儲胡照

(中鐵上海設(shè)計院集團合肥有限公司，安徽 合肥　230011)

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安慶市外環(huán)北路下穿寧安城際立體交叉工程設(shè)計

儲胡照

(中鐵上海設(shè)計院集團合肥有限公司，安徽 合肥230011)

摘要：以安慶市外環(huán)北路下穿寧安城際立體交叉工程為研究對象，從橋型特點、方案研究等方面具體闡述該橋的設(shè)計方案，并通過對全橋模型的計算得出該類橋的受力特性及內(nèi)力分布特點，為同類項目的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：下穿高鐵；設(shè)計方案；受力分析

安慶市外環(huán)北路位于安慶市東北部,全長14.93 km,橫貫西北-東南。外環(huán)北路在18 km+509.4 m與寧安城際鐵路交叉,寧安城際鐵路樁號為252 km+670.130 m,交叉角度為81°46′55″,該段寧安城際鐵路為32 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土雙線箱梁。目前,該段鐵路橋下遺留施工便道,主要為雜填土,施工單位沒有外運,采用在鐵路征地地界內(nèi)攤平,填土平均高度約為5.5 m左右。擬建的外環(huán)北路下穿寧安城際鐵路,從22#、23#、24#號橋墩分幅下穿,斷面采用雙向八車道主線+非機動車道+人行道的形式(圖1)。

圖1　立面布置圖

1總體設(shè)計

寧安城際鐵路荔塘河特大橋22#橋墩～24#橋墩相鄰承臺間垂線距離為27.92 m,22#橋墩承臺尺寸為4.8 m×10.08 m,基礎(chǔ)為8根Φ1.0 m嵌巖樁,23#橋墩承臺尺寸為4.8×10.08 m,基礎(chǔ)為8根Φ1.0 m嵌巖樁,23#橋墩承臺尺寸為5.0×10.28 m,基礎(chǔ)為8根Φ1.25 m嵌巖樁。

安慶市外環(huán)北路道路路幅為58.4 m,雙向八車道,兩側(cè)設(shè)有非機動車道及人行道。由于寧安城際鐵路相鄰承臺間沿道路垂線距離均小于道路規(guī)劃路幅,因此本工程道路采用左右幅道路分別從橋下一跨內(nèi)居中穿越寧安城際鐵路(圖2)。

圖2　平面布置圖

高速鐵路對樁基沉降要求嚴(yán)格,為避免新建道路結(jié)構(gòu)自重和汽車荷載對既有鐵路樁基產(chǎn)生附加壓力,影響鐵路樁基沉降及水平變形,從而進(jìn)一步影響鐵路運營安全,方案應(yīng)選擇橋梁施工等對鐵路行車安全威脅最小的方案。并考慮設(shè)計水位等因素,采用多跨門式剛構(gòu)[1-4]從鐵路橋下通過。

2計算模型及受力分析

2.1模型建立

本次設(shè)計模型采用3×20 m,梁高1.1 m,梁長60 m。主梁采用分幅布置。單幅梁頂寬25.5 m,底寬24.0 m。其下為鉆孔樁基礎(chǔ),樁徑1.0 m。

對于多跨門式剛構(gòu)橋來說,由于屬于超靜定結(jié)構(gòu),其下部結(jié)構(gòu)必然是極為重要,尤其是對于橋墩的厚度和高度來說,其更是極為關(guān)鍵,因此,橋墩結(jié)構(gòu)尺寸的擬定,其直接關(guān)系到整體橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點,但是在實際的橋梁下部結(jié)構(gòu)擬定過程中,其橋墩高度是不能夠隨意設(shè)定的,往往需要針對實際情況進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑O(shè)定,保障其在運營后發(fā)揮出其應(yīng)有的作用和價值,但是在該項目中,因為其現(xiàn)場的特殊性,其高度的可調(diào)整性比較突出的,設(shè)計時就針對現(xiàn)場的具體情況對該橋的下部結(jié)構(gòu)高度進(jìn)行合理的設(shè)定,促使其表現(xiàn)出較為理想的經(jīng)濟性和安全性效果。因此,提出了兩個不同的方案,并分別采用橋梁博士軟件建立模型,進(jìn)行計算,全橋劃分71個梁單元(圖3)。

圖3　計算模型

方案一:不設(shè)置橋墩,由樁基、路基土體與鋼筋混凝土承載板、帽梁組成地面橋連續(xù)樁板結(jié)構(gòu),它充分利用樁與土、板與土之間的共同作用來滿足強度與變形要求[5-7],是介于橋梁與路基之間的一種特殊的結(jié)構(gòu)形式。一般來說,在橋梁竣工時,相對應(yīng)的路基土體和板是緊密連接的,也正是因為這種緊密連接才能夠較好地發(fā)揮路基的承載能力,但隨著項目的運營,活載的不斷往復(fù)作用,可能出現(xiàn)脫空現(xiàn)象,從而改變起初的受力體系。計算模擬時可將地基土對板的支撐可視為安全儲備,即不考慮地基土對板的支撐作用。

方案二:橋墩高度為5 m,將橋墩和梁板進(jìn)行剛性連接,從力學(xué)角度來看,這種剛性連接的影響也是極為突出的,正是因為這種剛性連接的參與,受力體系發(fā)生了較大的改變,使結(jié)構(gòu)在溫度、沉降、收縮徐變等因素的作用下,產(chǎn)生較大的次內(nèi)力。為使其受力狀況滿足使用要求,應(yīng)使下部機構(gòu)有較大的柔度來抵抗上部結(jié)構(gòu)的荷載。

2.2樁基礎(chǔ)的模擬

對于這種樁基礎(chǔ)的模擬工作來說,其具體的計算是比較核心的一個方面,只有保障計算的準(zhǔn)確性才能夠提升其模擬的準(zhǔn)確性,在該項目中,通過柱底加設(shè)1個豎直梁單元和1個水平邊界單元,等效模擬整個樁基礎(chǔ),所采用的基本計算圖式見以下公式[8-10]。

等效豎直單元長度:L=3H11/(2H13);

等效豎直單元順橋向?qū)挾?b=(12I/A)1/2;

等效豎直單元橫橋向?qū)挾?a=A/b。

其中,H11為在承臺頂作用單位水平力時承臺頂產(chǎn)生的水平位移(H11>0);H13為在承臺頂作用單位水平力時承臺頂產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角位移;H22為在承臺頂作用單位豎直力時承臺頂產(chǎn)生的豎向位移(H22>0);H31為在承臺頂作用單位力矩時承臺頂產(chǎn)生的水平位移(H31>0);H33為在承臺頂作用單位力矩時承臺頂產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角位移(H33>0)。

2.3計算結(jié)果

針對上述的兩個方案進(jìn)行詳細(xì)的分析,其具體的圖示如下,從圖4中可以看出,樁板結(jié)構(gòu)最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在墩頂位置,為60 578 kN·m,最大正彎矩出現(xiàn)在邊跨的跨中位置,為43 028 kN·m。

圖4　樁板結(jié)構(gòu)各種荷載組合下彎矩

從圖5中可以看出,樁板結(jié)構(gòu)最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在墩頂位置,為60 537 kN·m,最大正彎矩出現(xiàn)在邊跨的跨中位置,為39 876 kN·m。

圖5　樁板結(jié)構(gòu)各種荷載組合下彎矩

2.4計算結(jié)果比較

兩種結(jié)構(gòu)形式主要區(qū)別就是墩高的高度不同,橋墩的高度變高,即結(jié)構(gòu)的下部墩臺剛度變小,上部梁體剛度加大,在溫度、混凝土收縮及徐變等作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力相應(yīng)變小,對結(jié)構(gòu)設(shè)計較利。而下部結(jié)構(gòu)剛度的變化對上部梁體負(fù)彎矩影響不大,對正彎矩影響較大,增加7.9%。

總之,為了減小結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力,必須采取增加橋墩高度、減小厚度等措施來保證,但同時也必須滿

足下部結(jié)構(gòu)的自身強度要求。下部結(jié)構(gòu)的強度可通過增強結(jié)構(gòu)配筋、提高混凝土強度來保證。盡量小的下部結(jié)構(gòu)剛度和盡量大的下部結(jié)構(gòu)強度是中等跨徑剛構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。當(dāng)高鐵橋墩埋置較深時采用何種結(jié)構(gòu)形式主要從對高鐵橋梁影響和經(jīng)濟性進(jìn)行。

3結(jié)束語

隨著經(jīng)濟的發(fā)展,新建高鐵及城際鐵路項目實施更多,涉及與地方道路立體交叉項目越來越多,一方面由于橋下凈空限制,另一方面高速鐵路對樁基沉降要求嚴(yán)格,文中介紹的樁板結(jié)構(gòu)及多跨門式剛構(gòu)橋是比較好的橋型之一,可為同類工程的設(shè)計提供參考。

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收稿日期：2015-12-23；修改日期：2016-01-19

作者簡介：儲胡照(1988-)，男，安徽岳西人，中鐵上海設(shè)計院集團合肥有限公司助理工程師．

中圖分類號：U412.352

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)01-0069-03