萬亞華

（鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司橋梁處，天津市 300142）

1 項目背景及結(jié)構(gòu)特點

新建張家口至唐山鐵路工程全線共525 km，（64+64）m T型剛構(gòu)共計6處，其中跨京哈鐵路、大秦鐵路兩跨越點采用轉(zhuǎn)體施工工藝（見圖1）。T型剛構(gòu)橋采用墩梁固結(jié)兩端懸臂來實現(xiàn)跨越，具有懸臂法施工中保持體系平衡的特點。T型剛構(gòu)在以下幾種地形中與其他橋型相比具有一定的優(yōu)勢：（1）跨越V型沖溝、峽谷地形，簡支梁因縱向刷坡要求及剛度差限制，已不能滿足設(shè)計要求，而取T型剛構(gòu)以代之。（2）跨越既有鐵路（等級公路），為減少對既有線運營的影響，采用轉(zhuǎn)體施工的T型剛構(gòu)。相對連續(xù)梁而言，僅一主墩設(shè)置轉(zhuǎn)盤，降低施工難度。（3）兩隧道之間工點，因接口專業(yè)特殊要求必須設(shè)大跨，但為減少橋隧串接長度，T型剛構(gòu)為更優(yōu)橋式方案。

圖1 全橋立面布置圖（單位：cm）

張?zhí)畦F路T型剛構(gòu)各工點剛臂墩墩高從9 m至40 m不等，分別采用了實體、空心橋墩兩種形式，T型剛構(gòu)的施工方法有懸臂澆筑法、轉(zhuǎn)體施工法。

2 技術(shù)標(biāo)準

線路等級：正線為雙線、電化；設(shè)計速度目標(biāo)值120 km/h。

設(shè)計活載：中-活載。

軌道類型：有砟軌道。

3 結(jié)構(gòu)尺寸

3.1 梁部結(jié)構(gòu)

張?zhí)凭€（64+64）m T型剛構(gòu)，梁部總長129.5 m。主梁采用單箱單室變高度箱形截面，邊支點處梁高3.8 m，中支點處梁高7.4 m，梁高按二次拋物線變化。主梁頂板寬度為11.9 m，頂板厚0.45 m，中支點及邊支點處局部加厚為0.95 m。主梁底板寬6.8 m，底板厚度按二次拋物線由0.45 m變化至0.95 m，中支點處局部底板厚1.5 m，邊支點處局部加厚為0.95 m。主梁腹板采用直腹板，厚度由0.5 m按折線分兩次變化至0.8m，邊支點附近線性增加至1.0 m。主梁共設(shè)4道橫隔板，邊支點橫隔板厚1.5 m共2個；中支點橫隔板厚1.4 m共2個，均設(shè)置過人孔。

圖2為端部截面圖，圖3為剛臂墩處截面圖。

圖2 端部截面圖（單位：cm）

圖3 剛臂墩處截面圖（單位：cm）

3.2 橋墩結(jié)構(gòu)

橋墩采用矩形截面，墩頂縱橫向尺寸為7.0 m×8.0 m；橋墩橫向尺寸按1∶20向下放坡，縱向尺寸采用直坡。根據(jù)工點墩高不同分實體、空心墩?？招亩諛蚨毡诤?.4 m，在墩壁四周按4.0 m間距設(shè)置直徑20 cm的通風(fēng)孔。

4 結(jié)構(gòu)分析計算

4.1 梁高的擬定及縱向計算

張?zhí)凭€荷載標(biāo)準為中-活載，擬定（64+64）m T型剛構(gòu)的梁高時，參照其他項目不同荷載標(biāo)準、相同跨度的T型剛構(gòu)，如表1所列。

表1 梁高對比表（單位：cm）

對相同跨度T型剛構(gòu)而言，中-活載的梁高應(yīng)介于重載，ZK活載梁高之間?；诒?所列，對梁體進行不同高度檢算。以張?zhí)凭€遵化跨大秦鐵路（64+64）m T型剛構(gòu)為例，采用BSAS建立全橋平面模型對各施工階段及運營階段進行計算分析，T型剛構(gòu)節(jié)點總數(shù)57，單元總數(shù)56,計算模型見圖4所示。計算荷載包括：恒載（結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、基礎(chǔ)變位等）、活載（列車活載、搖擺力、牽引或制動力、鋼軌力等）、附加力（風(fēng)力、溫度力）、特殊荷載（列車脫軌荷載、運架梁荷載、地震力等）。

圖4 全橋平面有限元模型

為保證運營階段截面上、下翼緣壓應(yīng)力有至少1 MPa儲備，張?zhí)凭€（64+64）m T型剛構(gòu)在剛臂墩、支座處梁高分別取7.4 m、3.8 m。該結(jié)構(gòu)尺寸下主梁在運營階段理論計算結(jié)果如表2所列。

橋梁結(jié)構(gòu)在靜活載作用下的撓度結(jié)果如表3所列，滿足結(jié)構(gòu)的剛度及行車的舒適性要求。

4.2 橋墩結(jié)構(gòu)形式的比選（見表4）

在擬定（64+64）m T型剛構(gòu)剛臂橋墩時考慮以上三種情況。張?zhí)芓型剛構(gòu)的剛臂墩墩高有兩處位于18 m以下，均采用實體墩；其余工點的剛臂墩墩高均在36 m以上，均采用單箱空心墩。

4.3 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.3.1 鋼束及鋼筋布置

T型剛構(gòu)若簡單采用短束、直線形布束，在截面較大情況下，極易產(chǎn)生應(yīng)力盲區(qū)，以致產(chǎn)生斜裂縫；底板縱向鋼束完全沿底板行走將導(dǎo)致較大的徑向力，容易底板剝落。

表2 運營階段主梁計算結(jié)果一覽表

表3 靜活載作用下的撓度一覽表

表4 橋墩形式分析表

張?zhí)凭€T型剛構(gòu)鋼束按如下原則進行布束：（1）頂板須保留有通長縱向鋼束；（2）底板縱向鋼束盡量靠近腹板布置并錨固；（3）相鄰腹板束向下彎折區(qū)域應(yīng)有相互重疊，以避免斜裂縫的產(chǎn)生；（4）在T型剛構(gòu)剛臂墩墩頂附近，設(shè)置部分下彎束，提供一定預(yù)剪力；（5）在邊跨現(xiàn)澆段布置縱向彎起束；（6）邊跨現(xiàn)澆段與懸臂端相接處底板縱向鋼束盡量靠近底板上緣布置，以增大截面抵抗鋼束徑向力的抗剪厚度；（7）豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋盡可能布置在腹板中心線上，在0號塊橫隔板加厚段須進行豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋加強布置，現(xiàn)澆段也設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋。

T型剛構(gòu)的鋼筋布置除滿足常規(guī)的設(shè)計外，還采取了以下一些措施：箱形截面采用大U形鋼筋以增加箱梁的抗扭和穩(wěn)定性；對于支座處設(shè)加強鋼筋網(wǎng)；底板考慮徑向力增設(shè)一定的防崩鋼筋；對墩梁固結(jié)處底板設(shè)計縱、橫向、倒角加強鋼筋。

4.3.2 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)計算

張?zhí)凭€（64+64）m T型剛構(gòu)有兩工點采取懸臂+轉(zhuǎn)體施工工藝，對于轉(zhuǎn)體施工的T型剛構(gòu)而言，須在墩底與承臺之間設(shè)轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由下轉(zhuǎn)盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)組成。根據(jù)T型剛構(gòu)轉(zhuǎn)體前豎向力確定所需要轉(zhuǎn)盤的球鉸直徑；根據(jù)球鉸直徑確定基礎(chǔ)尺寸；擬定下轉(zhuǎn)盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤尺寸并確定牽引力；對墩底、加臺、上球鉸之間固結(jié)系統(tǒng)進行局部分析，確定需要的預(yù)應(yīng)力鋼鉸線數(shù)量，以確保上轉(zhuǎn)盤全截面受壓。

T型剛構(gòu)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)局部分析借助于有限元midas-FEA軟件,用實體單元模擬鋼筋混凝土，鋼筋單元模擬鋼絞線。鋼絞線型號、張拉控制應(yīng)力如表5所列。

表5 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)局部分析參數(shù)表

通過對墩底、加臺、上球鉸所組成的固結(jié)系統(tǒng)進行計算局部分析。計算結(jié)果如下：

不加預(yù)應(yīng)力情況下，（1）第一主應(yīng)力：最大主壓應(yīng)力為7.32 MPa，分布于撐腳處；最大主拉應(yīng)力為2.96 MPa，主要分布于球鉸位置。（2）縱橋向混凝土最大拉應(yīng)力為0.85 MPa，加臺側(cè)面為受拉狀態(tài)；最大壓應(yīng)力為6.5 MPa，主要分布于撐腳位置。（3）橫橋向混凝土最大拉應(yīng)力為0.96 MPa，位于側(cè)邊及頂?shù)酌?；最大壓?yīng)力為9.17 MPa，主要位于撐腳位置。該情況下加臺均為受拉狀態(tài).

加預(yù)應(yīng)力情況下，（1）第一主應(yīng)力：最大主壓應(yīng)力為7.1 MPa，分布于撐腳處，其余基本為全截面受壓。最大主壓應(yīng)力為2.94 MPa，主要分布于球鉸位置。（2）縱橋向混凝土最大拉應(yīng)力為0.068 MPa，上轉(zhuǎn)盤全截面均受壓，最大壓應(yīng)力為6.62 MPa，主要分布于撐腳位置，球鉸及錨固端約為2～4 MPa的壓應(yīng)力。（3）橫橋向混凝土最大拉應(yīng)力為0.068 MPa，最大壓應(yīng)力為9.76 MPa，主要分布于撐腳位置。該情況下除橋墩外各截面均為壓應(yīng)力，加臺全截面均為受壓截面。

其應(yīng)力云圖見圖5～圖7所示。

圖5 主應(yīng)力云圖（預(yù)應(yīng)力施加后）

圖6 縱橋向應(yīng)力云圖（預(yù)應(yīng)力施加后）

圖7 橫橋向應(yīng)力云圖（預(yù)應(yīng)力施加后）

由以上計算結(jié)果可以看出：（1）沒配預(yù)應(yīng)力鋼束時，縱、橫向混凝土最大拉應(yīng)力狀態(tài)下，加臺處截面出現(xiàn)拉應(yīng)力。（2）配預(yù)應(yīng)力鋼束后，出現(xiàn)拉應(yīng)力的僅限于橋墩位置；（3）配預(yù)應(yīng)力鋼束后，轉(zhuǎn)盤縱橫向正應(yīng)力均為壓應(yīng)力（加臺全截面受壓），錨固區(qū)滿足超過2 MPa的壓應(yīng)力。

通過對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)局部分析可知，上轉(zhuǎn)盤（墩底加臺處）縱、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束的設(shè)計是有必要的，合理的鋼束配置能保證上轉(zhuǎn)盤有一定壓應(yīng)力儲備。下球鉸安裝聚四氟乙烯滑動片，可以將上球鉸的反力傳遞給下球鉸的集中分散到下轉(zhuǎn)盤。對于球鉸處受力較集中，在設(shè)計中增大鋼板厚度及包裹面積以增加壓應(yīng)力安全儲備。

4.3.3 曲線T型剛構(gòu)轉(zhuǎn)動中心偏心距E的確定

對處于曲線段的T型剛構(gòu)，曲梁自重產(chǎn)生的不平衡荷載為橫向不平衡力矩的影響因素。位于800 m半徑圓曲線T型剛構(gòu)，其橫向偏心距達15.6 cm。因此須確保T型剛構(gòu)重心為承臺中心（也是轉(zhuǎn)體施工的轉(zhuǎn)動中心），T型剛構(gòu)重心與橋墩中心有一個偏心距E。

（1）對于均處于圓曲線的T型剛構(gòu)，可采用‘彎矩抵消法’。計算如下：

假設(shè)T型剛構(gòu)梁體重為M，剛臂墩重為N，梁體有s個節(jié)段，每個節(jié)段重為mi,每一節(jié)段相對橋墩中心橫向偏距為 li，i=(1,s)。

由以上公式可知，相同曲線半徑T型剛構(gòu)，墩高值越小，墩底偏心距越大。

（2）對于處于緩和曲線上T型剛構(gòu)，可考慮采用文獻［3］中“等效半徑法”將緩和曲線等效成圓曲線，再采用“彎矩抵消法”計算偏距。

（3）對于處于緩和曲線及圓曲線上的T型剛構(gòu)須采用實體建模以確定其偏距。

5 結(jié)語

本文結(jié)合張?zhí)畦F路T型剛構(gòu)的設(shè)計，提出了中-活載標(biāo)準下（64+64）m T型剛構(gòu)設(shè)計的一些設(shè)計思路及設(shè)計要點?？偨Y(jié)如下：（1）T型剛構(gòu)作為施工階段受力與結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)下受力基本一致的橋型，在某些特殊地形橋式比選中應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢；（2）張?zhí)凭€（64+64）m T型剛構(gòu)能夠滿足鐵路行車的安全與舒適性要求，橋梁在運營階段的應(yīng)力及撓度能滿足相關(guān)規(guī)范的要求；（3）本文所提的鋼束布置原則適用于其他跨度T型剛構(gòu)，調(diào)束后盡量避免產(chǎn)生應(yīng)力盲區(qū)；（4）對于采取轉(zhuǎn)體施工的T型剛構(gòu)，對轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)須采取一定的措施，以避免出現(xiàn)拉應(yīng)力或應(yīng)力集中；（5）本文提出的‘彎矩抵消法’對處于曲線段的T型剛構(gòu)具有廣泛的適用性。

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