余艷霞

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司　武漢　430063)

巴倫臺(tái)至伊爾根地方鐵路保然特大橋主橋設(shè)計(jì)

余艷霞

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司武漢430063)

摘要以實(shí)際工程為背景，介紹了集高墩、大跨、小曲線半徑、嚴(yán)寒、高烈度地震及高風(fēng)壓于一體的鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋梁受力特點(diǎn)。對(duì)其上、下部結(jié)構(gòu)尺寸的擬定及設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，介紹了橋梁結(jié)構(gòu)尺寸與技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，使用MIDAS/Civil分析軟件對(duì)其支反力、剛度、自振頻率與抗震進(jìn)行了分析，并對(duì)關(guān)鍵的施工措施進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述。

關(guān)鍵詞高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)

保然特大橋位于和靜縣巴侖臺(tái)鎮(zhèn)哈布其汗薩拉溝內(nèi)，位于巴倫臺(tái)天山區(qū)和巴音布魯克嶺部丘陵區(qū)中間地帶，年平均氣溫-4.5 ℃；年降雨量216.4～268.8mm；年蒸發(fā)量 1 808.3～1 110.4mm；最大積雪深度45cm。場(chǎng)地存在季節(jié)性凍土，其標(biāo)準(zhǔn)凍深1.6m。地基土凍脹等級(jí)為Ⅰ級(jí)。橋址處基本風(fēng)壓pw=900 Pa，地震動(dòng)峰值加速度0.15g，抗震設(shè)防烈度為7度。

本橋以50～60m高度跨越深溝，考慮到高風(fēng)壓和高烈度地震，擬采用高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)跨越深溝。因?yàn)閷?duì)于高墩大跨橋，連續(xù)剛構(gòu)橋具有結(jié)構(gòu)整體性好，抗震性能優(yōu)，結(jié)構(gòu)受力合理，橋型簡(jiǎn)潔明快等優(yōu)點(diǎn)[1]。連續(xù)剛構(gòu)的橫向抗推剛度和抗扭剛度大，有利于懸臂施工的橫向抗風(fēng)要求，且避免了連續(xù)梁僅一個(gè)制動(dòng)墩承受橫向水平力和地震力的不利情況，同時(shí)節(jié)省了大噸位抗震型支座以及后期維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

本橋孔跨布置為：24m簡(jiǎn)支梁+14×32m簡(jiǎn)支梁+140m+72m+40m連續(xù)剛構(gòu)+132m簡(jiǎn)支梁+3×24m簡(jiǎn)支梁，橋梁全長(zhǎng)757.285m，橋梁主跨采用40m+72m+40m高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)，16號(hào)主墩50.8m，17號(hào)主墩59.8m，全橋布置見(jiàn)圖1。

圖1　保然特大橋全橋布置圖(單位：cm)

1主橋主要設(shè)計(jì)參數(shù)

本橋列車(chē)最高運(yùn)行速度80km/h，中-活載，曲線單線橋，曲線半徑500m，橋面寬7.2m，橋面布置見(jiàn)圖2。地震動(dòng)峰值加速度0.15g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s，抗震設(shè)防烈度為7度，場(chǎng)地類別屬I(mǎi)I類，所屬設(shè)計(jì)地震分組為第二組。

圖2　橋面布置圖(單位：cm)

本橋處于高風(fēng)壓、嚴(yán)寒地區(qū)，主梁及橋墩的溫度變化影響力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)極為關(guān)鍵，本橋縱向溫度荷載考慮整體升降溫±25 ℃，頂板不均勻升溫5 ℃，橋墩墩身日照時(shí)按一側(cè)升溫10 ℃，另一側(cè)升溫25 ℃考慮，寒潮時(shí)按橋墩內(nèi)外溫差-15 ℃考慮，溫度沿壁厚按指數(shù)規(guī)律變化。

2結(jié)構(gòu)尺寸

2.1上部結(jié)構(gòu)

梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。梁高在中支點(diǎn)處5.20m，邊支點(diǎn)和跨中處3.2m，梁底按圓曲線變化，半徑R=242.636m。箱梁頂寬7.2m，底寬4.6m，頂板厚度36cm，腹板厚度45～65cm，支點(diǎn)位置局部加厚，底板厚度36～80cm支點(diǎn)位置局部加厚。在端支點(diǎn)、中支點(diǎn)、跨中共設(shè)7個(gè)橫隔板，隔板設(shè)有進(jìn)人孔，供檢查人員通過(guò)。

箱梁采用C50高性能混凝土，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，為提高梁體抗剪能力，在支點(diǎn)及左右?guī)讉€(gè)梁段范圍布置豎向預(yù)應(yīng)力，并在支點(diǎn)范圍設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力。主梁典型截面布置見(jiàn)圖3。

圖3主梁典型截面布置圖(單位：cm)

2.2下部結(jié)構(gòu)

主墩采用鋼筋混凝土矩形空心墩，16號(hào)橋墩墩高50.8m，墩身縱向長(zhǎng)6m，壁厚0.9m，縱向內(nèi)外坡均為直坡，墩頂橫向?qū)?.7m，墩底橫向?qū)?0.78m；17號(hào)橋墩墩高59.8m，墩身縱向長(zhǎng)6m，壁厚0.9m，縱向內(nèi)外坡均為直坡，墩頂橫向?qū)?.7m，墩底橫向?qū)?1.68m。橋墩橫向外坡坡率20∶1，橫向內(nèi)坡坡率50∶1。墩頂設(shè)梗肋過(guò)渡。橋墩四角采用R=10cm的圓角。

橋墩與梁部相接5m范圍內(nèi)采用C50高性能混凝土，下部采用C40混凝土。主墩頂橫截面見(jiàn)圖4。

圖4主墩頂橫截面圖(單位：cm)

3技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

3.1小曲線半徑

本橋位于小曲線半徑上，恒載、不均勻沉降、列車(chē)荷載、離心力、制動(dòng)力、風(fēng)力、整體升降溫、主梁線性溫度、橋墩線性溫度均可能產(chǎn)生邊支點(diǎn)的豎向上拔力、橫向彎矩，從而導(dǎo)致一側(cè)支座消壓。

采用maidas進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，從實(shí)際計(jì)算結(jié)果來(lái)看，恒載、風(fēng)力(主梁及列車(chē))、離心力、橋墩橫向日照產(chǎn)生的邊墩墩頂橫向彎矩較大，出現(xiàn)負(fù)反力。采取以下2種措施解決。

(1) 采用加寬梁端橫梁寬度以加大支座橫向間距的措施。

(2) 在梁端邊直段范圍采用鐵砂混凝土壓重的措施。

通過(guò)以上2種方式共同作用，解決負(fù)反力問(wèn)題，采用措施后，梁端支座反力見(jiàn)表1。

表1　支反力　kN

3.2主橋動(dòng)力特性與縱、橫向剛度

連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩與連續(xù)梁共同承受內(nèi)力，且結(jié)構(gòu)內(nèi)力是按橋墩與連續(xù)梁的剛度比來(lái)分配的。橋墩的剛度大則其承擔(dān)的內(nèi)力大，不能有效地發(fā)揮梁的抗彎能力，而連續(xù)梁在墩頂處受力很大，也達(dá)不到降低墩頂負(fù)彎矩的目的。總之，橋墩縱向剛度應(yīng)在滿足橋梁施工、運(yùn)行穩(wěn)定的前提下盡量小，而橫向橋梁在橫向不平衡荷載或風(fēng)載的作用下，易產(chǎn)生扭曲、變位，為了增大橫向穩(wěn)定性，橋墩在橫向的剛度應(yīng)大一些。

主橋的自振頻率、橋墩墩頂縱橫向位移能準(zhǔn)確反應(yīng)主橋剛度的大小，也就反應(yīng)了主橋的動(dòng)力特性，因此準(zhǔn)確掌握主橋的自振頻率和各階頻率對(duì)應(yīng)的振型特點(diǎn)及橋墩墩頂縱橫向位移相當(dāng)重要。采用maidas進(jìn)行分析計(jì)算，表2為主橋前5階自振頻率的計(jì)算結(jié)果和相應(yīng)振型特點(diǎn)，圖5為主橋第1～3階振型圖。

表2　主橋前5階周期、頻率及振型描述

a)　第1階振型圖

b)　第2階振型圖

c)　第3階振型圖

3.3主橋的地震分析

如前所述主橋的縱、橫向剛度已足夠大，能保證列車(chē)的運(yùn)行平穩(wěn)、舒適。但是主橋的縱、橫向剛度越大，則主墩的地震反應(yīng)也越大。因此，地震作用也成為本橋設(shè)計(jì)的主要因素。

采用MIDAS/Civil軟件利用多振型反應(yīng)譜疊加的方法進(jìn)行多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，并檢算各構(gòu)件的強(qiáng)度，經(jīng)檢算滿足規(guī)范的要求?？紤]到墩柱的非線性特性及邊墩支座的非線性特性進(jìn)行設(shè)計(jì)地震及罕遇地震作用下的非線性時(shí)程分析，經(jīng)檢算主墩的位移延性系數(shù)滿足規(guī)范的要求，有足夠的延性能力。

在支座選型上，根據(jù)抗震計(jì)算，需要在滿足支座豎向承載力的情況下，加大支座型號(hào)，以滿足橫橋向水平力剪力。

3.4關(guān)鍵的施工措施

連續(xù)剛構(gòu)主墩，由于與梁體固結(jié)，橋墩剛度越小則橋墩承擔(dān)的彎矩越小，反之越大；而為了滿足列車(chē)運(yùn)行安全、平穩(wěn)、舒適要求，又需要控制橋墩具有相應(yīng)的剛度。為了盡量減小橋墩墩頂、墩底彎矩，采用在中跨合龍前在兩側(cè)梁體上施加相應(yīng)的對(duì)頂力抵消部分彎矩和位移，從而優(yōu)化橋墩設(shè)計(jì)。經(jīng)計(jì)算，本梁設(shè)置了1 000kN的對(duì)頂力，對(duì)橋墩墩頂彎矩和位移有一定的改善作用。

4結(jié)語(yǔ)

從以上分析可知，高墩、大跨、小曲線半徑、嚴(yán)寒、高烈度地震地區(qū)的鐵路橋梁其邊支點(diǎn)支座脫空、橋墩縱橫向剛度控制、相應(yīng)的地震反應(yīng)分析是設(shè)計(jì)的重要技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，應(yīng)引起足夠的重視。保然特大橋則是集高墩、大跨、小曲線半徑、嚴(yán)寒地區(qū)、高烈度地震區(qū)及高風(fēng)壓區(qū)于一體的典型鐵路橋梁工程，可供類似的工程設(shè)計(jì)參考。

參考文獻(xiàn)

[1]馬保林,李子青.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè) ：橋梁墩臺(tái)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1997.

收稿日期：2014-10-17

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.013