李宗建

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

縱目溝特大橋新型柱板式空心高墩設計

李宗建

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

以黃陵—韓城—侯馬鐵路縱目溝特大橋主橋為背景,介紹一種105m墩高的新型柱板式空心墩。從主梁設計、橋墩設計構思、受力分析、試驗研究方面進行研究。計算結果表明,柱板式空心墩各項指標均滿足相關規(guī)范要求,克服了高烈度地震下黃土溝壑區(qū)橋梁設計的困難。

鐵路橋梁;柱板式空心墩;設計

1 工程背景

黃陵—韓城—侯馬鐵路縱目溝特大橋位于北塬至芝陽新建雙線段落內。橋址區(qū)屬黃土溝壑區(qū),縱目溝溝谷深切,岸壁陡峻,呈“V”字形。主溝沖溝發(fā)育,植被茂密,溝心略為平緩,常年流水,水量不大,百年流量為Q100=216 m3/s。橋址區(qū)地層巖性較簡單,橋址區(qū)地震動峰值加速度為0.109g,相當于地震基本烈度7度,反應譜特征周期為0.51 s。

大橋跨越縱目溝主溝,主橋橋型方案的選擇及孔跨布置受線路條件及主溝地形、地質條件控制,經過經濟技術詳細分析,主橋采用(79+2×136+79)m連續(xù)剛構方案,由于本橋主墩墩高逾百米,墩身圬工量大,占主橋的投資比例較高。因此,有必要對主墩結構形式進行專題研究,優(yōu)化墩身構造,提高結構的抗震性能,確保主橋結構安全、經濟、美觀。全橋主橋立面如圖1所示。

圖1 縱目溝特大橋主橋立面(單位:cm)

2 主要技術標準

(1)鐵路等級:國鐵Ⅰ級;行車速度80 km/h;

(2)正線數目:雙線,線間距4.0 m;

(3)線路縱坡:主橋位于6‰縱坡上;

(4)線路平曲線:主橋位于直線上;

(5)設計荷載:中-活載;

(6)洪水頻率:1/100設計,1/300檢算[1];

(7)地震烈度:地震基本烈度為7度。

3 主梁構造

主梁采用單箱單室直腹板箱形截面,主墩及次主墩處梁高10 m、梁端及跨中梁高5 m,梁體下緣按1.8次拋物線變化,箱梁頂寬11.5 m,箱底寬7.2 m。箱梁頂板厚45 cm,底板厚50～110 cm,腹板厚50～90 cm。全聯(lián)在主墩墩頂、次主墩墩頂和邊支點處共設置8道橫隔墻,梁端設1處橫隔墻,厚1.9 m,設寬1.5 m、高1.8 m的過人洞。兩個次主墩處各設2道橫隔墻,厚2.2 m,主墩墩頂處設2道橫隔墻,厚3 m,橫隔板中設寬1.5 m、高2.0 m的過人洞。主橋梁部橫截面如圖2所示。

施工方法:0號梁段采用墩頂支架立?，F澆施工,邊跨9.9 m長直線段在支架上現澆施工。合龍段采用在合龍吊架上澆筑。其他梁段采用掛籃懸臂澆筑施工。支架施工需對支架進行預壓重處理,以消除其非彈性變形。

圖2 主橋梁部橫截面(單位:cm)

圖3 柱板式空心墩典型橫截面

圖4 柱板式空心墩結構構造

4 新型柱板式空心高墩的設計構思

綜合國內外高墩應用及研究現狀,國內鐵路高墩設計多采用結構整體性好、經濟性能優(yōu)越的傳統(tǒng)圓端形或矩形空心墩[2],由于受剛度條件控制,橋墩截面尺寸與圬工量很大,占工程總投資的比例較高[3]。在罕遇地震作用下墩身結構處于彈性工作狀態(tài)時,基礎往往由于受力過大,設計困難,這是傳統(tǒng)空心高墩的致命弱點。目前在國外多柱格構式橋墩已成為高墩抗震研究發(fā)展方向之一[4],各墩柱間依靠橫梁聯(lián)系,由于橫梁的剛度相對較弱,軸力較小,且橫梁梁端彎矩明顯大于柱端彎矩,在罕遇地震作用下塑性鉸容易形成且發(fā)生在較為理想的部位,通過橫撐的變形消耗地震能量,從而保護主體墩柱及基礎的安全,這樣就提高了結構的整體抗震性能,從而大幅降低工程造價。

借鑒國內外高墩的研究成果及成功的應用經驗[4],本橋提出了新型柱板式空心高墩的構造形式,墩柱間設置薄壁板及少量橫梁聯(lián)系,典型結構構造如圖3所示。

新型柱板式空心高墩的力學性能介于傳統(tǒng)空心高墩與多柱格構式橋墩之間,它既繼承了傳統(tǒng)空心高墩結構整體性好的優(yōu)點,又兼有多柱格構式橋墩抗震性能優(yōu)越的特性。由于有橫梁和薄壁板的聯(lián)系作用,在正常使用階段和多遇地震時,橋墩可提供較大的剛度,保證橋梁結構安全運營;一旦遭遇強烈地震,薄壁板開裂后,結構剛度迅速下降,周期延長,地震作用得到大幅度消減,從而保護主體結構免受損傷。另外,如果地震力過大,柱底區(qū)域也可形成塑性鉸,從而確保基礎安全,避免橋梁結構整體垮塌。柱板式空心墩結構構造如圖4所示。

從經濟方面考慮,與傳統(tǒng)空心高墩一樣,新型柱板式空心高墩由于墩柱截面及其聯(lián)系薄壁板均集中于有利于發(fā)揮橋墩剛度的部位,結構經濟性能優(yōu)越。在獲得相同剛度的前提下,橋墩圬工量與傳統(tǒng)空心高墩相比,也占有較大優(yōu)勢,如表1所示。

表1 新型柱板式空心高墩與傳統(tǒng)空心高墩圬工量比較

5 新型柱板式空心墩結構受力分析

5.1 結構計算荷載

以縱目溝特大橋主橋1聯(lián)(79+2×136+79)m連續(xù)剛構為工程背景,對新型柱板式空心高墩及其基礎進行了較為全面的結構分析,主要內容包括靜力分析[8]和抗震性能分析[9]。

5.1.1 恒載

(1)結構自重按《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)采用?；炷寥葜匕?6.5 kN/m3計。

(2)二期恒載

二期恒載重力包括線路設備、道砟、人行道欄桿、擋砟墻、防水層、電纜槽,設計按147.54 kN/m計。

(3)混凝土收縮徐變的影響:按規(guī)范計算。

結構自重、二期恒載(147.5 kN/m)、預應力及其次內力、混凝土收縮徐變。

(4)基礎不均勻沉降:相鄰兩支點按2 cm不均勻沉降計算基礎變位引起的結構內力。

5.1.2 活載

(1)靜活載:雙線中-活載

(2)列車豎向動力沖擊系數:計算跨度按79 m計,1+μ=1.09。

(3)橫向搖擺力取100 kN,作為一個集中活載作用于橋梁結構最不利位置,其作用點在垂直線路中心線的鋼軌頂面,雙線橋只計算任一線上的橫向搖擺力。

(4)人行道人行荷載:按《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)4.5.1條辦理,并應考慮人行道檢查車荷載的作用。

(5)伸縮力和撓曲力:按《新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規(guī)定》有關內容辦理。

5.1.3 附加力及特殊荷載

(1)風力:按《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)計算,基本風壓值W0=500 Pa。

(2)溫度力:考慮日照溫差荷載及降溫溫差荷載。按《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)計算,本次設計合龍溫度按10～15℃考慮,頂板非均勻升溫5℃,均勻升降溫20℃考慮。

(3)制動力:按《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)計算。

(4)列車脫軌荷載:按《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)辦理。

(5)地震荷載:工點處地震動峰值加速度為0.109g,動反應譜特征周期為0.51 s。

(6)施工荷載:施工掛籃、機具、人群等按1 400 kN計。

(7)斷軌力:按《新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規(guī)定》有關內容辦理。

5.2 荷載組合

主要控制荷載組合如下。

荷載組合1:恒載+ZK活載最不利加載+橫向搖擺力;

荷載組合2:荷載組合1+制動力+縱向風荷載+溫度荷載;

荷載組合3:荷載組合1+多遇地震(縱向及橫向分別組合);

荷載組合4:恒載+罕遇地震(縱向及橫向分別組合)。

5.3 全橋計算模型概述

5.3.1 全橋靜力計算模型

全橋靜力計算模型采用BSAS橋梁結構分析程序計算,按主力和主+附兩種工況對主墩進行計算,附加力主要考慮制動力、風力對橋墩結構受力的影響。計算中考慮了樁與地基土的組合效應。

5.3.2 全橋動力計算模型

白洋河：又名清溪河，干流長63 km，河道寬50～70 m，估算20年一遇最大洪水流量1 200 m3/s，現有河道泄洪能力為400 m3/s，局部斷流，正常蓄水位9.5 m。河水從城西穿杏村經西門后與秋浦河匯合，到池口入江。

全橋動力分析程序采用Midas/Civil軟件,主墩空間計算模型1如圖5所示,本模型按照實際結構構造進行劃分,結構全部采用梁單元模擬,共劃分390個節(jié)點,382個單元。承臺施加3個水平彈簧、3個轉動彈簧來模擬樁-土效應。主墩截面為墩柱和連接板的組合截面,考慮墩柱、連接板、橫撐整體受力。本模型主要分析結構正常使用階段和多遇地震荷載作用下的應力、強度、變形,振型模態(tài)分析。

圖5 正常使用階段及多遇地震下結構計算模型

連接板參與結構計算情況下全橋動力特性計算結果如表2所示。

表2 模型1全橋動力特性計算結果

主墩空間計算模型2如圖6所示,本模型按照實際結構構造進行劃分,結構除主墩連接板采用板單元模擬外,其余結構均采用梁單元模擬,共劃分539個節(jié)點,662個單元。主墩的結構組合為4個墩柱(梁單元)、3處橫撐(梁單元)、連接板(板單元)。本模型主要分析結構罕遇地震荷載作用下的應力、強度、變形(針對主體結構,比如中墩連接板開裂,墩柱、橫撐仍處于彈性階段受力),振型模態(tài)分析。

圖6 罕遇地震工況下結構計算模型

連接板不參與結構計算工況下全橋動力特性計算結果如表3所示。

表3 模型2全橋動力特性計算結果

5.3.3 全橋計算結果分析

經過靜力及動力計算分析,在施工、運營及多遇地震荷載工況下,橋墩最大混凝土壓應力[11]5.64 MPa,鋼筋最大拉應力[11]56 MPa;在罕遇地震力作用下,連接板開裂后,最大混凝土壓應力18.13 MPa,鋼筋最大拉應力171 MPa,橋墩受力滿足規(guī)范要求(具體計算不在此贅述)。

6 新型柱板式空心高墩試驗研究

柱板式空心墩在國內首次采用,其抗風、抗震性能、溫度分布模式均無現成數據可利用,必須有針對性地開展試驗研究,為該類橋墩的設計提供依據。目前,該橋墩中鐵建總科研項目《新型柱板式空心高墩關鍵技術研究》《11-55C》正在實施中。

6.1 柱板式空心墩溫度場測試方案

選取縱目溝特大橋5號橋墩作為溫度場測試橋墩。整個橋墩共選取41個測試斷面?？紤]受日照程度的不同,每個斷面均布設4條測線。每條測線分別布設7～8個溫度測點。

6.2 柱板式空心墩抗風性能風洞模型試驗及分析研究

縱目溝鐵路特大橋位于峽谷之間,跨度大、橋墩高(105 m),深峽谷地區(qū)的風場特性較為復雜,其對大跨、高墩橋梁的影響無現成的資料可查或借鑒,同時,高墩大跨橋梁的各典型狀態(tài)的自振頻率往往較低,在自然風作用下的風致響應問題較為突出,可能會控制設計,因而對其進行專門的抗風性能研究十分必要。

通過對5號橋墩結構動力特性計算、橋址處風場的特性分析、橋墩墩體風載系數的測量風洞模型試驗、橋墩墩體及主梁風載參數的CFD計算分析、結構風致響應計算分析等,采用風洞模型試驗及數值計算相結合的方法進行研究,為縱目溝特大橋設計提供風載參數,為以后同類橋梁設計提供參考。

6.3 柱板式空心墩抗震性能試驗方案

目前國內還沒有針對柱板式空心高墩的理論及試驗研究。為系統(tǒng)地了解該類橋墩的破壞模式以及滯回特性,本試驗采用柱板式橋墩局部模型的擬靜力試驗對該類橋墩的破壞模式和滯回特性進行研究,為該類橋墩的抗震設計提供參考依據。

以黃韓侯鐵路縱目溝特大橋5號柱板式橋墩為原型,截取柱板式空心墩中第二和第三橫梁中間節(jié)段進行模型設計,設計比例尺為1∶10的試驗模型,同時考慮縱筋配筋率和箍筋的影響。柱板組合結構在地震荷載作用下板的耗能過程先是柱間橫梁彎曲破壞,在橫梁破壞后,由于柱間的擠壓變形使柱間板破壞耗能。為考察柱、板、橫梁結構在地震荷載作用下的破壞模式,制作如下試驗模型。

(1)柱板、橫梁結構制作3個試驗模型;墩柱采用30 cm×30 cm的正方形,連接板寬度50 cm;

(2)柱板、橫梁結構制作3個試驗模型;墩柱采用30 cm×30 cm的正方形,連接板寬度80 cm。如圖7所示。

圖7 縮尺試驗計算模型(單位:cm)

主要采集的數據包括:墩頂豎向荷載、墩頂水平力-水平位移滯回曲線、鋼筋及混凝土應變、裂縫位置及寬度等。

7 結語

本橋提出單墩多柱的橋墩設計理念,并進行了大量計算分析。研究結果表明:該設計使得剛度[12]向有利于發(fā)揮的部位集中,同時依靠梁體的約束進一步提高結構剛度,這就使得全橋在獲得相同剛度的前提下,橋墩圬工量大為減少,根據鐵一院的研究,可較傳統(tǒng)空心墩節(jié)約圬工20%以上,從而大幅度降低工程造價;再者由于橫撐的剛度相對較弱,且承受的軸力較小,同時梁端彎矩明顯大于柱端彎矩,這就使得地震作用下塑性鉸容易形成且發(fā)生在設計較為理想的部位,這樣就可以通過橫撐的變形耗散地震能量,而保證主體墩柱及基礎的安全,從而系統(tǒng)提高了結構的抗震性能。

本設計通過巧妙構思及系統(tǒng)計算,并輔以試驗研究,掌握了柱板式空心墩的受力特點,成功地解決了高烈度地震區(qū)、黃土溝壑區(qū)的高墩大跨橋梁設計的難題。

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[12]孫訓芳,方孝淑,關來泰.材料力學[M].北京:高等教育出版社,2009.

The Design of New-type Column Plate Hollow Pier of Zongmugou Extra-long Bridge

LI Zong-jian
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

Railway bridge;Column plate hollow pier;Design

U443.22

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.021

1004-2954(2014)12-0084-05

2014-03-07;

2014-03-21

中國鐵道建筑總公司科技研究開發(fā)計劃課題(2011-55C)

李宗建(1980-),男,工程師,2005年畢業(yè)于西南交通大學土木工程專業(yè),工學學士,E-mail:23117832@qq.com。

Abstract:Based on Zongmugou extra-long bridge on Huangling-Hancheng-Houma railway,this paper introduces a new-type column plate hollow pier of 105m high,and studies the design of main girder,the concept of pier design and the test.The calculation results show that all indexes of the column plate hollow pier meet the relevant standards and the difficulties in the design of bridges in highly seismic region and gully region of loess are solved.