高速铁路大跨度刚构部分斜拉桥设计关键技术.pdf

第 63 卷 第 9 期2023 年9 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.9September 2023文章编号：10031995（2023）09005405高速铁路大跨度刚构部分斜拉桥设计关键技术张欣欣中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070摘要 预应力混凝土部分斜拉桥结构刚度大，经济性好，适宜铺设无砟轨道，是200 300 m跨度高速铁路桥梁的首选桥型。本文以高速铁路主跨248 m刚构部分斜拉桥为背景，研究高速铁路大跨度刚构部分斜拉桥合理的结构体系、轨道平顺性、索梁荷载比、合龙顶推力等关键技术。静力计算结果表明：刚构体系比连续梁体系刚度更大，经济性好，更有利于行车安全性；两种结构体系轨道不平顺均能满足要求，对于长短波不平顺，与连续梁体系相比刚构体系中跨不平顺值小，边跨不平顺值大；索梁荷载比与斜拉索刚度成正比，与主梁刚度成反比；刚构部分斜拉桥合龙后的收缩徐变和高温合龙导致结构产生附加内力，合理设置顶推力须综合考虑主墩受力与运营阶段塔顶位移。关键词 高速铁路桥梁；部分斜拉桥；理论计算；结构体系；轨道不平顺；索梁荷载比；顶推力中图分类号 U448.27 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.09.12引用格式：张欣欣.高速铁路大跨度刚构部分斜拉桥设计关键技术 J.铁道建筑，2023，63（9）：5458.部分斜拉桥又称矮塔斜拉桥，其结构刚度大、经济性好，适宜铺设无砟轨道1-2，尤其适用于高速铁路大跨度桥梁。随着我国高速铁路快速发展，预应力混凝土部分斜拉桥在200 300 m跨径高速铁路桥梁中使用越来越广泛，如已建成的主跨288 m福平铁路乌江特大桥，主跨22 m的商河杭高铁颍上特大桥，主跨588 m的商合杭芜湖长江公铁大桥3-6。高速铁路部分斜拉桥对主梁竖向刚度、轨道平顺性要求高，高速铁路大跨度刚构部分斜拉桥合理结构设计的关键在于选择合理的结构体系、保持良好的无砟轨道平顺性、合适的索梁荷载比、精确的合龙顶推力，从而解决收缩徐变和温度引起的结构次内力。本文以高速铁路主跨248 m刚构部分斜拉桥为对象，研究刚构部分斜拉桥设计关键技术，研究成果可为相同体系的部分斜拉桥设计提供理论参考。1 工程概况 在建淮宿蚌高速铁路设计行车速度为350 km/h，跨越淮河主桥采用（124+248+124）m预应力混凝土部分斜拉桥，塔梁墩固结体系，见图1。梁体截面为单箱双室、变高度、直腹板箱梁，桥面宽14.3 m，中支点截面梁高为13.0 m，边跨直线段及中跨跨中截面梁高为6.0 m，梁底下缘按二次抛物线变化。索塔采用直立式桥塔形式，桥面以上塔高47.1 m，塔柱采用矩形截面，横桥向宽度为2.6 m，顺桥向塔身宽度为5 9 m。斜拉索采用环氧涂层高强度钢绞线，每个桥塔设置10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8.0 m。主墩采用双薄壁实体截面，顺桥向宽度为2.7 m，双臂间距3.6 m，横向宽度为15.5 m，墩高分别为27.5、28.0 m。2 结构体系比选 对于部分斜拉桥，常用的结构体系为刚构体系（塔梁墩固结）和连续梁体系（塔梁固结，塔墩分离）。当墩高大于跨度的1/10，可采用刚构体系；当墩高小于跨度的1/8，不宜采用刚构体系。该桥主墩墩高约为主跨跨度的1/9。为明确两种结构体系的适应性，建立有限元模型进行静力计算分析，从结构刚度、强度、自振特性、无砟轨道平顺性等方面予以对比。图1部分斜拉桥总体布置（单位：m）收稿日期：20230319；修回日期：20230610基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（N2022G065）作者简介：张欣欣(1987)，女，高级工程师，硕士。E-mail：第 9 期张欣欣：高速铁路大跨度刚构部分斜拉桥设计关键技术2.1刚度双线静活载作用下结构变形见表1。不同结构体系温度作用竖向变形见图2。可知：刚构体系刚度更大，连续梁体系的中跨挠度、梁端转角、塔顶位移约为刚构体系的1.9 2.3倍。连续梁体系梁端转角与简支梁梁端转角之和超过TB 100022017 铁路桥涵设计规范 中的限值 2rad，需通过增加外伸跨等方法减小梁端转角。在整体升温作用下，刚构体系中跨主梁变形为上拱，而连续梁体系主梁中跨变形为下挠；在整体降温作用下，刚构体系中跨主梁变形为下挠，而连续梁体系为上拱。刚构体系斜拉桥在整体升降温作用下变形规律与连续梁体系相反，原因是主梁纵向伸缩引起刚构墩顶沿纵向变形，刚构墩转角带动主梁竖向变形。如整体升温情况下，主梁向外伸长，刚构墩顶随着主梁向边跨移动，引起刚构墩的外翻，主梁随着桥墩转动则引起中跨向上的变形。2.2强度对两种结构体系在恒载和 ZK 活载作用下的支点、跨中弯矩进行对比，见表2。可知：刚构体系主梁支点弯矩比连续梁体系大，恒载弯矩大9%，活载弯矩大7%；刚构体系主梁跨中弯矩比连续梁体系小，恒载弯矩小19%，活载弯矩小29%。刚构体系桥墩承受较大弯矩，连续梁体系桥墩无弯矩。2.3自振特性结构自振特性决定结构动力特性反应，结构动力特性取决于结构体系、刚度、质量、支承条件等7。两种结构体系自振特性见表3。可知：刚构体系的自振频率明显大于连续梁体系，表明刚构体系具有较大的结构刚度；连续梁体系一阶振动为主梁纵飘，表明连续梁体系结构整体纵向刚度较小。2.4轨道平顺性大跨度桥上铺设无砟轨道，成桥线形、徐变变形、温度变形等会引起桥梁线形变化，从而导致轨道结构的高低不平顺发生变化8。TB 1006212014 高速铁路设计规范 规定了正线轨道静态铺设标准，对于高低不平顺，包含了短波不平顺和长波不平顺，长波不平顺采用60 m弦中点弦测法作为大跨度铁路桥梁桥上轨道静态长波不平顺检测标准9。计算成桥阶段、徐变后两种线形与温度最不利组合下两种体系无砟轨道不平顺，见表4。可知：对于中跨，刚构体系10、60 m弦高低不平顺均比连续梁体系小；对于边跨，刚构体系10、60 m弦高低不平顺均比连续梁体系大。两种体系10 m弦高低不平顺小于2 mm，满足TB 106212014限值；60 m弦高低不平顺不大于7 mm，满足要求9。综上分析，两种结构体系轨道不平顺均能满足要求，连续梁体系可以改善桥墩受力，但整体刚度较小，刚构体系无须设置大吨位支座，且节约临时固结措表1双线静活载作用下结构变形体系刚构体系连续梁体系中跨挠度/mm-97.4-186.8挠跨比1/2 5461/1 328梁端转角/（rad）0.781.69塔顶位移/mm26.861.5图2不同结构体系温度作用竖向变形表2两种结构体系内力体系刚构体系连续梁体系主梁支点弯矩/(kNm)恒载-4 267 570-3 909 310ZK活载-643 002-589 452主梁跨中弯矩/(kNm)恒载850 7541 047 080ZK活载157 798223 224桥墩弯矩/(kNm)恒载254 2320ZK活载80 0660表3两种结构体系自振特性振型阶数12345刚构体系自振频率/Hz0.5280.6200.6620.7010.714振型特性主梁及主塔对称横向弯曲主梁及主塔反对称横向弯曲主塔反对称横向弯曲主梁及主塔对称横向弯曲主梁及主塔对称竖向弯曲连续梁体系自振频率/Hz0.2940.4880.5290.7080.713振型特性主梁纵飘主梁对称竖向弯曲主梁对称横向弯曲主塔反对称横向弯曲主塔对称横向弯曲表4两种结构体系无砟轨道不平顺mm结构体系刚构体系连续梁体系线形组合成桥线形+温度组合徐变后变形+温度组合成桥线形+温度组合徐变后变形+温度组合中跨10 m弦高低不平顺0.050.190.120.2360 m弦高低不平顺1.563.623.665.72边跨10 m弦高低不平顺0.110.280.060.1960 m弦高低不平顺3.366.681.492.8155铁道建筑第 63 卷施，经济性好，整体刚度较大，更有利于行车安全性。综合比较推荐采用刚构体系。3 索梁荷载比 索梁荷载比（）是区分部分斜拉桥和常规斜拉桥的重要指标，分为索梁恒载比、索梁活载比。=斜拉索分担的竖向荷载/主梁分担的竖向荷载。部分斜拉桥的索梁荷载比小，常规斜拉桥的索梁荷载比大。索梁恒载比为0.3、索梁活载比为0.5可以作为部分斜拉桥和常规斜拉桥的分界10-11。铁路部分斜拉桥主梁刚度大，索梁荷载比比公路桥梁小。对于部分斜拉桥结构参数确定的情况下，通过调整斜拉索刚度、主梁刚度来计算索梁荷载比的变化，以及索梁荷载比与结构变形的对应关系。3.1斜拉索刚度主梁活载变形与斜拉索刚度系数、索梁荷载比的关系见表5。可知：索梁荷载比与斜拉索刚度系数成正比例关系，斜拉索刚度系数增加20%，索梁恒载比约增加17.5%，索梁活载比约为索梁恒载比的2倍。斜拉索刚度系数从0.4增加到1.6时，索梁恒载比增加 3.5 倍，索梁活载比增加 4.2 倍；主梁挠度减少17.2%，梁端转角减少4.1%。3.2主梁刚度索梁荷载比与主梁刚度的关系见图3。主梁活载变形与主梁刚度系数、索梁荷载比的关系见表6。可知：索梁荷载比与主梁刚度系数成反比，随着主梁刚度系数增大，索梁荷载比逐渐变小，变化速度由快到慢。斜拉索刚度不变，主梁刚度系数从0.4增加到 1.6 时，索梁恒载比减少 65%，索梁活载比减少66%，主梁挠度减少55%，梁端转角减少70%，可见主梁变形减小比例与索梁荷载比减小比例基本相当。对比表5可知，主梁刚度系数增加引起的变形减小比例明显高于增加斜拉索刚度系数，这是部分斜拉桥的特点。常规斜拉桥增大梁高可提高结构整体刚度，但提高幅度较小12-13，是部分斜拉桥和常规斜拉桥的主要区别。4 多目标优化合龙顶推力 刚构体系部分斜拉桥合龙后，混凝土的徐变、收缩、体系降温等作用都会使主梁出现缩短现象，主梁缩短带动桥墩产生相应的水平变位。为了消除成桥后混凝土收缩徐变，以及合龙温度对桥塔、桥墩、主梁的变形和受力的影响，在中跨合龙时需施加顶推力。然而，合龙段施加顶推力过大会造成桥墩在施工过程受力过大14。为分析合理顶推力，在不考虑合龙温差的情况下，顶推力分别取0、5000、10 000、15 000、20 000 kN，采用控制主墩弯矩和裂缝、墩顶和塔顶位移两种原则确定合理顶推力。当实际合龙温度与设计合龙温度存在偏差时，还需考虑合龙温度对顶推力的影响。4.1以控制主墩弯矩和裂缝为目标主梁在中跨合龙后，由于混凝土长期收缩徐变和整体升降温影响，墩柱中会产生很大的次内力。为改善结构受力、优化结构尺寸，提出在合龙前对梁体施加水平顶推力，可有效降低墩身及基础后期的内力，对改善桥墩和基础的受力效果显著。计算成桥状态、徐变完成后、主力工况、主力+附加力工况下顶推力与主墩弯矩、主墩最大裂缝的关系，分别见图4和图5。可知：随着顶推力增加，墩顶负弯矩和墩底正弯矩绝对值均呈线性减小趋势，顶推力在15 000 20 000 kN时，成桥状态墩顶和墩底弯矩最小，其余工况下墩顶和墩底弯矩均较小。随着顶推力增加，主墩最大裂缝呈线性减小趋势。为控制裂缝在0.15 mm以下，顶推力应不小于10 000 kN。综合考虑，在达到裂缝控制目标情况下，尽量减小成桥状态的主墩弯矩。表5主梁活载变形与斜拉索刚度系数、索梁荷载比的关系斜拉索刚度系数0.40.60.81.01.21.41.6索梁恒载比0.0880.1290.1680.2050.2410.2750.307索梁活载比0.1650.2490.3350.4220.5100.5990.690主梁挠度/mm105.9101.798.595.492.590.087.7主梁挠跨比1/2 341.81/2 438.51/2 517.81/2 599.61/2 681.11/2 755.61/2 827.8梁端转角/（rad）0.7810.7740.7690.7640.7580.7530.749图3索梁荷载比与主梁刚度系数的关系表6主梁活载变形与主梁刚度系数、索梁荷载比的关系主梁刚度系数0.40.60.81.01.21.41.6索梁恒载比0.4010.3020.2430.2050.1770.1570.141索梁活载比0.8560.6280.5030.4220.3660.3240.292活载挠度/mm159.2127.8108.595.485.778.172.1主梁挠跨比1/1 557.81/1 940.51/2 285.71/2 599.61/2 893.81/3 175.41/3 175.4梁端转角/(rad)1.4971.1180.9030.7640.6640.5890.58956第 9 期张欣欣：高速铁路大跨度刚构部分斜拉桥设计关键技术4.2以控制墩顶、塔顶纵向位移为目标正负温差效应引起的塔顶位移左右对称，故顶推力仅需要考虑成桥状态位移和混凝土收缩徐变长期作用引起的位移。顶推力与墩顶、塔顶位移的关系见图 6。其中，塔顶偏位向跨中侧时为正，向边跨侧时为负。由图6可知，顶推力越大，成桥状态和徐变完成后的塔顶位移越小，塔顶位移和顶推力成线性关系。顶推力为 10 000 kN时，顶推力引起的变形基本与恒载变形抵消，成桥状态塔顶变形为0。顶推力宜消除混凝土收缩徐变引起的纵向变形的一半，使得运营阶段恒载作用下变形最小。徐变完成后和成桥状态下变形差值约为26.5 mm，即为混凝土收缩徐变引起的位移。考虑到实际工程边支座水平方向具有一定的摩擦阻力，实际收缩徐变变形不一定能达到计算值，同时为了使成桥阶段至徐变完成阶段塔顶位移处于较小水平，合龙时考虑预先顶推位移的40%。墩顶顶推位移最终确定方法为顶推=-（成桥+0.4 收缩徐变）。其中，成桥为成桥状态位移，收缩徐变为收缩徐变变形。计算得到合理顶推力约为15 000 kN。4.3不同合龙温度情况下多目标顶推力刚构体系部分斜拉桥在整体升降温作用下，主梁纵向伸缩会引起主墩出现水平偏位，进而在结构中产生温度次内力15。桥址处最低月平均气温为1.0，最高月平均气温为28.1。合龙温度取15。当实际合龙温度高于设计合龙温度时，降温作用导致桥墩产生向跨中侧的位移，引起结构附加内力，可以通过施加顶推力消除高温合龙导致的不利影响。以消除降温温差对桥墩弯矩、墩顶和塔顶位移影响为目标，计算顶推力见表7。可知，实际合龙温度大于15 时，以消除桥墩弯矩为目标计算的顶推力较大，以消除墩顶和塔顶位移为目标计算的顶推力较小。综上，顶推力需要考虑结构收缩徐变和整体升降温的影响，在接近设计合龙温度时合龙。5 结论 1）刚构体系无须设置大吨位支座，且节约临时固结措施，经济性好，整体刚度较大，更有利于行车安全性，在墩高大于跨度的1/8时，优先采用刚构体系部分斜拉桥。2）刚构体系和连续梁体系轨道不平顺均能满足要求。对于中跨，刚构体系10、60 m弦高低不平顺均比连续梁体系小。对于边跨，刚构体系10、60 m弦高低不平顺均比连续梁体系大。3）索梁活载比约为索梁恒载比的2倍，索梁荷载比与斜拉索刚度系数成正比例关系，与主梁刚度系数成反比例关系。4）随着刚构部分斜拉桥顶推力增加，墩顶负弯矩、墩底正弯矩、主墩最大裂缝均呈线性减小趋势；顶推力越大，成桥状态和徐变完成后的塔顶位移越小。顶推力需综合考虑主墩受力与运营阶段塔顶位移，并考虑合龙温度对顶推力的影响。图4顶推力与主墩弯矩的关系图5顶推力与主墩最大裂缝的关系图6顶推力与墩顶、塔顶位移的关系表7不同合龙温度情况下多目标顶推力合龙温度/1516171819202122232425消除桥墩弯矩顶推力/kN15 00016 29817 59618 89420 19221 49022 78824 08625 38426 68227 980消除墩顶和塔顶位移顶推力/kN15 00015 59616 19216 78817 38417 98018 57619 17219 76820 36420 96057铁道建筑第 63 卷参考文献1 卫康华，罗浩，杨孟.塔墩梁固结的三塔四跨矮塔斜拉桥成桥状态力学参数研究 J.铁道科学与工程学报，2017，14（5）：988-996.2 STROH S L.On the Development of the Extradosed Bridge Concept D.Tampa Bay：University of South Florida，2012.3 陈良江，阎武通.铁路200 m以上跨度混凝土桥梁设计参数取值探讨 J.铁道建筑技术，2022（7）：1-54 刘榕，伍英，丁延书，等.多塔矮塔斜拉桥结构参数敏感性分析 J.铁道科学与工程学报，2018，15（5）：1224-12305 陈怀智，张欣欣.池黄高速铁路大跨度多塔矮塔斜拉桥总体设计 J.铁道建筑，2022，62（3）：94-98.6 喻梅，廖海黎，李乔，等.多塔斜拉桥的结构体系研究 J 铁道建筑，2015，55（5）：12-197 罗浩，丁延书，刘榕，等.多塔矮塔斜拉桥结构体系的适用性研究 J.华东交通大学学报，2019，36（1）：49-58.8 王安琪，姜恒昌，张光明，等.高速铁路大跨度连续刚构梁桥预拱度设置对无砟轨道的影响研究 J.铁道标准设计，2020，64（4）：73-76.9 国家铁路局.国家铁路局关于发布铁道行业标准的公告（工程建设标准 2023 年第 2 批）EB/OL.（2023-03-09）2023-03-19.https：/ 陈从春，肖汝诚.用索梁活载比界定矮塔斜拉桥的方法 J.同济大学学报（自然科学版），2007，35（6）：724-727.11 孙宗磊，周岳武.大跨度铁路混凝土部分斜拉桥设计参数研究 J.铁道工程学报，2022，39（3）：50-54，61.12 刘晓光，郭辉，赵欣欣.沪通长江大桥主航道桥总体设计参数分析 J.桥梁建设，2015，45（6）：63-68.13 陈良江.我国铁路斜拉桥的实践与设计参数研究 J.铁道建筑，2017，57（11）：1-6.14 杨孟刚，黄文龙，卫康华.塔墩梁固结矮塔斜拉桥合龙顶推力的简化计算方法 J.桥梁建设，2017，47（3）：71-76.15 伍英，刘榕，邹卓，等.多塔矮塔斜拉桥合龙顶推力多目标优化研究 J.铁道科学与工程学报，2018，15（6）：1481-1486.Key Design Techniques of High Speed Railway Longspan Rigid Frame Extradosed BridgeZHANG XinxinChina Railway Shanghai Design Institute Group Co.，Ltd，Shanghai 200070，ChinaAbstract The prestressed concrete extradosed bridge has large structural stiffness，good economy，and is suitable for ballastless track.It is the preferred bridge type for 200 300 m span high speed railway bridges.Taking the high speed railway main span 248 m rigid frame partial cable-stayed bridge as the background，the reasonable structural system，track smoothness，cable-girder load ratio，closure top thrust and other key technologies of the high speed railway long-span rigid frame extradosed bridge were studied.The static calculation results indicate that the rigid frame system has greater stiffness，better economy，and is more conducive to driving safety than the continuous girder system.Both types of structural systems can meet the requirements for track irregularities.For long and short wave irregularities，compared to continuous girder systems，rigid frame systems have lower mid-span irregularities and higher side-span irregularities.The cable-girder load ratio is directly proportional to the stiffness of the cable and inversely proportional to the stiffness of the main girder.The shrinkage，creep，and high temperature closure of the rigid frame extradosed bridge after closure can lead to additional internal forces in the structure.Reasonable setting of the jacking force requires comprehensive consideration of the main pier stress and tower top displacement during operation.Key words high speed railway bridge；extradosed bridge；theoretical calculation；structural system；track irregularity；cable-girder load ratio；jacking forceCitation format：ZHANG Xinxin.Key Design Techniques of High Speed Railway Long-span Rigid Frame Extradosed Bridge J.Railway Engineering，2023，63（9）：5458.（编辑：郑冰 校对：苗蕾）58