主跨600 m公軌兩用懸索橋設(shè)計創(chuàng)新及研究（交通）
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主跨600 m公軌兩用懸索橋設(shè)計創(chuàng)新及研究（交通）
鄧世海
（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 武漢430063）
摘要某長江大橋主橋采用50 m+600 m+65 m鋼箱梁懸索橋方案，并預(yù)留雙線軌道交通，為解決傳統(tǒng)公軌分層布置引起的標(biāo)高過高、投資過大等問題，在加勁梁的設(shè)計中采用了公路與軌道交通同層布置方案，主梁采用分離式雙幅鋼箱梁結(jié)構(gòu)，橋塔采用門形橋塔。通過對結(jié)構(gòu)整體及局部的有限元分析，表明各項結(jié)果均滿足規(guī)范指標(biāo)要求。
關(guān)鍵詞 大跨度懸索橋 公軌兩用橋 分離式鋼箱梁 方案設(shè)計
公軌兩用橋不僅能夠共用橋位，充分合理地利用空間，還能極大地減少基礎(chǔ)工程，加之公路、軌道交通橋梁構(gòu)造的優(yōu)勢互補性將使公軌兩用橋的材料用量遠小于相應(yīng)的2座獨立橋梁之和。綜合以上因素，建造公軌兩用橋可以節(jié)省材料和施工費用，具有很好的經(jīng)濟性。
1工程概況
某長江大橋位于重慶市江津區(qū)，是江津區(qū)“五橫三縱”道路網(wǎng)絡(luò)中第二縱線上的控制性工程，是江津城區(qū)融人重慶的主要通道之一，南起濱江路，跨越長江后連接北岸規(guī)劃道路。北岸有成渝鐵路沿江而行，大橋上跨成渝鐵路。大橋所在線路為城市主干路I級，設(shè)計行車時速為50 km／h，橋面布置雙向6車道，同時預(yù)留雙線軌道交通。
2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
2.1 預(yù)留軌道交通主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
①線路等級。區(qū)域軌道交通；②正線數(shù)目。雙線，線間距4.1 m;③道床形式。整體道床；④速度目標(biāo)值。120 km/h;⑤列車編組。4動2拖，B型車輛；⑥設(shè)計活載。B型車荷載。
2.2城市道路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
①設(shè)計基準(zhǔn)期。100年；②道路等級：城市主干路I級，雙向6車道；③設(shè)計車速。50 km/h;④設(shè)計活載。公路一I級；⑤通航等級。I級；⑥設(shè)計水位。300年一遇設(shè)計洪水位203.9 m。
3結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1橋跨布置
根據(jù)通航論證，結(jié)合橋位處跨越長江航道、港口碼頭、航運開發(fā)等情況，考慮橋墩阻水及紊流影響，主跨采用600 m-跨跨越長江。
3.2結(jié)構(gòu)總體布置
主橋采用50 m+600 m+65 m公軌兩用鋼箱梁懸索橋，主橋全長715 m。橋式布置見圖1。
主橋支承體系采用半漂浮體系，在橋塔及橋墩處布置豎向、橫向支承，并在主塔和主梁之間安裝縱向阻尼裝置，以控制主梁在制動力和地震力作用下的縱向位移。
3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.3.1 主梁
合理的公軌合建橋面布置形式能有效減少結(jié)構(gòu)重量、節(jié)約空間，同時改善橋梁的整體受力。本橋采用雙幅式鋼箱梁方案，橋面全寬41 m，2幅加勁梁凈距10 m，之間以多道橫梁連為一體，其中吊點處設(shè)置大橫梁，其余設(shè)置小橫梁，形成縱橫梁體系。見圖2。
每幅主梁采用單箱單室鋼箱梁，采用正交異性板體系，主梁梁高4.2 m、寬13. 277 m;頂板厚16 mm，U形加勁肋厚8 mm;底板厚14 mm，其U形加勁肋厚6 mm；吊耳板厚60 mm。
根據(jù)加勁梁的長度、梁段運輸條件、吊裝能力等因素，主跨鋼箱梁單元制造劃分成49個吊裝段，其中標(biāo)準(zhǔn)吊裝段12 m，最大吊裝重量330 t。
遠期實施軌道交通工程時，采用后澆結(jié)合段的方式，將先預(yù)制好的混凝土板安裝在中間橫梁上，使混凝土板與鋼橫梁連接成為整體橋面板，以鋪設(shè)軌枕板及鋼軌。
3.3.2橋塔
橋塔為門式框架結(jié)構(gòu)。南岸主塔高113. 867m，其中橋面以上80. 25 m;橋塔上橫梁處橫向全寬42. 908 m，塔柱底部橫向全寬54. 244 m;北側(cè)主塔高111. 787 m，其中橋面以上75. 75 m;橋塔上橫梁處橫向全寬42. 908 m，塔柱底部橫向全寬53. 786 m。見圖3。
塔柱身為八角空心箱型截面，每個塔柱橫橋向總寬為6.0 m，順橋向總寬為8.0 m，塔壁厚度沿塔柱高度方向變化。塔柱為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
橋塔上、下橫梁均采用變高箱型截面預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，上橫梁底緣半徑117. 625 m，跨中梁高為4.0 m，下橫梁底緣半徑130. 754 m，跨中梁高為6.5 m。
3.3.3纜索體系設(shè)計
(1)主纜。主纜布置在人行道外側(cè)，2根主纜的橫向中心距為36.5 m，矢高為66 m，矢跨比為1／9. 09。每根主纜由121股127絲直徑5.3 mm（鍍鋅后直徑）的鍍鋅高強鋼絲組成，主纜公稱抗拉強度為1 670 M Pa，其錨固體系采用冷鑄錨具。
(2)吊索。吊索在主跨采用平行布置，順橋向間距在綜合考慮結(jié)構(gòu)受力及美觀后采用12 m，
每個吊點設(shè)2根吊索。吊索采用163絲直徑5mm的預(yù)制平行鋼絲束，外包PE進行防護，上下端均為銷接式。吊索上下錨頭均采用叉形熱鑄錨。錨杯內(nèi)熱鑄鋅銅合金。叉形耳板與錨杯用螺紋連接。
4計算模型與結(jié)果分析
4.1 模型的建立
采用Midas／Civil軟件建立有限元模型，根據(jù)主橋結(jié)構(gòu)特點，對于主梁、主塔采用三維梁單元模擬，其截面特性按照實際情況定義相應(yīng)的截面。橋塔截面按實際尺寸輸入。主纜、吊索采用只受拉桁架單元模擬，其截面特性按照實際截面模擬。全橋共計1 971個節(jié)點，2 552個梁單元，202個桁架單元。材料特性均按規(guī)范取值，二恒取值227k N／m。
4.2荷載組合
城市主干路采用公路I級車道荷載，縱向計算按6車道加載，按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)對橋長及車道數(shù)進行縱、橫向折減�！惰F路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》( TB10002.1 -2005)規(guī)定，與鐵路荷載組合時，公路活載按全部活載的75%計算。
4.3 主要計算結(jié)果
4.3.1結(jié)構(gòu)剛度
對于作用有軌道交通的懸索橋而言，剛度是其設(shè)計控制的重要指標(biāo)，必須對其活載位移進行嚴格控制，通過調(diào)整主要構(gòu)件間的剛度分布、邊跨輔助墩、結(jié)構(gòu)體系、橋塔形式及高度等參數(shù)，對全橋的活載剛度進行控制，以滿足車橋耦合相互作用的要求，其主要計算結(jié)果見表1。
針對本橋結(jié)構(gòu)特點及受力性能，進行了相關(guān)車橋耦合動力響應(yīng)分析，計算結(jié)果表明當(dāng)單線或雙線B型車分別以80～140 km/h通過該橋時，在所有計算工況下，橋梁的動力響應(yīng)均在容許值以內(nèi)，列車行車安全性滿足要求，列車的車體豎、橫向振動加速度滿足限值要求，行車舒適性達到“良好”標(biāo)準(zhǔn)。
4.3.2主梁計算結(jié)果
鋼箱梁在主力工況下橋塔處負彎矩最大為-172 597 k N．m，65 m跨跨中正彎矩最大為
137 096 k N．m。鋼箱梁在主十附工況下橋塔處負彎矩最大為- 218 143 k N．m，65 m跨跨中正彎矩最大為146 064 k N．m;主力工況下最大拉應(yīng)力為160 M Pa，最大壓應(yīng)力為-168 M Pa。在主十附工況下最大拉應(yīng)力為178 M Pa，最大壓應(yīng)力為-215 M Pa，均滿足規(guī)范要求。
4.3.3 主纜及吊索索力
主纜及吊索作為懸索橋重要的承重構(gòu)件，在設(shè)計過程中，按照目前通用做法，運營狀態(tài)主纜的安全系數(shù)不應(yīng)小于2.5，吊索的安全系數(shù)不應(yīng)小于3.0。主力工況下，主纜最大應(yīng)力為640 M Pa，安全系數(shù)為2. 609;吊索最大應(yīng)力為534 M Pa，安全系數(shù)為3. 483;主十附工況下，主纜最大應(yīng)力為659 M Pa，安全系數(shù)為2.534;吊索最大應(yīng)力為536 M Pa，安全系數(shù)為3.47。
4.3.4鋼箱梁局部應(yīng)力分析
采用Midas/Fea軟件建立節(jié)段有限元模型，選取全橋計算中的4個節(jié)間長度，鋼箱梁、橫隔板、橫梁、縱梁、橫肋、K撐均采用板單元模擬。細部分析模型共557 272個節(jié)點，613 590個板單元。鋼箱梁、鋼縱梁在橫斷面形心處施加對應(yīng)工況的內(nèi)力結(jié)果；吊點處按簡支考慮。其計算模型見圖4。
計算結(jié)果表明，通過設(shè)置K撐，橫梁與箱梁連接處的剛度大大提高，在恒載十活載作用下，橫梁與箱梁頂板相連的位置等效應(yīng)力水平大約為100 M Pa左右，橫梁與箱梁底板相連的位置等效應(yīng)力水平大約為60 M Pa，各構(gòu)件應(yīng)力指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。
5 結(jié)論
(1)應(yīng)綜合考慮橋梁邊界條件進行公軌兩用橋梁橋面布置形式的選擇。
(2)本橋作用有6車道公路及雙線軌道交通，采用梁高較小，抗風(fēng)性能更好的分離式鋼箱主梁是合適的。
(3)分離式雙幅主梁方案橫向較寬，通過對此類型截面受力進行分析，詳細了解其受力特性。計算結(jié)果可知，分離式鋼箱梁受力特性較好。
(4)應(yīng)根據(jù)場地條件合理確定錨碇形式。
(5)對于分離式雙幅鋼箱梁，目前還沒有針對懸索橋的相關(guān)規(guī)范，本設(shè)計可供相關(guān)工程參考。
