。

主橋梁端支座橫向間距24.3m，連續梁梁端支座橫向間距（5+5+5）m，簡支梁梁端支座橫向間距（4.8+5.5+4.8）m，且中間兩支座均為縱向固定支座，為提高軌道平順性，在47、52號交接墩設置橫向限位卡榫。

為克服負反力，在47、52號交接墩各設置壓重荷載，分配在相鄰三個節間；在48、51號輔助墩各設置壓重荷載，分配在相鄰兩側兩個節間。

結構體系示意圖

橋面壓重設計

為避免支座處出現負反力，在交接墩3個節間，輔助墩兩側各1個節間設置壓重區，全橋共壓重7280t。壓重方案采用鐵砂混凝土，容重取4.0t/m3。

鐵砂混凝土作用在魚腹式橫梁內，橫梁底封底，并設置縱橫向加勁肋，形成密閉箱室。結構滿足強度、疲勞要求。

在相應的橋面頂板設置臨時砼灌注孔，待鋼梁架設完畢后灌注，并進行灌注孔封孔。

輔助墩處壓重區示意

橋面系

采用正交異性復合鋼橋面體系。在兩片桁內寬21.2m范圍采用不銹鋼復合鋼板（爆破），其基材為16mm厚的Q370qD鋼板，面板為厚3mm的不銹鋼板。

支點橫梁：采用箱型截面。

節點橫梁：間距分別為14m與14.5m，采用倒T形截面。

節間橫肋：間距分別為2.8m與2.9m，采用倒T形截面。

小縱梁：每線下設置兩道縱梁，縱梁間距1.5m，共設置8道。縱梁采用倒T型截面。

U肋及I肋：橋面板下橫橋向設置30道U形肋，板厚8mm，高260mm，橫向間距600mm（縱梁之間650mm）；橫梁中部設置2道I形肋，板厚20mm，高200mm。

軌道伸縮調節器

大跨度斜拉橋梁在充分考慮橋梁變形要求的同時，應盡可能為軌道結構受力提供良好的受力條件。由于橋長大，并要考慮減少軌道伸縮調節器的設置，防止在軌道在剛度突變引發的軌道病害。

椒江特大橋（72+4×124+72）m連續梁+（84+156+480+156+84）m鋼桁斜拉橋及前后兩孔簡支梁上采用有砟軌道，一次鋪設跨區間無縫線路。在主橋兩端各設置一處軌道伸縮調節器。

塔柱設計

主塔采用H形花瓶式混凝土塔，由塔座、下塔柱、中塔柱、上塔柱、下橫梁、上橫梁六部分組成，塔座高5.0m，塔座以上全高189.3m，其中下塔柱高43.1m，中塔柱高83.2m，上塔柱高62.5m，橋塔順橋向寬度為7.0~15.0m（不含塔座）。

上塔柱局部模型

斜拉索規格

經搜集相關橋資料，在強度、剛度等指標滿足規范前提下，盡量減小索的規格，進而減輕索的重量，斜拉索采用抗拉標準強度1860MPa的熱鍍鋅平行鋼絲拉索，平面雙索面體系，扇形布置，全橋共64對索，斜拉索在鋼桁梁上間距14.0（14.5）m，塔上索距（理論錨點豎向間距）2.5m，斜拉索采用PES(C)7-283、PES(C)7-301、PES(C)7-349、PES(C)7-379、PES(C)7-409五種型號。

斜拉索錨固設計

斜拉索采用梁端錨固，塔端張拉的方式。塔端錨固采用預應力齒塊錨，梁端采用錨拉板的形式。最外側斜拉索豎向傾角為26.94°，最內側斜拉索傾角為74.89°，縱向傾角通過改變錨拉板與上弦桿水平角度來適應拉索索形，與拉索保持水平。

在斜拉索S7~S16、S7'~S16'在鋼桁梁錨固端設置外置式阻尼器以抑制風雨振，并在其下端2.5m高的范圍內外包不銹鋼管。

基礎設計

47~48、51~52墩樁基礎均采用2m鉆孔灌注樁，摩擦樁，樁根數分別為14、16、14、10，樁長分別79、71m、84m、87m；承臺高4m；

49、50號橋塔基礎采用3m鉆孔灌注樁，摩擦樁，樁根數為35根，樁長分別107、110m；承臺高6m；

橋梁伸縮縫

鋼梁梁端接縫處設置伸縮縫裝置，伸縮縫采用大位移伸縮縫，小里程側梁端采用D720型滾軸式伸縮裝置，大里程側梁端采用D480型滾軸式伸縮裝置，并進行專項設計。

三、設計關鍵技術

◆ 主要關鍵技術

1、線路條件及主梁方案

2、四線大跨長聯復合鋼橋面

3、四線鐵路大跨橋梁剛度目標值及變形條件

4、超長大噸位鋼索的錨固

5、沿海地區耐久性設計

6、大跨度斜拉橋風車橋耦合動力性能

7、沿海斜拉橋抗震、抗風設計

◇ 線路條件及主梁方案

椒江橋主橋北側受疏解區影響，南側受臺州中心站及四線隧道(泥塘山1號隧道)埋深的控制，經與線路、軌道、房間、隧道等專業研究，線路縱計如下圖：

按照通航論證設計通航水位4.97m，通航凈空高38m，檢查車軌道高度0.5m。

軌面控制標高：4.97+38+0.5+3.293+0.176=46.939m。

預拱度線型設置方法及線型：

1）高速鐵路對軌道的平順性要求較高，驗收時需進行靜態、動態波長檢測，由于道砟實際密度、加載長度、實際運營車荷比設計動載不符等因素，理論預拱度與實際成橋狀態不同，在平坡線路條件下依然處于雙向平順人字坡上，道砟調整厚度大。鋼桁梁采用豎曲線成橋線型，這樣設計的鋼梁線型與軌道線型較為匹配，實際施工時，僅需要通過軌道線型擬合調整施工控制帶來的誤差，調整量相對較小。

2）本橋鋼桁梁的線型與線路線型保持一致，鋼桁梁制作線型按鋼桁梁處在平坡上考慮，相應預拱度按鋼桁梁處于平坡狀態設置，考慮恒載狀態+0.5雙線CRH3實際運營荷載作為預拱數值，安裝架設時將鋼桁梁剛性旋轉成1.3‰的縱坡。上下弦桿在跨中設置合龍段，變坡點設在合龍段內，實現圓曲線過渡。

3）本橋主跨最大預拱值72mm，結合人字坡通過升降溫法確定擬合線型，確定桿件的伸長量。

(1)鋼箱梁方案：梁高要求在4.5~5.0m范圍，橋梁建筑高度不能滿足線路條件。

(2)鋼桁梁分層布置：經研究，分層布置不能滿足線路及站房設置要求。

(3)鋼桁梁同層布置：鋼桁梁梁高大，梁底至軌項建筑高度低，滿足線路條件。

(4)四線鋼桁梁有雙桁與三桁形式，橋梁總寬分別為28m與24.3m。

(5) 國內在建或擬建大跨度四線合建鐵路：有武漢天興洲(中間兩線線間距8.6m)、南京大勝關、寧安城際安慶橋(中間兩線線間距9.4m)、合福客專銅陵橋(中間兩線線間距9.3m) 。

(6)四線鋼桁采用雙桁的橋梁有：京滬高鐵濟南黃河橋(雙桁+吊桿)、東新贛江鐵路橋、貴廣鐵路北江橋等。

桁式方案計算及經濟性指標對比如下表：

結果表明：

（1）兩片桁方案雖然結構剛度稍弱，但結構仍滿足各項指標要求；

（2）二片桁建筑高度較三片桁大1.1m。

（3）全部用鋼量三片桁較二片桁多1148t，斜拉索的用量三片桁比二片桁多88t。

（4）二片桁方案優勢：橋面行車視覺好，經濟，引橋四線合建的投資規模更小。

（5）三片桁的優勢：橫梁高度低，可降低結構建筑高度，主桁桿件小較好設計，斜拉索型號小便于運輸架設。為控制全橋投資料規模，本橋采用雙桁方案。

腹桿三角形桁和N形桁計算結果如下：

結果表明：

（1）三角形桁式較N形桁式對梁端的約束能力較強，因此三角形桁式梁端轉角較小。

（2）三角形桁較N形桁應力幅小。

（3）三角形桁較N形桁主桁用鋼量少。

（4）三角形桁較N形桁拉索規格小，索用量相當。

（5）三角形桁較N形桁橫向剛度略弱。

結論：推薦三角形桁式。

二片寬桁結構主要有4種斷面形式，見下圖。優缺點見下表。

橫梁及腹桿彎矩見下圖。

在相同的荷載作用下,( a)、 (b)斷面的橫梁跨中彎矩明顯小于( c )、( d) 斷面, ，說明吊桿對橫梁的跨中起到了支撐作用。

（影響橫聯與上弦）

對于c斷面，能一定程度上改善梁端彎矩，但在K撐支點處彎矩有突變，跨中彎矩沒有得到明顯改善。

(橫梁跨度沒有得到實質性的減少)

d斷面梁端、梁端及跨中彎矩大均較大。

綜合考慮采用（d）斷面形式。雖然（d）斷面仍然存在腹桿面外彎矩及橫梁跨中彎矩較大的問題，但這可以通過對主桁桁式、橋面結構以及選擇合適的橫梁高度來解決。

◇ 四線大跨長聯復合鋼橋面

正交異性板不銹鋼復合鋼板特點：

1）本橋擬采用正交異性不銹鋼復合鋼橋面系，充分利用不銹鋼阻蝕特點，保證橋面耐久且無養護。且此種橋面輕，四線鐵路自身荷載大，可減少了梁、塔及基礎數量。

2）復合不銹鋼板橋面系目前在國內高速鐵路已有應用，材料性能穩定，焊接工藝成熟，建成有合肥鐵路樞紐南環線新建的南淝河和經開區兩座特大橋的主橋(114.75+229．5+114.75)m連續鋼桁柔性拱橋。

3）在建橋梁有：商合杭鐵路裕溪河特大橋、南沙港鐵路跨西江斜拉橋、南沙港鐵路洪奇瀝水道特大橋跨洪奇瀝水道主橋連續鋼桁柔性拱、徐鹽鐵路鹽城特大橋鋼桁斜拉橋。

選取三種橋面結構形式進行比較分析。

（1）方案一：大縱梁、大橫梁體系

傳力路徑：荷載→橋面板→大縱梁→大橫梁→下弦桿節點。

橫梁面內、面外受力大，寬桁橫梁截面難以設計，經濟性差。

（2）方案二：密橫梁體系

間距2.9、2.8 m，兩道橫梁間設4道橫肋。

（3）方案三：水平K撐邊縱梁橋面體系

靠近下弦增設兩根邊縱梁，每節點2道K撐。

橋面方案計算主要結果如下：

結果表明：

（1）由于橫肋與下弦作用，密橫梁體系的面內、面外彎矩及軸力均較大；

（2）腹桿內力兩種方案基本相當。

（3）方案二節點橫梁的面內彎矩較方案三小，而橫肋的面內彎矩方案二較方案三大。

（4）方案二用鋼量較省。

結論：采用方案二（密橫梁體系）。

◇ 四線鐵路大跨橋梁剛度目標值及變形條件

1）各國鐵路規范對大跨橋梁均無明確的豎向撓跨比、橫向變形限值規定，豎向撓跨比也是影響橋梁經濟性重要指標，本橋由線同層布置橫向剛度大基本不受控制。

2）從國內外已經建成的公鐵兩用橋情況看，斜拉橋的撓跨比在1/350～1/800之間。這些橋梁的撓跨比遠遠小于有關規范關于中小跨度鐵路橋梁的規定值，但這些橋梁的運營情況均很好。

3）本橋根據國內外實際建設經驗，參考武漢天興洲長江大橋及近期建設大跨斜拉橋的限值標準，采用結構撓跨比<1/600的作為本橋的豎向撓跨比剛度標準。

4）在以上剛度值條件上，還需按風-車-橋耦合振動計算，確保相關指標滿足高鐵運行安全。

理想成橋狀態原則如下：

（1）考慮收縮徐變及活載作用，橋塔略偏向邊跨側減少橋塔受力及基礎數量；

（2）索力的分布體現結構的受力特性，且避免出現過大的索力差，減少斜拉索類型；

（3）使邊跨壓重值最小。

基于非線性影響矩陣法，對本橋進行了理想成橋狀態的非線性索力優化，恒狀態下結構豎向變形如圖所示，跨中最大豎向位移179.8mm，橋塔略偏向邊跨側，水平位移45.5mm。

◇ 超長大噸位斜拉索錨固

(1)本橋鋼索最大理論長度達255.9m，規格PES(C)7-409。最大索力8942kN(滬通大橋最大索力13000KN )。

(2)斜拉索采用梁端錨固，塔端張拉的方式。

(3)塔端錨固采用成熟經濟的預應力齒塊錨，以減少塔內后期養護量。

(4)索梁錨固采用錨拉板的形式。結構形式與傳力路徑簡單，安裝方便。錨拉板厚度為52mm，主傳力板厚度為60mm。

(5)選取水平拉索角度較小，索力較大（16號斜拉索）拉錨箱進行強度和疲勞驗算。

◇ 沿海地區耐久性設計

椒江屬海洋感潮河段，地表水對混凝土結構具氯鹽侵蝕環境等級L3，硫酸鹽侵蝕環境等級H1。

(1) 混凝土結構耐久性設計。處在L3環境下的承臺、墩身及橋塔下部除滿足最小鋼筋保護層厚度外(6cm)，加涂防腐蝕涂層和防水涂層的方法，加強防腐。

(2) 主體鋼結構耐久性設計。橋位所處沿海地區，受高濕多鹽的海洋氣候影響，鋼梁部分涂裝在《鐵路鋼橋保護涂裝及涂料供貨技術條件》（TB/T1527-2011）第七體系的基礎上，提高防銹底漆的含鋅量(92%)，面漆氟含量達24%，防腐層壽命不小于30 年。

(3) 為提高斜拉索耐久性，選用平行熱鍍鋅鋼絲，外表護套采用耐老化高密度聚乙烯。

(4) 按規范要求進行風、水管上橋設計；橋梁設檢查車，塔內設電梯，為大橋后期維養提供良好的條件；通航橋墩防撞按主動智能防撞技術設計。

◇ 大跨度斜拉橋風車橋耦合動力性能

針對本橋設計，進行車-線-橋、風-車-線-橋耦合振動分析，檢算橋梁的自振頻率、跨中豎向與橫向動位移、跨中豎向與橫向加速度；檢算機車車輛的安全性和舒適度指標，包括脫軌系數、輪重減載率、傾覆系數、豎橫向加速度及Sperling舒適度指標。結論如下：

（一）(84+156+480+156+84) m斜拉橋，基頻：主梁一階橫頻率0.276 Hz，主梁一階豎彎頻率0.362 Hz，縱漂0.127 Hz。

（二）車-線-橋耦合振動分析：CRH2動力分散式車組以速度180~350 km/h通過（84+156+480+156+84）m連續鋼桁斜拉橋時，豎向舒適性均達到“優”，橫向舒適性達到“優”、“良”。CRH3動力分散式車組以速度180~350 km/h通過（84+156+480+156+84）m連續鋼桁斜拉橋時，豎向和橫向舒適性均達到“優”。

（三）風-車-線-橋耦合振動分析(按新結果)

CRH2動車組單線運行時:

當橋面瞬時風速不超過10.0 m/s時，動車組可按設計車速300 km/h運行；

當橋面瞬時風速大于10.0 m/s且不超過15.0 m/s時，車輛應限速275 km/h；

當橋面瞬時風速大于15.0 m/s且不超過20.0 m/s時，車輛應限速225 km/h；

當橋面瞬時風速大于20.0 m/s且不超過25.0 m/s時，車輛應限速200 km/h；

當橋面瞬時風速大于25.0 m/s且不超過30.0 m/s時，車輛應限速180 km/h；

當橋面瞬時風速超過30.0m/s時，應封閉交通。

CRH3動車組單線運行時:

當橋面瞬時風速不超過15.0 m/s時，動車組可按設計車速350 km/h運行；

當橋面瞬時風速大于15.0 m/s且不超過20.0 m/s時，車輛應限速325 km/h；

當橋面瞬時風速大于20.0 m/s且不超過25.0 m/s時，車輛應限速275 km/h；