鐵路新型鋼-混組合獨(dú)塔部分斜拉橋設(shè)計(jì)研究

周友權(quán)

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋隧處，西安 710043)

摘 要：以在建的銀川機(jī)場(chǎng)黃河特大橋主橋?yàn)楣こ桃劳校Y(jié)合國內(nèi)外鋼-混組合結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，推出一種新型大跨鋼-混凝土組合獨(dú)塔部分斜拉橋結(jié)構(gòu)。根據(jù)鋼-混凝土組合獨(dú)塔部分斜拉橋的特點(diǎn)，采用空間桿系與實(shí)體有限元分析方法，對(duì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造細(xì)節(jié)及受力特征進(jìn)行分析，以確定本結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高速鐵路的可行性。采用有限元仿真分析與概念設(shè)計(jì)相結(jié)合，對(duì)鋼-混凝土組合獨(dú)塔部分斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系、承載形式、鋼-混結(jié)合形式、截面構(gòu)造、拉索錨固等一系列技術(shù)重難點(diǎn)進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明：新型鋼-混組合獨(dú)塔部分斜拉橋，可應(yīng)用于高速鐵路；結(jié)構(gòu)受力合理，可充分發(fā)揮材料特性以減小結(jié)構(gòu)自重；結(jié)構(gòu)整體剛度好，可滿足高速鐵路行車要求；施工安全可控，可降低施工干擾；結(jié)構(gòu)造型優(yōu)美，經(jīng)濟(jì)性能佳；橋型新穎，技術(shù)先進(jìn)創(chuàng)新性突出。

關(guān)鍵詞：鐵路橋；鋼-混組合結(jié)構(gòu)；獨(dú)塔斜拉橋； 部分斜拉橋；設(shè)計(jì)

1 概述

銀川至西安客運(yùn)專線銀川機(jī)場(chǎng)黃河特大橋位于銀川機(jī)場(chǎng)附近，其主橋位于銀川河?xùn)|機(jī)場(chǎng)北面的濱河?xùn)|路與濱河西路之間的黃河主河槽內(nèi)。橋位處主槽寬1 000 m左右，上游7.5 km為在建永寧黃河公路橋，下游3.2 km為既有青銀高速公路黃河橋。根據(jù)建設(shè)部門要求，采用等跨6孔168 m結(jié)構(gòu)跨越主槽，以減小工程對(duì)黃河河道的影響。橋位處于銀川市的門戶地帶，是銀川對(duì)外展示城市新形象的窗口，結(jié)構(gòu)不僅需要滿足跨越黃河的基本功能，還要滿足當(dāng)?shù)貙?duì)于景觀的要求。另外橋址位于8度地震區(qū)，地震峰值加速度0.2g，特征周期0.55 s，抗震控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要盡可能減輕結(jié)構(gòu)自重以降低地震對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響。因此結(jié)合本橋的實(shí)際工程狀況，參考國內(nèi)外眾多研究成果[1-10]，本橋主橋結(jié)構(gòu)采用具有創(chuàng)新性的鋼-混組合獨(dú)塔部分斜拉橋，主橋孔跨布置為3聯(lián)(2×168) m部分斜拉橋結(jié)構(gòu)，主橋立面如圖1所示。

圖1 主橋立面(單位：cm)

鋼-混組合獨(dú)塔部分斜拉橋，采用將混凝土箱梁的腹板改為鋼箱腹桿，可以減輕結(jié)構(gòu)自重，還能增加結(jié)構(gòu)的通透性。但是單純的組合結(jié)構(gòu)由于腹桿軸力過大，無法實(shí)現(xiàn)168 m的跨度，還需要利用部分斜拉橋的拉索進(jìn)行加勁。組合部分斜拉橋由于拉索的加勁作用，可采用懸臂施工以增加施工的便利性并減少附屬工程量；可有效降低結(jié)構(gòu)自重，增大跨越能力，提高結(jié)構(gòu)抗震性能；由于梁體豎向剛度大，主梁活載豎向位移較小。組合部分斜拉橋挺拔剛勁的主塔、纖細(xì)規(guī)整的斜索、通透輕盈的主梁(圖2)，體現(xiàn)出現(xiàn)代氣息，與橋址處秀美的自然風(fēng)光渾然一體、相得益彰，可實(shí)現(xiàn)大跨越、經(jīng)濟(jì)與美觀的完美統(tǒng)一。

圖2 結(jié)構(gòu)效果圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

2.1 整體設(shè)計(jì)

2.1.1 結(jié)構(gòu)體系

部分斜拉橋是一個(gè)由索、塔、梁、墩4種基本構(gòu)件組成的組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)四者的結(jié)合方式，可以組成4種不同的結(jié)構(gòu)體系，即飄浮(半飄浮)體系、塔墩固結(jié)支承體系、塔梁固結(jié)體系和全固結(jié)體系[11]。結(jié)構(gòu)體系的不同，其靜、動(dòng)力特性差別較大，因此確定一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系對(duì)部分斜拉橋的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。橋址位于8度地震區(qū)，由于主墩矮剛度大，為提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，采用塔墩固結(jié)梁底放置縱向固定支座的一般飄浮體系，小于或等于多遇地震時(shí)，固定支座正常起作用，對(duì)溫度、制動(dòng)力等起約束作用，超過多遇地震時(shí)，固定支座轉(zhuǎn)化為活動(dòng)支座，結(jié)構(gòu)變?yōu)槿h浮體系，縱向周期延長，同時(shí)支座處的減震裝置開始發(fā)揮作用，以減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。因此，采用塔墩固結(jié)梁底放置縱向固定支座的飄浮體系，既能滿足結(jié)構(gòu)正常使用要求，又能提高結(jié)構(gòu)地震下的安全性。為減小支點(diǎn)處鋼桁桿件的軸向力，便于支座的設(shè)置，支點(diǎn)處均采用單箱單室斜腹板混凝土箱梁。

2.1.2 承載形式

本橋主橋采用上承式結(jié)構(gòu)。組合斜拉為2×168 m的單T結(jié)構(gòu)，其單跨結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一端簡(jiǎn)支一端固定的簡(jiǎn)支梁。自重對(duì)支點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩可由在施工階段拉索預(yù)拉力基本消除，二期及活載的等效均布載，相當(dāng)于施加于一端簡(jiǎn)支一端固定的簡(jiǎn)支梁，分析結(jié)構(gòu)均布載下的彎矩圖可知，結(jié)構(gòu)的負(fù)彎矩區(qū)占的比重大。對(duì)于位于負(fù)彎矩區(qū)的組合結(jié)構(gòu)，頂板為受壓區(qū)，底板為受拉區(qū)。本橋線間距大且橋面寬，結(jié)構(gòu)采用上承式時(shí)，可以充分發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度好的材料特性，混凝土底板的拉應(yīng)力由預(yù)應(yīng)力鋼束來克服，在滿足預(yù)應(yīng)力鋼束布置及結(jié)構(gòu)橫向剛度的前提下，底板混凝土截面的橫向?qū)挾瓤梢员M量設(shè)置的小，以減輕結(jié)構(gòu)自重，而對(duì)應(yīng)的腹桿在橫截面上可采用斜向布置。因此，組合斜拉采用上承式，不僅受力合理、可減輕材料用量、降低結(jié)構(gòu)自重，也是結(jié)構(gòu)自身的需要。

2.1.3 鋼-混組合形式

此類組合結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于鋼-混節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造處理，而腹桿軸力的大小決定了節(jié)點(diǎn)處理的難度，經(jīng)過分析組合斜拉結(jié)構(gòu)最大腹桿軸力超過15 000 kN，根據(jù)文獻(xiàn)資料已建成的國外同類橋梁(公路橋居多)當(dāng)中，其設(shè)計(jì)軸力的水平均小于4 900 kN，西平線鋼-混組合結(jié)構(gòu)的最大腹桿軸力8 000 kN左右[12]，為確保結(jié)構(gòu)安全，節(jié)點(diǎn)由常用的鋼-混組合方式變?yōu)殇撹熘谐Ｓ玫墓?jié)點(diǎn)板構(gòu)造形式，即結(jié)構(gòu)采用鋼桁加混凝土頂?shù)装宓慕M合結(jié)構(gòu)形式，鋼桁全橋貫通設(shè)置。本節(jié)點(diǎn)構(gòu)造處理確保了結(jié)構(gòu)的安全性，而且可采用先懸拼鋼桁后利用鋼桁施工混凝土頂?shù)装宓膽冶凼┕し椒?，有利于控制施工線性，降低施工難度，減少臨時(shí)墩等附屬工程量。

采用上述的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造處理后，由于斜拉索與水平面的夾角較小(夾角17°～31°)，導(dǎo)致鋼錨箱縱向尺寸大，對(duì)混凝土橋面頂板分割嚴(yán)重，使得頂板在縱橫向受力不連續(xù)。混凝土頂板采用整體式布置方式時(shí)，在拉索錨固區(qū)由于鋼錨箱使得橋面板與上弦的實(shí)際連接面過小，不利于混凝土與鋼梁間力的傳遞，并且鋼錨箱區(qū)域混凝土受力復(fù)雜，容易發(fā)生開裂。因此，采用橋面板在橫橋向分為3部分的分開式布置形式，以加大混凝土與鋼梁的傳力接觸面，結(jié)構(gòu)梁段構(gòu)造如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)梁段構(gòu)造

綜上所述，鋼-混組合部分斜拉橋的整體構(gòu)造為，采用塔梁固結(jié)在中墩處設(shè)置支座的漂浮體系，結(jié)構(gòu)為上承式，中支點(diǎn)與邊支點(diǎn)采用混凝土箱形截面，其余截面采用鋼箱上下弦、腹桿及混凝土頂?shù)装褰M成的鋼-混凝土空腹式組合結(jié)構(gòu)，其中混凝土頂板采用分開式的布置。

2.2 主梁

結(jié)構(gòu)采用鋼桁梁加混凝土頂?shù)装宓慕M合結(jié)構(gòu)形式，梁頂一般寬度為15.4 m，橋塔處寬度為12.6 m。

斜拉橋中墩及邊墩處為單箱單室斜腹板混凝土箱梁，中墩處的梁高由最大彎矩及鋼束布置所決定，一般梁段的梁高主要由豎向剛度控制。表1給出了不同梁高下活載豎向變形及梁段轉(zhuǎn)角。

由表1可知，一般梁段梁高不小于9 m才能滿足規(guī)范[13]關(guān)于剛度的要求。因此，主梁構(gòu)造為：中墩梁高12 m，底寬7.7 m，節(jié)段長度20 m；邊墩處梁高9 m，底寬8.7 m，節(jié)段長度8.8 m；其余一般梁段截面如圖4所示，梁高9 m，底寬8.7 m，節(jié)間長度8 m。桁式為三角桁，為混凝土頂?shù)装迮c鋼桁架組成的組合結(jié)構(gòu)，其中中墩附近29.5 m范圍內(nèi)梁高從9 m變化到中支點(diǎn)處的12 m，底寬由8.7 m變化到7.7 m，節(jié)間長度從8.5 m變化到10 m。

表1 不同梁高下活載豎向變形及梁段轉(zhuǎn)角

梁高/m活載位移/cm轉(zhuǎn)角/‰812.42.363910.81.972109.61.672

圖4 一般梁部截面(單位：cm)

弦桿采用鋼箱截面，高1 200 mm，寬832～872 mm，鋼箱材質(zhì)采用Q370qE，壁厚采用16、24、36 mm 3種規(guī)格。腹桿采用1 000 mm×800 mm的矩形鋼箱，鋼箱材質(zhì)采用Q370qE，壁厚采用16、24、36 mm 3種規(guī)格。頂板一般截面厚40 cm，支點(diǎn)處加厚至70 cm，底板一般厚度50 cm，支點(diǎn)處加厚至1.2 m。頂板的底面每隔4 m設(shè)置1處鋼橫梁，鋼橫梁通過剪力釘與混凝土頂板聯(lián)接，橫梁為寬500 mm、高500～800 mm的變高度工字鋼(一般厚度頂板處)或高500 mm等高度工字鋼(加厚頂板處)。

2.3 拉索錨固2.3.1 梁上錨固方式

拉索在梁上的錨固點(diǎn)是斜拉橋的重要傳力部位，此處構(gòu)造細(xì)節(jié)的處理將直接影響全橋結(jié)構(gòu)的安全，也是本組合斜拉橋設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一。索梁錨固區(qū)應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)原則為：結(jié)構(gòu)安全、傳力途徑清晰、對(duì)主梁影響最小、構(gòu)造簡(jiǎn)單便于施工。

梁上拉索可用的錨固方式主要有3種。

(1)錨固于混凝土頂板下腹桿內(nèi)側(cè)或者外側(cè)，錨點(diǎn)處采用鋼錨箱與鋼桁節(jié)點(diǎn)連接，腹桿內(nèi)側(cè)錨點(diǎn)橫向之間加混凝土橫梁。優(yōu)點(diǎn)為混凝土頂板在縱橫向?yàn)橐粋€(gè)整體不會(huì)受到錨點(diǎn)影響。缺點(diǎn)為拉索傳力不直接，拉索與腹桿軸線存在偏距對(duì)橫截面會(huì)產(chǎn)生附加彎矩，采用的鋼錨箱構(gòu)造復(fù)雜，加大施工難度， 錨箱構(gòu)造是否合理對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性影響大，混凝土錨塊及橫梁加大了結(jié)構(gòu)自重。

(2)拉索穿過頂板錨固于鋼桁節(jié)點(diǎn)下方。優(yōu)點(diǎn)為混凝土頂板在縱橫向?yàn)橐粋€(gè)整體，結(jié)構(gòu)傳力途徑明確，對(duì)橫截面不會(huì)產(chǎn)生附加彎矩。缺點(diǎn)為拉索穿過上弦鋼桁對(duì)結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度有削弱，錨固方式僅適用于內(nèi)N形桁式。

(3)加大鋼桁節(jié)點(diǎn)板，以節(jié)點(diǎn)板為依托節(jié)點(diǎn)上方設(shè)置鋼錨箱，拉索錨固在鋼箱內(nèi)。本錨固方式的優(yōu)點(diǎn)在于傳力直接，拉索力直接傳遞到鋼節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)截面產(chǎn)生橫向附加力，錨箱與鋼節(jié)點(diǎn)為一個(gè)整體可工廠加工，錨固點(diǎn)安全可靠，為減小鋼錨箱尺寸梁上錨箱內(nèi)不預(yù)留拉索張拉空間，使得拉索只能在橋塔上張拉。

從明確結(jié)構(gòu)受力、確保結(jié)構(gòu)安全出發(fā)，梁上選用上述第3種拉索錨固方式。

2.3.2 塔上錨固方式

主塔拉索錨固段，是將拉索的集中力安全均勻地傳遞到塔柱的重要受力部位，采用何種錨固方式，與拉索的布置、拉索對(duì)數(shù)、形狀及橋塔構(gòu)造密切相關(guān)。部分斜拉橋拉索在橋塔處的錨固方式一般采用2種形式：(1)索鞍方式錨固；(2)對(duì)應(yīng)斜拉索類別的群錨裝置或冷鑄錨。根據(jù)近年來建成的多座部分斜拉橋的錨固方式，結(jié)合本橋張拉端只能設(shè)置在橋塔上的實(shí)際情況，綜合考慮本次設(shè)計(jì)采用第2種錨固方式。

2.4 鋼-混局部連接

頂?shù)装寤炷僚c鋼桁之間需要設(shè)置有效聯(lián)接，以確保二者共同參與結(jié)構(gòu)的受力，本結(jié)構(gòu)弦桿采用剛性PBL鍵(開孔鋼板)與T形橫隔板、工字型鋼橫梁上密布剪力釘構(gòu)造。T形橫隔板順橋向均勻布置，主要作用為在混凝土板發(fā)生收縮徐變時(shí)及溫差變化時(shí)，使得混凝土板與鋼弦桿變形協(xié)調(diào)。剛性PBL鍵上根據(jù)普通鋼筋的布置對(duì)應(yīng)開孔，普通鋼筋穿過PBL連接件以加強(qiáng)鋼-混聯(lián)接性。為加強(qiáng)鋼橫梁與混凝土頂板的連接使得二者共同受力，工字型鋼橫梁上密布了剪力釘。

2.5 橋塔構(gòu)造

國內(nèi)外已建成或在建部分斜拉橋橋塔高度一般為橋跨的1/6～1/12[14]，對(duì)于2×168 m的單T斜拉橋，相當(dāng)于雙塔斜拉橋其等效跨度為300 m左右，結(jié)合構(gòu)造、景觀等綜合因素，本次部分斜拉橋的塔高按橋跨的1/7左右設(shè)計(jì)，橋塔有效高度(橋面以上)取45 m。本橋主墩高10～15 m，結(jié)合地形采用Y形可給人基礎(chǔ)牢靠感，兩個(gè)塔柱采用與斜腹桿近似的斜率向外伸出。從結(jié)構(gòu)受力上，塔柱采用與斜腹桿近似的斜率時(shí)，橫橋向拉索與腹桿軸線的夾角很小，可減小拉索對(duì)結(jié)構(gòu)橫向的附加力。塔柱采用矩形截面，塔柱縱、橫向一般截面尺寸5.0 m×2.5 m，底部截面尺寸8.0 m×3 m，橋塔布置如圖5所示。

圖5 橋塔布置(單位：cm)

2.6 拉索布置

斜拉索常用的索面形式有單索面與雙索面，本橋?yàn)殡p片鋼桁與混凝土頂?shù)装逍纬傻慕M合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中采用適應(yīng)結(jié)構(gòu)形式的雙索面，可提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度，增強(qiáng)橋梁觀感。斜拉索的布置一般有放射形、扇形、對(duì)稱平行形。部分斜拉橋由于塔高較低，為保證斜拉索功能效應(yīng)，拉索大多集中于橋塔頂部1/3范圍內(nèi)通過，綜合考慮到景觀效果，本橋采用扇形布置。

主梁無索區(qū)長度是部分斜拉橋一個(gè)重要參數(shù)[15]。由于部分斜拉橋拉索承擔(dān)的豎向荷載較少，鐵路橋梁活載較大，對(duì)橋梁剛度要求較高。如果無索區(qū)的長度過大，會(huì)引起主梁剛度不足，造成斜拉索應(yīng)力幅等各項(xiàng)指標(biāo)的上升，從而不得不提高主梁的梁高，對(duì)全橋的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是十分不利的；如果無索區(qū)的長度過短，則會(huì)增加拉索用量，景觀效果差。結(jié)合景觀效果、斜拉索用量，保證主梁合理剛度，經(jīng)綜合比選后確定橋塔根部無索區(qū)長度40 m， 邊無索區(qū)長度36 m。

梁體部位斜拉索間距選取的主要影響因素為主梁施工梁段長度、無索區(qū)長度及景觀等。參照已建橋梁索間距，結(jié)合主梁施工梁段長度，梁體部位設(shè)計(jì)索間距采用8.0 m。橋塔部位索間距的選取應(yīng)使索的傾角盡可能大，增加索的荷載分擔(dān)效果，本次設(shè)計(jì)索間距采用1.2 m。結(jié)合主梁無索區(qū)長度設(shè)置，每個(gè)橋塔布設(shè)12對(duì)索，拉索布置如圖6所示。

圖6 拉索布置(單位：cm)

2.7 預(yù)應(yīng)力布置

中支點(diǎn)混凝土截面的負(fù)彎矩及跨中混凝土底板的軸向拉力，均通過配置預(yù)應(yīng)力鋼束來解決。結(jié)構(gòu)縱向?yàn)槿A(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，橫向受力為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?？v向預(yù)應(yīng)力鋼束采用標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度fpk=1 860 MPa的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，預(yù)應(yīng)力管道采用金屬波紋管成孔，所采用的鋼束型號(hào)均為17-Φs15.2 mm鋼絞線，組合部分斜拉橋中支點(diǎn)截面頂板鋼束為60束，跨中底板36束，跨中頂板合龍束8束。

2.8 施工方案

組合斜拉橋主橋梁部采用懸臂施工，主墩施工完成后在橋塔施工期間，在主墩兩側(cè)依托主墩與承臺(tái)搭設(shè)臨時(shí)支架，一次性完成支點(diǎn)箱梁與變高度梁的施工，并張拉箱梁部分頂板鋼束，接著懸拼一個(gè)節(jié)間的上下弦桿與腹桿，然后以鋼桁為依托，懸澆混凝土頂?shù)装澹瑥埨瓕?duì)應(yīng)節(jié)段斜拉索，按照拼接鋼桁→建筑混凝土頂?shù)装濉惭b斜拉索的方式一直施工到最大懸臂階段。邊墩處搭設(shè)少量支架，支架上完成邊墩處鋼桁的拼裝，調(diào)整邊跨鋼桁的位置完成鋼桁的貫通，再完成邊支點(diǎn)混凝土箱梁與邊跨混凝土頂?shù)装宓臐仓?，最后張拉底板鋼束?/p>

3 計(jì)算分析

3.1 靜力計(jì)算結(jié)果

采用Midas/Civil 2015建立結(jié)構(gòu)的全橋模型，按照實(shí)際施工順序劃分相應(yīng)的施工階段，考慮結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化、混凝土收縮徐變、鋼束的次內(nèi)力等各種影響因素，模型如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)模型

施工階段混凝土最大拉應(yīng)力1.2 MPa，最大壓應(yīng)力13.4 MPa，鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力122 MPa，均滿足規(guī)范要求。主力下鋼桁上弦最大壓力25 084 kN，下弦最大壓力15 603 kN，腹桿最大壓力15 614 kN，腹桿最大拉力15 333 kN。主力下鋼桁上弦最大壓應(yīng)力147.5 MPa，下弦最大壓應(yīng)力181.3 MPa，腹桿最大壓應(yīng)力173.0 MPa，腹桿最大拉應(yīng)力146.1 MPa；主力下混凝土結(jié)構(gòu)上緣最小壓應(yīng)力2.4 MPa，最大壓應(yīng)力19.5 MPa，下緣最小壓應(yīng)力1.2 MPa，最大壓應(yīng)力19.9 MPa，鋼與混凝土的應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

均勻升降溫取30°，非均勻溫度取索與橋面升溫10°，溫度對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響如表2所示。

表2 溫度效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

工況拉索力最大變化值/kN梁體豎向撓度變化/mm均勻升降溫636.0非均勻升溫1324.5

成橋索力5 000 kN左右，結(jié)構(gòu)活載撓度10 cm左右，由表2可知，溫度效應(yīng)對(duì)拉索索力與結(jié)果撓度的影響均很小。

3.2 剛度條件

根據(jù)規(guī)范[13]，該橋168 m跨度主桁在ZK靜活載作用下，梁體的豎向撓度不大于156 mm，梁部結(jié)構(gòu)在列車靜活載作用下，橋梁梁端豎向轉(zhuǎn)角不應(yīng)大于2‰。根據(jù)計(jì)算，結(jié)構(gòu)在9 m梁高的構(gòu)造下，靜活載下的最大豎向撓度108 mm，梁端豎向轉(zhuǎn)角1.97‰，結(jié)構(gòu)豎向剛度遠(yuǎn)優(yōu)于同等結(jié)構(gòu)高的鋼梁。

3.3 動(dòng)力特性

采用Midas有限元程序，將結(jié)構(gòu)離散空間桿系單元進(jìn)行分析計(jì)算，按照《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.5—2005)計(jì)算基底彈性支撐施加于承臺(tái)底部。塔墩處固定支座正常工作時(shí)，結(jié)構(gòu)第1階振型為橋塔橫向彎曲，周期1.648 s；第2階振型為主梁反對(duì)稱豎彎，周期1.544 s；第5階振型為主梁反對(duì)稱橫彎，周期1.296 s；第10階振型為結(jié)構(gòu)縱飄，周期0.751 s。由此可知結(jié)構(gòu)整體剛度優(yōu)良。當(dāng)超越多遇地震標(biāo)準(zhǔn)，塔墩處固定支座銷軸剪斷變?yōu)榛顒?dòng)支座時(shí)，結(jié)構(gòu)第1階振型為縱飄，周期3.756 s。由于結(jié)構(gòu)周期大大延長，結(jié)構(gòu)的縱向地震力會(huì)大幅減小。

3.4 梁部鋼錨箱局部應(yīng)力

本結(jié)構(gòu)受力最復(fù)雜的部位為鋼錨箱，取出一個(gè)結(jié)構(gòu)節(jié)間建立局部分析模型，腹桿、節(jié)點(diǎn)板、鋼錨箱及節(jié)點(diǎn)處的工字型鋼橫梁與剛性PBL鍵均采用板單元進(jìn)行模擬，混凝土橋面板采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，局部模型施加的外力從整體模型中提取。經(jīng)計(jì)算分析，鋼錨箱無大的應(yīng)力集中點(diǎn)，最大局部Mises應(yīng)力149.5 MPa，小于鋼材屈服應(yīng)力370 MPa，鋼錨箱應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 鋼錨箱應(yīng)力分布云圖

3.5 經(jīng)濟(jì)性能

為了解本結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性能，將其與適用于本橋位的可行方案(等跨度的連續(xù)鋼桁柔性拱方案)進(jìn)行對(duì)比研究?？尚蟹桨傅目卓绮贾脼?聯(lián)(3×168) m連續(xù)鋼桁柔性拱結(jié)構(gòu)，主橋總跨度與組合獨(dú)塔部分斜拉橋相同。連續(xù)鋼桁柔性拱結(jié)構(gòu)桁高與節(jié)間距均為12 m，拱高24 m，施工采用懸拼或頂推，跨中均需設(shè)置1處臨時(shí)墩。經(jīng)計(jì)算，組合獨(dú)塔部分斜拉橋每延米工程造價(jià)37萬元，連續(xù)鋼桁柔性拱結(jié)構(gòu)每延米工程造價(jià)42.7萬元。對(duì)于本主橋，組合獨(dú)塔部分斜拉橋可節(jié)省投資5 800萬元左右，經(jīng)濟(jì)效益明顯。而且施工不用臨時(shí)墩，對(duì)河道干擾小，并且用鋼量少，后期養(yǎng)護(hù)維修工作量小。

4 結(jié)語

結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)可用于高速鐵路的新型鋼-混凝土組合獨(dú)塔部分斜拉橋，從結(jié)構(gòu)構(gòu)造到受力性能進(jìn)行了初步分析，得出如下結(jié)論。

(1)本結(jié)構(gòu)實(shí)際形式為由上下弦桿與腹桿組成的兩片鋼主桁、混凝土頂?shù)装褰M成的鋼-混組合部分斜拉橋結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)施工以鋼桁及斜拉索為依托，采取先鋼桁后混凝土板的懸臂施工方式，具有施工穩(wěn)妥可靠，有利于控制施工線形，降低了施工難度，減少了臨時(shí)墩等附屬工程量，對(duì)既有河道施工干擾小等眾多優(yōu)點(diǎn)。

(2)結(jié)構(gòu)采用上承式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)受力合理，可以充分發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度好的材料特性，可減輕結(jié)構(gòu)總的材料用量、降低結(jié)構(gòu)自重。

(3)結(jié)構(gòu)整體剛度良好，可滿足高速鐵路行車要求。采用塔梁固結(jié)梁底設(shè)置支座的漂浮體系，有利于提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

(4)結(jié)構(gòu)與同跨度的鋼梁相比，經(jīng)濟(jì)效果明顯，有利于節(jié)省工程投資，由于用鋼量少，大大減輕了后期養(yǎng)護(hù)維修工作量。

(5)橋型新穎，技術(shù)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的創(chuàng)新性；結(jié)構(gòu)造型優(yōu)美，通透性好，景觀效果佳，與橋址環(huán)境相得益彰。

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The Design of New Partially Cable-Stayed Railway Bridge with Steel-concrete Composite Structure

ZHOU You-quan

(Bridge & Tunnel Design Department， China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043, China)

Abstract：Based on the Yinchuan Yellow River Bridge near the Yinchuan airport and the current research results of the domestic and foreign steel mixed composite structures， a new partially cable-stayed long span steel-concrete bridge is proposed. According to the characteristics of the steel-concrete composite cable-stayed bridge， the space bar system and 3D finite element analysis are employed to analysis the structural details and stress and determine the applicability of this structure to high-speed railway. The finite element simulation analysis and concept design method are used to study the structure system， the steel concrete combination form， the structure cross-section， the cable anchorage and a series of technical problems. The results show that this new design offers reasonable structure stress and can be used in high-speed railway to reduce the structural weight. Analysis indicates that the overall stiffness of the bridge is adequate and the structural dynamic performance is preferable. The construction method is safe and controllable. The bridge also has graceful shape and good economic performance with advanced technology and innovation．

Key words：Railway bridge; Steel-concrete composite structure; Single pylon cable-stayed bridge; Partially cable-stayed bridge; Design

收稿日期：2016-06-08；

修回日期：2016-08-01

作者簡(jiǎn)介：周友權(quán)(1979—)，男，高級(jí)工程師，2006年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：boat7450@163.com。

文章編號(hào)：1004-2954(2017)03-0082-06

中圖分類號(hào)：U448.27

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.03.018