主跨600 m公轨两用悬索桥设计创新及研究（交通）
主跨600 m公轨两用悬索桥设计创新及研究（交通）
邓世海
（中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉430063）
摘要某长江大桥主桥采用50 m+600 m+65 m钢箱梁悬索桥方案，并预留双线轨道交通，为解决传统公轨分层布置引起的标高过高、投资过大等问题，在加劲梁的设计中采用了公路与轨道交通同层布置方案，主梁采用分离式双幅钢箱梁结构，桥塔采用门形桥塔。通过对结构整体及局部的有限元分析，表明各项结果均满足规范指标要求。
关键词 大跨度悬索桥 公轨两用桥 分离式钢箱梁 方案设计
公轨两用桥不仅能够共用桥位，充分合理地利用空间，还能极大地减少基础工程，加之公路、轨道交通桥梁构造的优势互补性将使公轨两用桥的材料用量远小于相应的2座独立桥梁之和。综合以上因素，建造公轨两用桥可以节省材料和施工费用，具有很好的经济性。
1工程概况
某长江大桥位于重庆市江津区，是江津区“五横三纵”道路网络中第二纵线上的控制性工程，是江津城区融人重庆的主要通道之一，南起滨江路，跨越长江后连接北岸规划道路。北岸有成渝铁路沿江而行，大桥上跨成渝铁路。大桥所在线路为城市主干路I级，设计行车时速为50 km／h，桥面布置双向6车道，同时预留双线轨道交通。
2 主要技术标准
2.1 预留轨道交通主要技术标准
①线路等级。区域轨道交通；②正线数目。双线，线间距4.1 m;③道床形式。整体道床；④速度目标值。120 km/h;⑤列车编组。4动2拖，B型车辆；⑥设计活载。B型车荷载。
2.2城市道路主要技术标准
①设计基准期。100年；②道路等级：城市主干路I级，双向6车道；③设计车速。50 km/h;④设计活载。公路一I级；⑤通航等级。I级；⑥设计水位。300年一遇设计洪水位203.9 m。
3结构设计
3.1桥跨布置
根据通航论证，结合桥位处跨越长江航道、港口码头、航运开发等情况，考虑桥墩阻水及紊流影响，主跨采用600 m-跨跨越长江。
3.2结构总体布置
主桥采用50 m+600 m+65 m公轨两用钢箱梁悬索桥，主桥全长715 m。桥式布置见图1。
主桥支承体系采用半漂浮体系，在桥塔及桥墩处布置竖向、横向支承，并在主塔和主梁之间安装纵向阻尼装置，以控制主梁在制动力和地震力作用下的纵向位移。
3.3结构设计
3.3.1 主梁
合理的公轨合建桥面布置形式能有效减少结构重量、节约空间，同时改善桥梁的整体受力。本桥采用双幅式钢箱梁方案，桥面全宽41 m，2幅加劲梁净距10 m，之间以多道横梁连为一体，其中吊点处设置大横梁，其余设置小横梁，形成纵横梁体系。见图2。
每幅主梁采用单箱单室钢箱梁，采用正交异性板体系，主梁梁高4.2 m、宽13. 277 m;顶板厚16 mm，U形加劲肋厚8 mm;底板厚14 mm，其U形加劲肋厚6 mm；吊耳板厚60 mm。
根据加劲梁的长度、梁段运输条件、吊装能力等因素，主跨钢箱梁单元制造划分成49个吊装段，其中标准吊装段12 m，最大吊装重量330 t。
远期实施轨道交通工程时，采用后浇结合段的方式，将先预制好的混凝土板安装在中间横梁上，使混凝土板与钢横梁连接成为整体桥面板，以铺设轨枕板及钢轨。
3.3.2桥塔
桥塔为门式框架结构。南岸主塔高113. 867m，其中桥面以上80. 25 m;桥塔上横梁处横向全宽42. 908 m，塔柱底部横向全宽54. 244 m;北侧主塔高111. 787 m，其中桥面以上75. 75 m;桥塔上横梁处横向全宽42. 908 m，塔柱底部横向全宽53. 786 m。见图3。
塔柱身为八角空心箱型截面，每个塔柱横桥向总宽为6.0 m，顺桥向总宽为8.0 m，塔壁厚度沿塔柱高度方向变化。塔柱为普通钢筋混凝土结构。
桥塔上、下横梁均采用变高箱型截面预应力混凝土结构，上横梁底缘半径117. 625 m，跨中梁高为4.0 m，下横梁底缘半径130. 754 m，跨中梁高为6.5 m。
3.3.3缆索体系设计
(1)主缆。主缆布置在人行道外侧，2根主缆的横向中心距为36.5 m，矢高为66 m，矢跨比为1／9. 09。每根主缆由121股127丝直径5.3 mm（镀锌后直径）的镀锌高强钢丝组成，主缆公称抗拉强度为1 670 M Pa，其锚固体系采用冷铸锚具。
(2)吊索。吊索在主跨采用平行布置，顺桥向间距在综合考虑结构受力及美观后采用12 m，
每个吊点设2根吊索。吊索采用163丝直径5mm的预制平行钢丝束，外包PE进行防护，上下端均为销接式。吊索上下锚头均采用叉形热铸锚。锚杯内热铸锌铜合金。叉形耳板与锚杯用螺纹连接。
4计算模型与结果分析
4.1 模型的建立
采用Midas／Civil软件建立有限元模型，根据主桥结构特点，对于主梁、主塔采用三维梁单元模拟，其截面特性按照实际情况定义相应的截面。桥塔截面按实际尺寸输入。主缆、吊索采用只受拉桁架单元模拟，其截面特性按照实际截面模拟。全桥共计1 971个节点，2 552个梁单元，202个桁架单元。材料特性均按规范取值，二恒取值227k N／m。
4.2荷载组合
城市主干路采用公路I级车道荷载，纵向计算按6车道加载，按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)对桥长及车道数进行纵、横向折减。《铁路桥涵设计基本规范》( TB10002.1 -2005)规定，与铁路荷载组合时，公路活载按全部活载的75%计算。
4.3 主要计算结果
4.3.1结构刚度
对于作用有轨道交通的悬索桥而言，刚度是其设计控制的重要指标，必须对其活载位移进行严格控制，通过调整主要构件间的刚度分布、边跨辅助墩、结构体系、桥塔形式及高度等参数，对全桥的活载刚度进行控制，以满足车桥耦合相互作用的要求，其主要计算结果见表1。
针对本桥结构特点及受力性能，进行了相关车桥耦合动力响应分析，计算结果表明当单线或双线B型车分别以80～140 km/h通过该桥时，在所有计算工况下，桥梁的动力响应均在容许值以内，列车行车安全性满足要求，列车的车体竖、横向振动加速度满足限值要求，行车舒适性达到“良好”标准。
4.3.2主梁计算结果
钢箱梁在主力工况下桥塔处负弯矩最大为-172 597 k N．m，65 m跨跨中正弯矩最大为
137 096 k N．m。钢箱梁在主十附工况下桥塔处负弯矩最大为- 218 143 k N．m，65 m跨跨中正弯矩最大为146 064 k N．m;主力工况下最大拉应力为160 M Pa，最大压应力为-168 M Pa。在主十附工况下最大拉应力为178 M Pa，最大压应力为-215 M Pa，均满足规范要求。
4.3.3 主缆及吊索索力
主缆及吊索作为悬索桥重要的承重构件，在设计过程中，按照目前通用做法，运营状态主缆的安全系数不应小于2.5，吊索的安全系数不应小于3.0。主力工况下，主缆最大应力为640 M Pa，安全系数为2. 609;吊索最大应力为534 M Pa，安全系数为3. 483;主十附工况下，主缆最大应力为659 M Pa，安全系数为2.534;吊索最大应力为536 M Pa，安全系数为3.47。
4.3.4钢箱梁局部应力分析
采用Midas/Fea软件建立节段有限元模型，选取全桥计算中的4个节间长度，钢箱梁、横隔板、横梁、纵梁、横肋、K撑均采用板单元模拟。细部分析模型共557 272个节点，613 590个板单元。钢箱梁、钢纵梁在横断面形心处施加对应工况的内力结果；吊点处按简支考虑。其计算模型见图4。
计算结果表明，通过设置K撑，横梁与箱梁连接处的刚度大大提高，在恒载十活载作用下，横梁与箱梁顶板相连的位置等效应力水平大约为100 M Pa左右，横梁与箱梁底板相连的位置等效应力水平大约为60 M Pa，各构件应力指标均满足规范要求。
5 结论
(1)应综合考虑桥梁边界条件进行公轨两用桥梁桥面布置形式的选择。
(2)本桥作用有6车道公路及双线轨道交通，采用梁高较小，抗风性能更好的分离式钢箱主梁是合适的。
(3)分离式双幅主梁方案横向较宽，通过对此类型截面受力进行分析，详细了解其受力特性。计算结果可知，分离式钢箱梁受力特性较好。
(4)应根据场地条件合理确定锚碇形式。
(5)对于分离式双幅钢箱梁，目前还没有针对悬索桥的相关规范，本设计可供相关工程参考。
