劉洪占,劉愛喬,姚君芳

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,天津 300142)

1 概述

津秦客運專線下塢薊運河特大橋是設(shè)計時速350 km的雙線高速鐵路橋梁,線間距5 m,采用II型板式無砟軌道,設(shè)計活載為ZK活載。本橋位于八度震區(qū),地震動峰值加速度Ag=0.2g。設(shè)計水位采用百年一遇洪水位。該橋主橋與既有津山線間距29 m,為滿足通航排洪和與既有京山鐵路對孔的要求而設(shè),采用(40+64+80+80+48) m非對稱無砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,主橋布置見圖1。橋址處薊運河寬280 m,線路與薊運河成90°夾角,兩岸堤上有立交道路。下塢薊運河特大橋跨越薊運河為83號～88號墩,平面位于緩和曲線和直線上,縱斷面位于+6‰坡道上。

圖1 全橋立面布置(單位:m)

本橋地基為以粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂為主。橋墩采用圓端形實體墩,中墩基礎(chǔ)采用16根直徑1.5 m鉆孔灌注樁,樁長65～76 m,邊墩基礎(chǔ)采用12根直徑1.25 m鉆孔灌注樁,樁長52～56 m。

2 橋梁設(shè)計

2.1 孔跨布置和橋式方案確定

橋址下游約30.5 m處為既有京山鐵路橋,既有鐵路橋為3-80 m下承式鋼桁梁及1-32 m中承式鋼桁梁,為了與之對孔,減小對河道斷面壓縮,減小對河道行洪的影響,并于堤頂預(yù)留防汛搶險通道,確定孔跨為(40+64+80+80+48)m?？紤]高速鐵路要求結(jié)構(gòu)具有剛度大、平順性好,本橋橋墩不高,選擇了技術(shù)成熟、施工安全方便的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系。

2.2 梁部設(shè)計

2.2.1 非對稱主梁構(gòu)造

(40+64+80+80+48) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁采用單箱單室變高度箱形截面,橋面寬12 m,箱寬6.7 m,頂板厚0.4 m,梁端局部為0.65 m；80 m中跨中支點梁高7.05 m,跨中梁高4.25 m,梁高按二次拋物線變化,底板厚度0.6～1.0 m,腹板厚0.6～1.0 m；64 m中跨中支點梁高6.65 m,跨中梁高4.25 m,梁高按二次拋物線變化,底板厚度0.6～1.0 m,腹板厚0.8～1.0 m；40 m邊跨邊支點梁高3.05 m,底板厚度0.6～1.0 m,腹板厚0.8～1.0 m；48 m邊跨邊支點梁高4.25 m,底板厚度0.6～1.0 m,腹板厚0.6～1.0 m。

(40+64+80+80+48)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁跨度不對稱,劃分施工節(jié)段也是非對稱,85號墩一側(cè)為64 m跨,一側(cè)為80 m跨,懸臂施工長度不對稱。為了保證結(jié)構(gòu)受力和變形滿足高速鐵路無砟軌道的要求,80 m跨按結(jié)構(gòu)受力和構(gòu)造擬定截面尺寸,考慮盡量減小懸臂施工支點不平衡彎矩和成橋運營受力合理,加厚了40 m邊跨和64 m跨中底板和腹板厚度,較80 m跨中底板和腹板增加0.2 m,并且在64 m跨跨中箱內(nèi)底板頂澆筑厚0.75 m,長14.4 m的混凝土壓重。結(jié)構(gòu)線形64 m跨和80 m跨中支點和跨中截面見圖2。由于節(jié)段數(shù)的不對稱,在施工順序上進(jìn)行了調(diào)整,先合龍64 m跨,然后再掛籃懸澆80 m跨不平衡段。合龍順序為：先邊孔,后次中孔,最后中孔。

圖2 箱梁橫斷面(單位：cm)

2.2.2 主梁預(yù)應(yīng)力

梁體采用三向預(yù)應(yīng)力體系,縱向預(yù)應(yīng)力束全橋分別采用7-7φ5 mm、15-7φ5 mm、15-7φ5 mm和19-7φ5 mm 4種鋼絞線, M15-7～M15-19型錨具。張拉控制應(yīng)力為1 230～1 315 MPa。由于跨度非對稱,預(yù)應(yīng)力筋也會產(chǎn)生不對稱的問題。懸澆的過程中懸臂兩端分段數(shù)目不一致,小跨側(cè)先合龍,大跨一側(cè)多余的節(jié)段懸澆時,頂板、腹板的預(yù)應(yīng)力束需要在小跨側(cè)尋找錨固位置。本設(shè)計在小跨側(cè)接近合龍段處,預(yù)留頂板、腹板齒塊作為不對稱頂板、腹板筋張拉位置。

梁體頂板橫向預(yù)應(yīng)力采用4-7φ5 mm鋼絞線,錨下張拉控制應(yīng)力為1 302 MPa,采用扁形錨具錨固,在箱梁兩側(cè)交替單端張拉。每一節(jié)段的縱向鋼束張拉完成后,自節(jié)段根部開始順序張拉橫向鋼束。橫向預(yù)應(yīng)力筋張拉時應(yīng)注意梁段相接處的張拉次序,每一節(jié)段伸臂端側(cè)最后一個橫向預(yù)應(yīng)力筋在下一節(jié)段橫向預(yù)應(yīng)力筋張拉時進(jìn)行張拉,防止由于節(jié)段接縫兩側(cè)橫向壓縮不同引起開裂。

豎向預(yù)應(yīng)力筋采用φ25 mm高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋,型號為JL830,其抗拉極限強(qiáng)度為1 030 MPa,錨下張拉控制應(yīng)力為735 MPa,一端張拉。每一節(jié)段的縱、橫向鋼束張拉完畢后,立即進(jìn)行豎向預(yù)應(yīng)力粗鋼筋的張拉。橫隔板預(yù)應(yīng)力筋,在其所處的節(jié)段一并張拉完成。

2.2.3 抗震型阻尼器及支座

(40+64+80+80+48) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁聯(lián)長達(dá)313.5 m,屬于長聯(lián)連續(xù)梁,而且薊運河特大橋橋址位于地震動峰值加速為0.2g的Ⅷ度震區(qū),全聯(lián)梁的水平地震力很大,若完全由固定支座或固定墩承受,按照傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要靠加大結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸、增加配筋等提高結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度來滿足設(shè)防要求,這種作法會增加投資,影響美觀和使用功能。本橋由于靠近既有津山鐵路,為了減小結(jié)構(gòu)尺寸,降低投資及對既有線運營影響,在高速鐵路橋梁首次應(yīng)用阻尼器(圖3),將地震力均勻的分配到各中墩,通過阻尼器將各個中墩與連續(xù)梁連接,在地震力時,由阻尼器將地震力傳到各中墩,各中墩共同承受地震力。阻尼器要求必須具備3個特性：①在裝置兩端輸入相對速度時,鎖定裝置應(yīng)在拉壓雙向提供輸出力；裝置輸出力變化僅由速度而改變,而與初始位置無關(guān)；②裝置應(yīng)設(shè)計并具有在預(yù)期服役期內(nèi)達(dá)到免維護(hù)要求；③裝置應(yīng)設(shè)計并提供最小6.35 mm的可調(diào)長度。

圖3 阻尼器構(gòu)造及安裝

鎖定裝置的內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)采用免維護(hù)設(shè)計方式；貯油器、外部管件或液體水準(zhǔn)指示器不允許使用。裝置結(jié)構(gòu)為非拉桿式壓力容器構(gòu)造,無外部支撐頭或端部蓋板；焊接構(gòu)造或任何形式的鑄造件均不允許應(yīng)用到壓力容器構(gòu)造。壓力容器和密封應(yīng)達(dá)到最小20 000 psi的爆破壓強(qiáng)。在需要重新修復(fù)前,裝置應(yīng)保證在最大地震力作用下至少可以進(jìn)行重新使用。采用的阻尼器參數(shù)見表1。

表1 采用的阻尼器參數(shù)

注：設(shè)計使用年限75/50,表示密封裝置設(shè)計年限為50年,其他部位設(shè)計年限為75年。

支座均采用鐵路橋梁大噸位LXQZ型球型鋼支座,邊跨支座中心線距離梁端縱向距離為0.75 m,每個支點設(shè)2個支座,各支座參數(shù)見表2。

表2 支座參數(shù)表

2.3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

本聯(lián)連續(xù)梁橋墩均采用雙線連續(xù)梁圓端型橋墩。頂帽及墩身采用C35鋼筋混凝土。支承墊石采用C40鋼筋混凝土。橋墩基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

3 計算分析

3.1 縱向計算

上部結(jié)構(gòu)靜力分析采用“橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS4.23”及“橋梁博士3.2”2套程序相互校核,根據(jù)實際施工步驟及加載程序建立分析模型。

箱梁內(nèi)力計算主要考慮了下列各種荷載：施工荷載、恒載、活載、基礎(chǔ)沉降、溫度力、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的二次力等,并考慮處于下坡端83號～86號墩之間自重及梁體縱向伸縮產(chǎn)生水平力的影響。

二期恒載包括鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿墊層、混凝土基座等線路設(shè)備重,以及防水層、保護(hù)層、人行道欄桿、防護(hù)墻、電纜槽蓋板及豎墻等附屬設(shè)施重。二期恒載采用113.7～123.1 kN/m。

掛籃施工荷載按700 kN考慮；溫度荷載按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.3—2005)附錄B規(guī)定進(jìn)行取值,基礎(chǔ)不均勻沉降取10 mm。

活載采用ZK活載,同時檢算架橋機(jī)和運梁車荷載。

本結(jié)構(gòu)按運營10年來考慮混凝土收縮徐變影響。

主梁縱向按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計,荷載組合分別以主力、主力+附加力進(jìn)行組合,取最不利組合進(jìn)行設(shè)計,計算成果見表3,靜活載撓度見表4。

表3 計算結(jié)果

表4 靜活載撓度

高速鐵路無砟軌道連續(xù)梁要求鋪設(shè)無砟軌道后,無砟橋面的殘余徐變上拱值小于10 mm控制。由于中跨結(jié)構(gòu)不對稱,導(dǎo)致小跨64 m跨中徐變上拱,為了控制上拱度,設(shè)計考慮了設(shè)置臨時壓重、增加截面尺寸、增加壁厚等多種方案。綜合考慮施工便利,運營養(yǎng)護(hù)及高速行車振動,經(jīng)過計算,最終確定采用增加64 m跨腹板和底板厚度的措施,解決了徐變控制,理論計算殘余徐變值見表5。

表5 梁體豎向殘余變形

圖4 地震反應(yīng)譜分析模型

本橋為8度震區(qū)(動峰值加速度0.2g),采用midas程序建立全橋有限元分析模型(圖4),采用安評反應(yīng)譜進(jìn)行抗震計算,對梁、墩及基礎(chǔ)進(jìn)行抗震檢算,滿足“小震不壞,大震不倒”的設(shè)防要求。

3.2 橫向計算

橫向預(yù)應(yīng)力可加強(qiáng)橋梁的橫向聯(lián)系,增加懸臂板的抗彎能力。箱梁的橫向作為被支承在主梁腹板中心線下緣的箱形框架進(jìn)行設(shè)計,計算時沿順橋向取單位長度為1 m,考慮各種不同的布載情況進(jìn)行計算。本橋取具有代表性的橫截面即支點截面、跨中截面、1/4跨截面進(jìn)行計算,將各種荷載引起的支反力作為恒荷載平均施加在腹板位置,以保證此模型支反力基本為零。列車荷載在其實際作用范圍按最不利加載。

由于此結(jié)構(gòu)為外部靜定結(jié)構(gòu),均勻溫度變化不會產(chǎn)生內(nèi)力,溫度應(yīng)力沿單元截面呈直線變化,按升、降溫分別考慮。

4 結(jié)語

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,是大跨徑橋梁的主要橋型之一,具有可靠的強(qiáng)度、剛度以及抗裂性能。本橋主橋(40+64+80+80+48) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁將大跨長聯(lián)不對稱結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高速鐵路無砟軌道橋梁,為了保證結(jié)構(gòu)受力和變形,盡量減小懸臂施工支點不平衡彎矩和成橋運營受力合理,采取了加厚邊跨底板與腹板厚度、設(shè)置混凝土壓重的方法；為了將地震力均勻地分配到各中墩,在高速鐵路橋梁上應(yīng)用阻尼器,使各中墩共同承受地震力。本橋已經(jīng)建成鋪設(shè)無砟軌道,各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求,為今后高速鐵路長聯(lián)大跨度非對稱連續(xù)梁設(shè)計提供了參考借鑒作用。

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