李 濤

(中鐵上海設(shè)計院集團有限公司,上海 200070)

宿淮鐵路(江蘇段)橋梁設(shè)計技術(shù)創(chuàng)新

李 濤

(中鐵上海設(shè)計院集團有限公司,上海 200070)

介紹宿淮鐵路2座特大橋結(jié)構(gòu)體系設(shè)計創(chuàng)新特點。理論計算分析表明:采用主跨132m 連續(xù)梁 拱組合體系單線橋可有效降低梁高,節(jié)省造價,施工和運營狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)的強度、剛度、橫向穩(wěn)定、行車舒適度性等指標(biāo)均滿足規(guī)范要求;主跨108m連續(xù)梁采用雙向減隔震體系后,正常使用狀態(tài)及多遇地震下結(jié)構(gòu)正常工作。當(dāng)設(shè)計地震及罕遇地震發(fā)生時,減隔震體系顯著降低地震反應(yīng),避免了重要部位破壞,保證了橋梁結(jié)構(gòu)的安全性,具有明顯的經(jīng)濟效果。

鐵路橋梁;組合結(jié)構(gòu);減隔震體系

1 概況

新建鐵路宿州—淮安線位于皖、蘇兩省北部,連通安徽省宿州、江蘇省宿遷及淮安,鐵路正線長210.414 km,其中江蘇省境內(nèi)線路長度97.0 km,該段由中鐵上海設(shè)計院完成勘測設(shè)計。

1.1 沿線自然特征

江蘇段線路東西向橫貫江蘇省北部,經(jīng)過淮河流域,線路跨越京杭運河、徐洪河、淮沭新河等多條重要河流,沿線跨越航道5處,通航等級Ⅶ—Ⅱ(三線),標(biāo)準(zhǔn)高?？缭礁咚俟?、國省縣道等密布的交通要道17處。沿線地層主要以第四系全新統(tǒng)、上中更新統(tǒng)黏性土和砂類土為主,第四系沉積層厚度達45～150 m,主要地層依次分別為:黏土,粉質(zhì)黏土,粉土,中、粗砂,泥質(zhì)砂巖,片麻巖等,軟土及液化粉土等不良地質(zhì)分布廣泛。全線均位于7、8度地震區(qū),地震動峰值加速度(0.10～0.20)g。

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計行車速度為160 km/h,列車豎向活載為“中-活載”,橋涵設(shè)計洪水頻率為1/100,特大橋及重要橋渡檢算頻率為1/300。

1.3 橋梁特殊結(jié)構(gòu)

該段全線新建特大橋8座。為跨越高等級航道及高等級公路,分別采用了多座大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁,其中較為典型的有:京杭運河特大橋,主跨為(62+132+ 62)m 連續(xù)梁-拱組合結(jié)構(gòu),徐洪河特大橋,主跨為(66+108+108+66)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,位于8度地震區(qū),采用了雙向減隔震技術(shù),以上2座橋梁在設(shè)計中具有顯著的技術(shù)創(chuàng)新特點。

2 主跨132 m 單線鐵路連續(xù)梁-拱組合結(jié)構(gòu)

2.1 橋式與結(jié)構(gòu)特點

組合結(jié)構(gòu)橋梁具有剛度大、動力性能好等優(yōu)越性,成為目前大跨橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要趨勢。采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土拱肋組合形成的連續(xù)梁-拱組合橋式,結(jié)構(gòu)的部分恒載及活載通過吊桿傳至拱肋,由拱肋直接傳到主梁根部,因而與同等跨度連續(xù)梁相比,可有效降低主梁跨中及支點處截面高度。

京杭運河特大橋位于宿遷泗陽縣境,橋址處京杭運河航道標(biāo)準(zhǔn)為VII—Ⅱ(三線),航道凈高7 m,通航高度控制梁底高程。經(jīng)過多個橋式方案比選,考慮到最大限度減少施工對航道運營的干擾,采用(62+132+ 62)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁拱組合體系,一跨跨越京杭大運河(圖1)。

拱肋采用鋼管混凝土,拱軸線為二次拋物線,矢高22m,矢跨比1/6;拱肋采用啞鈴形截面,拱肋高度2.8m,鋼管外直徑0.8m,壁厚16mm。上下鋼管及腹腔內(nèi)灌注C50無收縮混凝土。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,單箱單室?？缰屑斑呏c梁高3.5 m,中間支點梁高7.0m。

圖1 京杭運河特大橋主橋立面布置(單位:cm)

本橋在科研和設(shè)計過程中,開展了橋式方案研究、連續(xù)梁拱組合體系設(shè)計、空間力學(xué)分析、主梁橫向穩(wěn)定分析、拱腳空間有限元分析、車橋耦合動力仿真分析、地震反應(yīng)分析以及施工穩(wěn)定性監(jiān)測等研究工作,取得了一系列成果。

2.2 主要研究成果

(1)由于采用了組合體系,與連續(xù)梁相比,有效地降低了梁高,減少了橋長。靜活載撓度為跨度的1/6 804,遠(yuǎn)小于規(guī)定值1/700,滿足豎向剛度要求;拱肋承載力、混凝土應(yīng)力等各項計算結(jié)果也均滿足設(shè)計強度和抗裂的控制要求。運營階段主梁應(yīng)力及安全系數(shù)、拱肋鋼管應(yīng)力見表1、表2。

表1 運營階段主梁混凝土應(yīng)力及安全系數(shù) MPa

表2 運營階段拱肋鋼管應(yīng)力 MPa

(2)本橋?qū)捒绫葹?/20.3,滿足規(guī)范要求。采用有限元計算,一類線彈性穩(wěn)定系數(shù)5.6。按簡化方法計算,面內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)15.6,面外穩(wěn)定系數(shù)4.87,均滿足規(guī)范值4.0的要求;施工階段拱肋的穩(wěn)定系數(shù)為9.95,表明結(jié)構(gòu)最大懸臂狀態(tài)時穩(wěn)定安全仍有足夠的保證。

(3)拱腳局部模型空間有限元分析表明,拱腳混凝土基本均處于受壓狀態(tài),其中,最大壓應(yīng)力為19.8MPa,稍大于容許應(yīng)力;最大拉應(yīng)力為3.4 MPa,出現(xiàn)在拱肋周圍。根據(jù)計算結(jié)果,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采取了增設(shè)鋼管外壁剪力栓釘、拱腳端部設(shè)承壓鋼板、沿拱軸方向設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼筋、局部加密普通鋼筋等措施,使得局部應(yīng)力滿足規(guī)范要求。圖2為拱頂最大負(fù)彎矩時,拱腳y方向的空間分析應(yīng)力云圖。

(4)當(dāng)客車設(shè)計行車速度為160 km/h、貨車設(shè)計行車速度為120 km/h時,橋梁自振特性、脫軌系數(shù)、舒適斯佩林指標(biāo)等參數(shù)均在規(guī)范限值以內(nèi),列車運行安全性滿足要求。圖3為C62重車通過、速度80 km/h時車輛豎向加速度時程曲線。

圖2 最大負(fù)彎矩時拱腳y方向應(yīng)力云圖

圖3 重車通過時豎向加速度時程曲線

(5)7度地震時,固定支座及橋墩承受的水平地震力較大。設(shè)計時加強了墩身和樁身的配筋。

3 主跨108 m連續(xù)梁主橋雙向減隔震技術(shù)

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)特點及抗震背景

徐洪河特大橋系單線橋,主跨為一聯(lián)(66+108+ 108+66)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。其位于8度地震區(qū),動反應(yīng)譜特征周期0.45 s。多遇地震水平地震加速度a值為0.07g,設(shè)計地震a值為0.2g,罕遇地震a值為0.38g。岸上橋墩采用圓端形實體墩?？紤]到線路與水流斜交,水中橋墩63號、64號采用了圓形墩,基礎(chǔ)均采用φ150 cm鉆孔灌注樁。

本橋位于高烈度地震區(qū),主橋連續(xù)梁跨度較大,水中墩橫向剛度相對較小,成為抗震設(shè)計的主要控制因素。按照目前鐵路抗震設(shè)計規(guī)范中兩階段設(shè)計理論,如采用強度控制的方法,提高橋梁縱、橫向剛度,則需要加大橋墩截面和樁基礎(chǔ)的數(shù)量,引起工程造價的增加。為此,本橋在設(shè)計中運用了先進的減隔震理念,采用了雙曲面減隔震支座和黏滯性阻尼器共同作用的縱橫雙向減隔震體系,大大降低了地震作用,使得按常規(guī)設(shè)計的墩身和基礎(chǔ)同時能夠滿足抗震的要求,具有明顯的經(jīng)濟效益和安全性。

3.2 抗震分析主要內(nèi)容

(1)采用三維有限元計算方法,對結(jié)構(gòu)進行動力特性和地震反應(yīng)分析。計算模型考慮了樁基礎(chǔ)、相鄰聯(lián)跨、支座連接特點等耦合影響因素,以充分反映結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系。

(2)依據(jù)現(xiàn)行的鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范,采用3種設(shè)計概率的地震輸入,以反應(yīng)譜分析法和非線性時程分析法對該橋進行結(jié)構(gòu)減隔震設(shè)計方案的地震反應(yīng)分析。

(3)通過結(jié)構(gòu)減隔震方案(雙曲面減隔震支座+黏滯性阻尼器)的非線性時程分析,優(yōu)選減隔震裝置的設(shè)計參數(shù)。

(4)在綜合計算分析的基礎(chǔ)上,校核3個設(shè)防水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能,主要檢算控制截面強度和關(guān)鍵節(jié)點的位移,提出改善結(jié)構(gòu)抗震性能的構(gòu)造措施以及上部結(jié)構(gòu)防落梁措施。

3.3 不采用減隔振措施時的主要計算結(jié)果

不采用減隔震措施時,主要計算結(jié)果如下:

(1)多遇地震下,樁基承載彎矩安全系數(shù)(允許值/計算值)Kw＞1.0,表明橋墩和樁基保持在彈性范圍;部分支座水平剪切安全系數(shù)(允許值/計算值)Kz＜0,說明水平抗剪能力不夠;

(2)設(shè)計地震下,大部分Kz＜1.0,支座水平抗剪能力不足,大部分橋墩和樁基發(fā)生屈服損傷;

(3)罕遇地震下,Kz＜1.0,支座水平抗剪能力嚴(yán)重不足,樁基出現(xiàn)上拔力,損害嚴(yán)重。

表3為橋上無車時,63號橋墩固定支座縱向水平剪力值和樁基彎矩值。表4為61～63號橋墩樁基彎矩及支座水平剪切力安全系數(shù)K值。

表3 63號橋墩固定支座縱向水平剪力值和樁基彎矩值

表4 橋上無車時各橋墩樁基彎矩及支座允許水平剪切力安全系數(shù)K

根據(jù)上述結(jié)果,為了滿足三水準(zhǔn)設(shè)防要求,一般可采用加大墩身截面、增加樁基根數(shù)、加大墩身和樁身配筋的抗震方法。經(jīng)計算全橋樁基共增加直徑1.0～1.5m的樁約30根,樁基配筋需增加1倍以上;63、64號墩截面尺寸增大,橋墩配筋亦增加1倍以上,工程數(shù)量增加較大,經(jīng)濟性差。

3.4 雙向減隔震體系原理及布置

為了降低工程造價,提高本橋的抗震能力,本橋設(shè)計時采用了先進的減隔震理念,選擇雙向減隔震體系,即雙曲面減隔震支座與黏滯性阻尼器聯(lián)合作用的減隔震體系,有效降低2個方向的地震作用,解決了常規(guī)抗震方法的缺陷。

雙曲面球型減隔震支座是一種耗能減震裝置,當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生且水平橫向力超過預(yù)定值時,限位裝置的抗剪銷和安全螺釘被剪斷,支座的橫向限位約束被解除,大半徑球面摩擦副橫向即可自由滑動,通過摩擦阻力逐漸消耗地震能量、延長地震時的結(jié)構(gòu)周期,達到減震和抗震的效果。地震過后,結(jié)構(gòu)自重又可形成恢復(fù)力,使支座復(fù)位;黏滯性阻尼器為一種耗能減震裝置,通常由缸體、活塞、阻尼孔、黏滯性流體和活塞桿等部件組成。當(dāng)活塞桿在結(jié)構(gòu)變形作用下推導(dǎo)活塞與缸體之間發(fā)生相對運動時,內(nèi)部黏滯性流體流動,與缸體表面的摩擦力轉(zhuǎn)換成熱能,可將地震能轉(zhuǎn)化為分子熱能,達到耗能的目的。其阻尼力—位移滯回曲線為飽滿近似矩形,具有穩(wěn)定的動力特性和很強的耗能能力。同時因為它是無剛度的,不會改變結(jié)構(gòu)的固有動力特性,只對結(jié)構(gòu)提供附加阻尼。

根據(jù)本橋理論分析結(jié)果,采用如下減隔振體系布置形式(圖4):

(1)在61～65號橋墩處,分別采用曲面半徑R= 4、5m,摩擦系數(shù)μ=0.05的FPB球形支座,承擔(dān)縱、橫兩個方向的減隔震作用;

(2)在連續(xù)梁主橋墩62、64號墩處,沿縱向安裝阻尼系數(shù)2 500、速度指數(shù)0.7、行程20 cm、噸位為2 000 kN的阻尼器,增強縱向的減隔震作用。

圖4 雙向減隔震支座支座及阻尼器平面布置示意(單位:m)

采用減隔震體系后,在正常使用狀態(tài)及多遇地震時,橋梁和支座結(jié)構(gòu)均正常工作;當(dāng)設(shè)計及罕遇地震發(fā)生時,支座抗剪銷剪斷,減隔震體系發(fā)揮作用,降低地震反應(yīng),避免樁基、墩身等重要部位遭受破壞或損傷,極大提高了橋梁結(jié)構(gòu)的安全性能。表5為罕遇地震下,樁基橫向彎矩安全系數(shù)Kw、阻尼器水平力及縱向位移值。當(dāng)減隔震體系發(fā)生作用時,水平力由各墩分散承擔(dān),阻尼器最大水平力為3 127 kN,遠(yuǎn)小于原結(jié)構(gòu)計算值15 122 kN;樁基彎矩安全系數(shù)Kw＞1.0,墩身及樁基安全。

表5 各橋墩樁基橫向彎矩安全系數(shù)Kw、阻尼器水平力、縱向位移值

4 結(jié)論

(1)主跨132m單線鐵路連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)

在滿足豎向剛度要求前提下,本橋結(jié)構(gòu)可有效降低梁高,降低造價。整體和局部結(jié)構(gòu)在施工和運營階段的強度、剛度、穩(wěn)定性等指標(biāo)滿足要求;當(dāng)客車設(shè)計行車速度為160 km/h、貨車為120 km/h時,橋梁自振特性、脫軌系數(shù)、舒適斯佩林指標(biāo)等參數(shù)均在規(guī)范限值以內(nèi),列車運行安全性滿足要求。

(2)主跨108m連續(xù)梁主跨雙向減隔震技術(shù)

如果不采用減隔震措施,在設(shè)計地震下及罕遇地震下,支座及樁基將出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞。必須采用加大墩身截面、增加樁數(shù)、加大配筋等常規(guī)抗震方法,工程數(shù)量增加較大,經(jīng)濟性差。

采用減隔震體系后,原設(shè)計結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)及多遇地震時可正常工作。當(dāng)設(shè)計及罕遇地震發(fā)生時,減隔震體系發(fā)揮作用,顯著降低了地震反應(yīng),避免樁基、墩身等重要部位遭受破壞或損傷,極大地提高了橋梁結(jié)構(gòu)的安全性,具有明顯的經(jīng)濟效益。

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Technology Innovation in Bridge Design of Jiangsu Section of Suzhou-Huaian Railway

LITao
(China Railway Shanghai Design Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai200070,China)

This paper introduces the characteristics of design innovation of two super major bridges in Jiangsu section of Suzhou-Huaian Railway.Firstly,theoretical calculation showed that:the girder depth and the project cost could be reduced effectively by using the single line bridge with the main span of 132m continuous girder-arch composite system,while in the process of construction or operation,the structure strength,stiffness,lateral stability,comfort level and other indexes couldmeet the requirements of relevant standards.Secondly,theoretical calculations showed that:in the case of using the bidirectional seismic isolation system in 108 m continuous girder of main span,the bridge could work normally under the normal service condition and small earthquake condition.Furthermore,in case of the design earthquake or severe earthquake,the seismic isolation system could reduce the seismic response significantly and protect the key structure parts from being damaged.So the safety of bridge structure could be assured with the obvious economic effects.

railway bridges;composite structure;seismic isolation system

U442.5

A

1004 -2954(2012)10 -0025 -04

2012 -02 -27

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2008 G023-B)

李 濤(1957—),男,教授級高級工程師,2006年畢業(yè)于北京交通大學(xué)道路與鐵道工程專業(yè),工學(xué)博士,E-mail:litao@sty.sh.cn。