【《公铁两用大跨度斜拉桥工程的不同方案比对分析》6800字】

公铁两用大跨度斜拉桥工程的不同方案比对分析论文依托工程为一公铁两用大跨度斜拉桥，位于川南城际铁路自贡至宜宾线中，地处四川省宜宾市境内，位于长江主干源头，是新建川南城际铁路与渝昆高铁的过江通道。大桥建设场地位于宜宾市南东面临港工业区附近，此处地貌属低山丘陵及河谷冲积地貌，丘槽相间，地形波状起伏；场地范围及周边无大规模崩塌、滑坡、泥石流等不良工程地质现象，稳定性较好。该桥场地类别为Ⅲ类，桥址距佛界山断裂最近距离约0.9km，该断裂为中更新世活动断裂，不具备发生地表错动的强震构造条件；场地不良地质主要为砂土液化、泥岩风化剥落；特殊岩土为松软土、人工弃土、泥岩的膨胀性；地震动峰值加速度为0.10g，为高烈度地震区，加之地下水位埋深较浅，按《建筑抗震设计规范》[80]（GB50011-2010）判定。因此在Ⅶ度地震作用下，场地存在地震诱发砂土液化的可能，但不具有大规模的崩塌、滑坡、陷落及地表位错等地震地质灾害的条件。本公铁两用大跨度斜拉桥工程设计目标如表2-1所示。表2-1桥梁设计目标设计阶段和设防水准设计目标施工阶段施工方案安全可行；防止施工对相邻建（构）筑物的破坏；防止环境破坏运营阶段结构刚度和承载力等满足要求，确保运营安全；设计经济合理多遇地震地震后不损坏或轻微损坏，能够保持其正常使用功能，结构处于弹性工作阶段设计地震地震后可能损坏，经修补短期内能恢复其正常使用功能；结构整体处于非弹性工作阶段罕遇地震地震后可能产生较大的破坏，但不出现整体倒塌，经抢修后可以限速通车；结构处于弹塑性工作阶段图2-1斜拉桥整桥布置图本桥主梁设计中根据公路与铁路位置不同，提出了三种主梁结构形式，对应的三种设计方案分别是：方案一为单层宽箱梁设计方案，方案二为错层铁路公路分离式箱梁设计方案，方案三为桁架主梁设计方案。设计中三种方案整体布置具有一致性，在静力分析中本桥三种模型皆为北岸桥塔由支座约束主梁横向和纵向位移，南岸桥塔纵向无约束，在动力分析中本桥三种方案皆为半飘浮体系。论文中三种设计方案整桥跨桥纵向布置相同，示意图如图2-1所示，三种设计方案跨径分布皆72.5+203+522+203+72.5m=1073m。桥墩编号沿主梁从北岸到南岸分别为：P1墩、P2墩、P3墩、P4墩。单层车道布置主梁、错层车道布置主梁和双层桁架梁布置主梁，三种不同设计方案在工程施工和运营过程中结构特性和力学特性各有优劣。对于三者之间的差异性从构造设计上看，主要是箱梁主梁与桁架主梁结构的区别，以及铁路线路和公路线路在空间位置上的区别。对于三种设计方案的具体构造形式和与之带来的差异性在设计过程中需要加以了解与考虑。三种设计方案均采用环氧涂层钢绞线斜拉索。钢绞线斜拉索锚具采用夹片群锚，施工时可以逐根安装、张拉和锚固。环氧涂层钢绞线相较于镀锌钢绞线由于不需经高温镀锌，钢绞线的强度不会降低，仍可达1860Mpa。钢绞线斜拉索分两层进行防护，先是在单根钢绞线外涂油脂、包高密度聚乙烯（PE）护层进行防护，然后在整根拉索的外部再设一层高密度聚乙烯（PE）套管进行防护。其中钢绞线斜拉索具有如下优缺点：优点：（1）材料强度较高，承载能力大，抗疲劳性能较好;（2）索体采用多层防腐，有较好的防腐性能;（3）锚头尺寸小，实现单根钢绞线安装、调索、张拉与更换，无需严格定尺下料，工艺简单;（4）牵引张拉设备小型、简单;（5）检修、换索较方便。缺点：（1）钢绞线涂层对夹片锚固有一定影响，对锚具的性能要求较高;（2）钢绞线索还没有行业标准和国家标准。三种主梁设计方案南岸桥塔支座对主梁在静力和地震作用下均为竖向支撑，横向约束，纵向无约束；北岸在静力条件下或地震作用下塔梁约束不同，三种不同设计方案构造和北岸约束如表2-2所示。表2-2三种不同主梁设计方案设计方案主梁构造静力作用时约束地震作用时约束方案一平层宽箱梁竖向支撑，横纵向约束纵向开放，阻尼器减震方案二错层分离式箱梁竖向支撑，横纵向约束纵向开放，阻尼器减震方案三双桁主梁结构竖向支撑，横纵向约束纵向开放，阻尼器减震方案一方案一采用公路铁路车道单层布置宽箱主梁，主梁如图2-2所示。图2-2方案一主梁标准断面图如图2-2所示，此设计方案采用变截面箱梁梁宽63.9m，梁高约5.5m，梁段相对于主桥中跨中心线完全对称。根据钢箱梁板厚、所处部位及施工构造的不同，主梁截面采用变截面钢箱梁。该方案拉索采用空间四索面，共计拉索336根。方案中采用箱形加劲梁的设计，可防止桥面发生过大的挠曲变形和扭曲变形，加劲梁是承受风荷载和其他横向水平力的主要构件。铁路箱隔板上连接板最小板厚采用22mm，公路箱隔板上连接板板厚与下横隔板板件厚度一致。横隔板标准间距4m，索塔区梁段、辅助墩区梁段、梁端J梁段和跨中梁段部分横隔板间距加密至3m。一般梁段非吊点处横隔板板厚16mm，斜拉索吊点附近处板厚18mm，支座、压重段等特殊部位根据受力需要和构造要求，采用不同的板厚。顶板及顶板U肋，锚固腹板，横隔板上约700mm高度部分钢箱梁钢材采用E级钢，其余部分采用D级钢，钢材选用为Q370。该桥六线高速公路车道和四线客运专线铁路车道采用同层布置方案，主梁横断面布置为：0.3m（护栏）+0.5m（人行道）+2.5m（非机动车道）+0.5m（路灯）+12.75m（公路车道）+2.3m（公铁分隔带）+26.2m（铁路车道）+2.3m（公铁分隔带）+12.75m（公路车道）+0.5m（路灯）+2.5m（非机动车道）+0.5m（人行道）+0.3m（护栏）。图2-3方案一大桥主塔构造图图2-4过渡墩和辅助墩构造示意图方案一塔构造示意图如图2-3所示，三种设计方案墩构造示意图2-4所示。方案一（单层宽箱梁设计方案）主塔采用C55混凝土，T1塔高250.8m（不含塔座），T2塔高239.978m（不含塔座）。两个塔上塔柱高均为70.8m，中塔柱高均为108m，T1塔下塔柱高72m，T2塔下塔柱高61.18m。大桥边墩（P1墩、P4墩）和辅助墩（P2墩、P3墩）采用混凝土花瓶墩形式。桥墩墩高从北岸到南岸分别为：P1墩高66.70m，P2墩高70.70m，P3墩高29.88m，P4墩高28.88m。方案二方案二采用公路铁路车道错层布置分离式箱型主梁如图2-5所示，对于公铁两用斜拉桥该主梁设计极为新颖。图2-5方案二主梁隔板处断面图图2-6方案二主梁非隔板处断面图方案二（错层分离式箱梁设计方案）主梁在隔板处和非隔板处截面布置如图2-5和2-6所示，主梁整体宽度为66.5m，其中主梁中间为铁路四车道，两侧为公路六车道，其中铁路主梁梁宽为23.5m，梁高5.5m；两侧公路梁宽都为15m，梁高为3.5m，铁路梁顶设计高程比公路梁顶高2m，以避免列车灯光和气流对汽车行车的干扰。铁路主梁与公路主梁以变截面钢箱梁连接，此处箱梁长6.5m，宽为4m。全桥铁路主梁采用扁平变截面钢箱梁形式。该方案为双塔空间双索面斜拉桥，全桥共计斜拉索数为168根；斜拉索对主梁的吊点位于公路主梁与铁路主梁相连接的横梁上。箱梁钢材选用为Q370，支座、压重段等特殊部位根据受力需要和构造要求，采用不同的横隔板板厚。铁路主梁与公路主梁连接的横梁采用变截面的形式，连接铁路主梁一侧高和宽为5.5×4m，连接公路主梁一侧为2.5×4m，横梁上下板最小厚度为16mm，腹板最小厚度为20mm。主梁横断面布置为2.5m（人行道）+0.5m（栏杆）+11.5m（汽车行车道）+0.5m（栏杆）+6.5m（悬挑）+23.5m（四线客专）+6.5m（悬挑）+0.5m（栏杆）+11.5m（汽车行车道）+0.5m（栏杆）+2.5（人行道）。图2-7方案二大桥主塔构造图方案二（错层分离式箱型主梁设计方案）桥塔构造如图2-7所示。方案二主塔采用钻石型桥塔，主塔采用钻石型桥塔，T1塔高为261m，T2塔高为250m，两种桥塔主梁以上部分塔高均为180m，而北岸下塔柱高81m，南岸下塔柱高70.18m，主塔下部采用混凝土，桥塔顶端（）为钢结构。主塔下塔柱和中塔柱横断面均采用呈半圆形的横断面，上塔柱采用呈椭圆形的横断面；该方案中斜拉桥桥边墩和辅助墩设计与方案一所示相同，桥墩墩高从北岸到南岸分别为：P1墩高75.70m，P2墩高79.70m，P3墩高18.88m，P4墩高37.88m。方案三方案三为双桁主梁设计方案。作为空腹式受弯构件，钢桁架式加劲梁在双层桥面的适用优越性远胜钢箱梁。图2-8方案三主梁截面示意图方案三（双桁主梁布置方案）主梁布置如图2-8所示，上层桥面全宽33.4m，下层桥面全宽28.4m，两片主桁中心距26.6m，桁高为14m。上层为公路六车道，下层为铁路四车道。铁路线由纵梁和下横梁共同支撑铁路桥面板，公路线由上横梁支撑。主桁腹杆采用无竖杆的三角形形式，斜腹杆则既有以受拉为主的杆件，也有以受压为主的杆件，二者所占比例相差不大。该方案为双塔空间双索面斜拉桥，共计斜拉索数为136根。公路桥面选择考虑到大跨径斜拉桥的受力特点，为减少边跨压重，边跨拟采用钢-混凝土结合桥面系，主跨拟采用正交异性板整体桥面系；铁路桥面采用纵横梁+正交异性钢桥面板方案钢桥面板支承在纵梁及横梁上，桥面板及纵梁能够参与主桁受力，横梁及横肋仅承受局部荷载。主梁上层横断面布置为2.5m（悬挑）+2.4m（人行道）+11.5m（汽车道）+0.6m（栏杆）+11.5m（汽车行车道）+2.4（人行道）+2.5m（悬挑）；主梁下层横断面布置为1.55m（检修道）+23.5m（四线客专）+1.55m（检修道）。图2-9方案三大桥主塔构造图方案三桥塔构造如图2-9所示，方案中两桥塔主梁以上塔高均为162m，其中上塔柱高均为71m，中塔柱高均为91m，T1塔下塔柱高72m，T2塔下塔柱高61.18m。主塔采用C55混凝土；该方案大桥边墩和辅助墩设计与高度与方案一所示相同，即桥墩墩高从北岸到南岸分别为：P1墩高75.70m，P2墩高79.70m，P3墩高18.88m，P4墩高37.88m。不同设计方案特点分析（1）不同设计方案构造分析方案一（单层宽箱主梁结构）的构造中钢箱梁为薄壁闭合截面形式结构。钢箱梁以焊接的方式将顶板、底板通过横隔板、纵隔板联结形成整体受力体系。在荷载作用下，扁平钢箱梁截面变形由横隔板、纵隔板的刚度大小和布置形式决定，并且横纵隔板对正交异性钢桥面板及其纵向加劲肋具有支撑的作用。因此该方案具有自重轻、整体性强、强度高、工厂化程度高等优点，特别是采用扁平的流线形的外形设计，其抗风性能优越。在外观上平层箱梁设计相较于另外两种方案更为轻盈、简洁、美观。此方案建成后将成为世界上宽度及跨度第一的公铁两用钢箱梁斜拉桥，将促进公铁两用斜拉桥的发展。由于扁平钢箱梁自身的优点，其在合适条件下代替刚桁架梁渐渐在全球范围内被广泛使用。扁平钢箱梁的优点是建筑高度小，结构抗风性能好，风的阻力系数通常仅为桁架梁的四分之一至二分之一。钢箱梁自重较小，用钢量省，通常在同等跨度条件下，与钢桁梁斜拉桥相比，钢箱梁斜拉桥仅主梁用钢量就可节省15%-25%[81,82]。由于方案一主梁宽度远大于常规箱梁，在本工程中方案三主梁自重反而小于方案一。采用单层车道布置主梁结构设计简单，施工快速可靠，计算快捷；箱梁外露面积少，可采用箱内除湿，养护量少；钢箱梁为中空结构，便于布置附属设施；便于检修和维护。公路与铁路同层，与常规的“公路在上铁路在下”公铁两用桥方案相比，从大桥全寿命周期来看，能够很大程度上节约油耗，减少CO2排放量，符合可持续发展的设计理念，对于不同设计方案全运营周期具体节油和减排量还需具体计算。在该设计方案中，列车行车会对公路行车造成灯光和气流影响，但可以通过在公铁路间设置风屏障解决，此设计带来对抗风性能影响需通过风洞试验来进行分析。方案二（错层分离式箱型主梁结构）在高度上将铁路线与公路线路分离，可以避免列车行车对公路行车造成灯光和气流影响，设计人性化。主梁设计新颖，兼具了单层箱梁设计和双层桁架设计的部分优点，但其美观性不如另外两种设计方案，并且施工工艺复杂，拼接焊装工作量较大，不利于结构受力。方案三（双主桁主梁结构）为“公路在上铁路在下”常规钢桁梁设计方案，不存在不同材料的连接问题，且上下分层，公路与铁路行车互不干扰。该方案用钢量通常大于钢箱梁设计，但论文中另外两种方案箱型主梁宽度远大于常规箱梁，因此该桁梁设计方案用钢量略小于方案一并略大于方案二。钢桁梁的工程实例较多，国内外技术均成熟，在公铁两用斜拉桥中应用十分广泛。钢桁梁是由位于多个平面内的钢桁架组成的空间受力体系，是空腹式受弯结构。主桁一般由上弦杆、下弦杆、腹杆组成，桥面系一般由纵梁和横梁组成；主桁之间通过联结系联结而形成空间整体结构。其传力路径为纵梁将其上所受的弯矩和剪力，通过横梁传递到主桁节点，转化为主桁杆件的轴力，继而传递给拉索或支座。钢桁梁大多为杆件螺栓连接，需进行螺栓更换工作；外露表面多，需进行防腐涂装处理。故相对于钢箱梁方案，钢桁梁造价和养护成本均较高。在施工方面，钢桁梁节段一般采用工厂预制构件、现场拼装后再吊装的施工工序；钢箱梁节段常采用在工厂预制整体节段，经由运输至桥位处，再吊装的施工顺序。因为钢桁梁预制构件较小，具有对现场拼装质量要求高和组拼装工序复杂的缺点，但也有能够适应苛刻的运输条件的优点；钢箱梁节段体积较大对运输条件要求高，难以用公路进行运输。若箱梁节段所有的加工及焊接均在工厂内进行，其质量易于得到保证，现场拼装工序相对简单，在桥位附近有适宜的拼装场地情况下，也可在现场进行预制焊接拼装。三种设计方案主梁自重如图2-10所示。图2-10不同设计方案主梁自重如上图所示，三种设计方案主梁自重相差较小，其中方案一主梁自重最大，方案三主梁自重最小。钢箱梁和钢桁梁设计方案在使用性方面相差较大，结合本节所述并根据以往工程实例，将方案一和方案二钢箱型主梁与方案三钢桁梁设计特点进行综合比较如表2-3所示。表2-3钢桁梁斜拉桥和钢箱梁斜拉桥设计方案比较名称钢桁梁斜拉桥钢箱梁斜拉桥结构受力抗风性能较差受力明确，抗风性能好稳定性施工和成桥稳定性较大；主梁较易局部失稳主梁较易竖弯失稳引桥方案引桥标高较大，造价稍高降低引桥长度，造价低，节能减排国内外成熟度国内外成熟国外成熟，国内应用较少运营养护钢桁梁喷漆、养护量大；汽车线路养护影响铁路线路外露表面少，内部可以抽湿，养护量少病害局部弯扭，高强螺栓易断裂焊缝易锈蚀，易纹裂维修公路维修影响铁路运营公路铁路维修互不干扰（2）单双层设计方案对环境影响分析上下层方案桥面标高大于平层方案桥面标高，将使引桥坡度增大，对于汽车行驶来说，上下层方案汽车油耗将会增大二氧化碳排放。出于环保考虑，在全桥运营期间对于油耗变化量和二氧化碳排放量需要进行具体分析计算。计算的假定参数选择考虑如下：（1）时间，道路设计年限为20年，节能评价总时间按100年计算。（2）交通量，为了方便计算，交通量采用折合当量小客车计算。城市主干道，设计速度60km/h，双向6车道，道路的饱和交通量为60000pcu/d（每天标准车当量数）。建成初期交通量为28500pcu/d，建成40年后交通量达到饱和60000pcu/d。饱和后，交通量按饱和交通量计算。（3）坡度与油耗，平层方案纵坡为1.4%，坡长760m；上下层方案为了爬升，纵坡为3.4%，坡长640m。道路纵坡超过3%，油耗显著上升。计算中长度按500m考虑，平层方案小汽车油耗按6.02升/百公里，上下层方案汽车油耗按9.53升/百公里。（4）二氧化碳排放量计算采用国际公认计算公式：二氧化碳排放=油耗×2.7。经计算，通车20年后，平层方案比上下层方案节约5606吨燃油，二氧化碳排放量减少15135吨；通车100年累计节约燃油36738吨，二氧化碳排放量减少99191吨。从桥梁设计运营全周期考虑，平层方案相比较而言更节能环保。结构约束体系塔、梁、墩三者的关系在斜拉桥设计中十分关键，对于其区别有如下三种常见体系：（1）塔梁墩固结体系，即刚构体系；（2）塔梁固结并支承在桥墩上，即塔、梁、索体系对外为连续梁式支承式体系；（3）采用固定与活动支座支承主梁或主梁在桥塔处只采用拉索悬挂方式，即半飘浮体系或全飘浮体系。出于抗震等方面考虑，大跨径斜拉桥多采用第三种体系[83]。此桥为