主跨600 m公軌兩用懸索橋設計創新及研究（交通）

                                鄧世海

             （中鐵第四勘察設計院集團有限公司  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，并預留雙線軌道交通，為解決傳統公軌分層布置引起的標高過高、投資過大等問題，在加勁梁的設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構，橋塔采用門形橋塔。通過對結構整體及局部的有限元分析，表明各項結果均滿足規范指標要求。

關鍵詞  大跨度懸索橋  公軌兩用橋  分離式鋼箱梁  方案設計

    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工程，加之公路、軌道交通橋梁構造的優勢互補性將使公軌兩用橋的材料用量遠小于相應的2座獨立橋梁之和。綜合以上因素，建造公軌兩用橋可以節省材料和施工費用，具有很好的經濟性。

1工程概況

    某長江大橋位于重慶市江津區，是江津區“五橫三縱”道路網絡中第二縱線上的控制性工程，是江津城區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，設計行車時速為50 km／h，橋面布置雙向6車道，同時預留雙線軌道交通。

2  主要技術標準

2.1  預留軌道交通主要技術標準

    ①線路等級。區域軌道交通；②正線數目。雙線，線間距4.1 m;③道床形式。整體道床；④速度目標值。120 km/h;⑤列車編組。4動2拖，B型車輛；⑥設計活載。B型車荷載。

2.2城市道路主要技術標準

    ①設計基準期。100年；②道路等級：城市主干路I級，雙向6車道；③設計車速。50 km/h;④設計活載。公路一I級；⑤通航等級。I級；⑥設計水位。300年一遇設計洪水位203.9 m。

3結構設計

3.1橋跨布置

    根據通航論證，結合橋位處跨越長江航道、港口碼頭、航運開發等情況，考慮橋墩阻水及紊流影響，主跨采用600 m-跨跨越長江。

3.2結構總體布置

    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結構設計

3.3.1  主梁

    合理的公軌合建橋面布置形式能有效減少結構重量、節約空間，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，其中吊點處設置大橫梁，其余設置小橫梁，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，其中標準吊裝段12 m，最大吊裝重量330 t。

    遠期實施軌道交通工程時，采用后澆結合段的方式，將先預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，以鋪設軌枕板及鋼軌。

3.3.2橋塔

    橋塔為門式框架結構。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構。

    橋塔上、下橫梁均采用變高箱型截面預應力混凝土結構，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纜索體系設計

    (1)主纜。主纜布置在人行道外側，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構受力及美觀后采用12 m，

每個吊點設2根吊索。吊索采用163絲直徑5mm的預制平行鋼絲束，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，根據主橋結構特點，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個節點，2 552個梁單元，202個桁架單元。材料特性均按規范取值，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《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)對橋長及車道數進行縱、橫向折減?！惰F路橋涵設計基本規范》( TB10002.1 -2005)規定，與鐵路荷載組合時，公路活載按全部活載的75%計算。

4.3  主要計算結果

4.3.1結構剛度

    對于作用有軌道交通的懸索橋而言，剛度是其設計控制的重要指標，必須對其活載位移進行嚴格控制，通過調整主要構件間的剛度分布、邊跨輔助墩、結構體系、橋塔形式及高度等參數，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，其主要計算結果見表1。

    針對本橋結構特點及受力性能，進行了相關車橋耦合動力響應分析，計算結果表明當單線或雙線B型車分別以80～140 km/h通過該橋時，在所有計算工況下，橋梁的動力響應均在容許值以內，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”標準。

4.3.2主梁計算結果

    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力為160 M Pa，最大壓應力為-168 M Pa。在主十附工況下最大拉應力為178 M Pa，最大壓應力為-215 M Pa，均滿足規范要求。

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件，在設計過程中，按照目前通用做法，運營狀態主纜的安全系數不應小于2.5，吊索的安全系數不應小于3.0。主力工況下，主纜最大應力為640 M Pa，安全系數為2. 609;吊索最大應力為534 M Pa，安全系數為3. 483;主十附工況下，主纜最大應力為659 M Pa，安全系數為2.534;吊索最大應力為536 M Pa，安全系數為3.47。

4.3.4鋼箱梁局部應力分析

    采用Midas/Fea軟件建立節段有限元模型，選取全橋計算中的4個節間長度，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個節點，613 590個板單元。鋼箱梁、鋼縱梁在橫斷面形心處施加對應工況的內力結果；吊點處按簡支考慮。其計算模型見圖4。

    計算結果表明，通過設置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力水平大約為60 M Pa，各構件應力指標均滿足規范要求。

5  結論

    (1)應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。計算結果可知，分離式鋼箱梁受力特性較好。

    (4)應根據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規范，本設計可供相關工程參考。