周津斌

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,天津 300308)

1 研究背景

重載鐵路作為一種高效率的運(yùn)輸方式，在大宗、長距離的貨物運(yùn)輸方面具有明顯經(jīng)濟(jì)性，其運(yùn)輸效益已由各國的實際業(yè)績所證實，且在世界范圍內(nèi)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，已成為世界鐵路發(fā)展的方向之一。

隨著我國山西中南部鐵路、蒙華鐵路、興保鐵路等山區(qū)重載鐵路的建設(shè)，由于沿線深溝、河谷等復(fù)雜地形較多，越來越多的高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)被采用。此類結(jié)構(gòu)可以滿足山區(qū)鐵路使用功能的要求，不僅整體性、結(jié)構(gòu)受力性能好，橫橋向抗推剛度及抗扭剛度大，有利于懸臂施工的橫向抗風(fēng)要求，同時節(jié)省大噸位支座以及后期維修養(yǎng)護(hù)[1]，且具有梁體內(nèi)力分布合理、跨越能力強(qiáng)、線條流暢、外形優(yōu)美等特點[2]。

目前國內(nèi)已建成的多線鐵路大跨連續(xù)剛構(gòu)并不多見，特別是重載鐵路尚未有先例。如蘭渝鐵路新井口嘉陵江四線(84+152+76) m連續(xù)剛構(gòu)[3]，設(shè)計活載為中-活載，最大墩高為80.5 m。

2 工程概況

2.1 橋式說明

安家山河大橋為興保鐵路馮家川站場內(nèi)四線橋，線間距從左至右依次為5.5 m+5 m+5.3 m，四線均為重載，為跨越安家山河而設(shè)。安家山河河底較寬，兩岸地形復(fù)雜，縱橫向坡度較陡，綜合考慮本橋自然地形特點，盡量避開縱橫向陡坎，故主橋推薦采用孔跨布置為(80+130+80) m連續(xù)剛構(gòu)，梁頂至墩底最大高度94 m，橋跨布置見圖1。

圖1 主橋橋跨布置(單位：cm)

2.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級：國鐵Ⅰ級。

(2)設(shè)計速度：貨車120 km/h。

(3)有砟軌道：60 kg/m鋼軌，無縫線路，不設(shè)溫度調(diào)節(jié)器，線路縱坡為1‰。

(4)設(shè)計活載：重載(ZH活載)。

2.3 工程地質(zhì)

橋址區(qū)地層巖性為第四系全新統(tǒng)沖洪積細(xì)圓礫土、粗圓礫土及粉砂；第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積層新黃土；上第三系上新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、粗圓礫土及細(xì)圓礫土；三疊系中統(tǒng)二馬營組砂巖夾泥巖。

本橋地震動峰加速度Ag=0.05g，動反應(yīng)譜特征周期Tg=0.45 s，土壤最大凍結(jié)深度1.18 m。

3 橋梁方案研究

3.1 梁高比選

對于大跨預(yù)應(yīng)力混凝土橋，自重荷載所占設(shè)計荷載的比例較大，對于連續(xù)剛構(gòu)橋，墩柱的剛度直接影響梁體的內(nèi)力變化，同時梁體的剛度也影響墩柱內(nèi)力及承臺底外力[4]。所以在保證梁部滿足各項設(shè)計要求的前提下，應(yīng)盡量優(yōu)化設(shè)計以減輕梁體自重。

根據(jù)已建成鐵路連續(xù)剛構(gòu)的設(shè)計經(jīng)驗，中支點高跨比多在1/13～1/20，本橋在此范圍內(nèi)確定了4種方案。中支點梁高分別按8.4，8.6，9.2 m和9.5 m進(jìn)行對比研究，跨中梁高對應(yīng)中支點梁高進(jìn)行調(diào)整，梁底曲線均采用二次拋物線過渡。各方案的比較結(jié)果詳見表1、表2。

表2 主梁剛度、工程量對比及結(jié)論

由表2可知，方案3與方案4的梁部計算結(jié)果均比較理想。本橋為高墩大跨結(jié)構(gòu)，減小上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量，利于增大橫向自振頻率及優(yōu)化橋墩尺寸，同時可以節(jié)約工程量，降低造價。綜合以上因素，選取方案3作為推薦方案，考慮到本梁跨中整體指標(biāo)富余量較大，故在方案3的基礎(chǔ)上，施工圖設(shè)計將跨中梁高優(yōu)化為4.8 m。

3.2 墩型比選

本橋主墩最大墩身高達(dá)85 m，且高差53 m，橋墩結(jié)構(gòu)尺寸由主橋的縱、橫向剛度控制設(shè)計[5]。對于大跨度剛構(gòu)的橫向自振頻率限值，鐵路橋梁規(guī)范尚未有相關(guān)要求，主橋橫向控制參考了《關(guān)于南昆鐵路四座大橋橫向剛度的補(bǔ)充技術(shù)要求》[6-7]。由于橋面較寬導(dǎo)致橋墩橫向尺寸較寬，故主墩可選類型較多，設(shè)計時分別選取3種墩型進(jìn)行類比分析。5號墩采用A型墩與空心墩進(jìn)行對比，6號墩采用空心墩與雙薄壁墩進(jìn)行對比，墩型比較詳見表3，各方案墩型示意見圖2～圖4。根據(jù)不同的墩型組合，對橫向自振頻率、墩頂位移、縱向剛度、混凝土量等方面進(jìn)行對比分析，結(jié)果詳見表4、表5。

表3 墩型比較

圖2 方案1 A型墩+雙薄壁墩

圖3 方案2 矩形空心墩+雙薄壁墩

圖4 方案3 矩形空心墩+矩形空心墩

根據(jù)表4可知，方案1中5號墩采用A型墩，結(jié)構(gòu)自振頻率滿足要求，但富余量較大；方案2中5號墩采用矩形空心墩，結(jié)構(gòu)自振頻率滿足要求，而且留有一定的富余量作為安全儲備。兩方案的墩頂縱向位移和墩身縱向剛度變化不大，但對于混凝土量，方案1較方案2增加較多，不夠經(jīng)濟(jì)。A型墩受力較一般空心墩受力更為復(fù)雜[8]，而且從便于施工的角度出發(fā)，也應(yīng)采用簡潔的墩型。綜上，5號墩選取方案2矩形空心墩作為設(shè)計推薦方案。

表4 5號墩在方案1與方案2中的計算結(jié)果對比

根據(jù)表5可知，方案3中6號墩采用矩形空心墩，結(jié)構(gòu)自振頻率滿足要求，與方案1結(jié)果相差不大；對于混凝土量，方案3比方案1稍有增加；但對于墩身縱向剛度，方案3中6號墩采用矩形空心墩，剛度增加較多，與5號墩剛度相差懸殊，不利于結(jié)構(gòu)受力。故對于6號墩，選取方案2雙薄壁作為設(shè)計推薦方案。

表5 6號墩在方案2與方案3中的計算結(jié)果對比

3.3 墩梁結(jié)合部位分析

本梁中支點墩頂反力達(dá)219 139 kN，其中梁部自重145 362 kN，二期恒載43 287 kN，恒載占總反力比例86%；最大活載反力26 443 kN，占總反力比例12%。本梁中支點反力較大，如采用連續(xù)梁體系，需設(shè)置數(shù)個大噸位支座，不僅價格昂貴且不便于后期維修養(yǎng)護(hù)。經(jīng)綜合考慮，最終橋式方案采用連續(xù)剛構(gòu)體系，中支點處墩梁固結(jié)。5號墩采用矩形空心墩，墩梁固結(jié)處為兩個矩形箱體正交相連，縱向兩墩壁向上延伸至主梁箱體內(nèi)形成2道橫隔板，橫向三墩壁向上延伸與主梁腹板對應(yīng)。梁體的各種力通過橫隔板和腹板傳至空心墩柱的墩壁[9]。

6號墩采用雙薄壁墩，兩壁向上延伸至主梁箱體內(nèi)形成2道橫隔板。根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗，在墩梁固結(jié)連接處設(shè)置梗斜，避免形成直角，形成應(yīng)力集中。

墩梁固結(jié)區(qū)是傳遞荷載、擴(kuò)散應(yīng)力的關(guān)鍵部位[10]，構(gòu)造及受力十分復(fù)雜，有必要建立實體模型進(jìn)行局部應(yīng)力分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，使受力狀態(tài)更趨于合理。采用Midas FEA軟件，選取剛壁墩頂縱向25 m主梁范圍及10 m墩高范圍建立空間實體模型，對墩梁固結(jié)部位進(jìn)行局部應(yīng)力分析。分析模型中，墩底施加約束，梁部左右兩側(cè)截面按照節(jié)點施加內(nèi)力，模型內(nèi)部預(yù)應(yīng)力鋼束，按照實際形狀建立鋼筋單元并施加預(yù)應(yīng)力。

5號墩墩梁固結(jié)處最大、最小主應(yīng)力云圖見圖5、圖6，6號墩墩梁固結(jié)處最大、最小主應(yīng)力云圖見圖7、圖8。圖中正值為拉應(yīng)力，負(fù)值為壓應(yīng)力。

圖5 5號墩 墩梁固結(jié)處最大主應(yīng)力云圖

圖6 5號墩 墩梁固結(jié)處最小主應(yīng)力云圖

圖7 6號墩 墩梁固結(jié)處最大主應(yīng)力云圖

圖8 6號墩 墩梁固結(jié)處最小主應(yīng)力云圖

由圖5、圖6可知，5號墩墩梁固結(jié)范圍，最大主拉應(yīng)力為1.4 MPa，最大主壓應(yīng)力為13.4 MPa；由圖7、圖8可知，6號墩墩梁固結(jié)范圍，最大主拉應(yīng)力為1.4 MPa，最大主壓應(yīng)力為13.2 MPa。均滿足規(guī)范要求，且有一定富余量，未出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。

根據(jù)分析結(jié)果，除鋼束錨固點、截面倒角等位置局部應(yīng)力比較集中外，其余截面的主應(yīng)力數(shù)值均不大，梁體應(yīng)力狀態(tài)較為合理，出現(xiàn)應(yīng)力集中的范圍較小。同時本梁還通過設(shè)置橫隔板的橫、豎向預(yù)應(yīng)力來優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

3.4 中跨合龍頂推力比選

在施工過程中，中跨實際環(huán)境下的合龍溫度與理論設(shè)計溫度的溫差會導(dǎo)致梁體產(chǎn)生位移，由于連續(xù)剛構(gòu)的墩梁固結(jié)還會引起剛壁墩的偏位，產(chǎn)生二次應(yīng)力。且收縮徐變效應(yīng)導(dǎo)致的梁體豎向撓度和水平位移及附加內(nèi)力，也會造成剛壁墩偏位，這些對主墩受力都會產(chǎn)生非常不利的影響。為了調(diào)整主梁和剛壁墩內(nèi)力，合龍時一般施加一定的合龍頂力，即橋墩預(yù)先承受相反方向的彎矩[11]，以減小合龍溫差和橋梁運(yùn)營后期混凝土收縮徐變等因素產(chǎn)生的附加次內(nèi)力，基本平衡主墩水平偏位，優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力[12]。

本文通過對不同頂推力的比選，考察成橋階段恒載產(chǎn)生的墩底彎矩、墩頂彎矩、墩頂位移及主梁跨中位移，以期得到效果最佳的頂推力結(jié)果。根據(jù)表6可知：

(1)隨著頂推力增大，5號墩墩底彎矩和6號墩墩底、墩頂彎矩逐漸變小，且變化幅度較為明顯，5號墩墩頂彎矩逐漸增大，但變化幅度不大。綜上，適當(dāng)增大頂推力，有利于改善橋墩受力。

(2)隨著頂推力增大，5號墩墩頂位移逐漸變大，6號墩墩頂位移逐漸減小，在頂推力4 000 kN時，兩墩的墩頂位移相對最小。

(3)隨著頂推力增大，兩墩主梁跨中位移錯臺逐漸加大。

綜合考慮以上因素，本橋設(shè)計頂推力采用4 000 kN，改善了后期墩身的受力及線形，優(yōu)化效果較明顯。

表6 合龍頂推力對比

3.5 施工階段最大懸臂狀態(tài)分析

施工過程中對剛構(gòu)合龍前的T構(gòu)狀態(tài)最大懸臂階段的墩身進(jìn)行檢算，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)自重、施工掛籃、墩梁風(fēng)荷載、施工人員、施工器械、養(yǎng)護(hù)水箱等荷載及掛籃跌落等影響[13]。最大懸臂施工階段為最不利抗風(fēng)狀態(tài)[14]，設(shè)計中風(fēng)荷載考慮風(fēng)振作用，風(fēng)振系數(shù)取1.5。

經(jīng)檢算，最大懸臂狀態(tài)下主墩安全性滿足結(jié)構(gòu)受力要求，結(jié)果見表7。

表7 最大懸臂狀態(tài)檢算

4 采用方案設(shè)計介紹

通過以上分析研究及比選優(yōu)化，確定施工圖采用方案，設(shè)計介紹如下。

4.1 主梁結(jié)構(gòu)

主梁采用C55混凝土，封端采用C55無收縮混凝土。截面為單箱雙室、直腹板、變高、變截面結(jié)構(gòu)，箱梁頂寬22.8 m，底寬16.8 m。箱梁中支點梁高為9.2 m，跨中梁高4.8 m。頂板厚0.45 m，腹板厚度由0.5 m跨中漸變至1.3 m。底板厚按二次拋物線由0.45 m變至墩梁固結(jié)處1.05 m。全橋除在梁端截面、墩梁固結(jié)處設(shè)置橫隔板外，跨中及中支點左右35 m位置添加1道橫隔板。箱梁橫截面見圖9。

圖9 半支點-半跨中箱梁橫斷面(單位：cm)

4.2 下部結(jié)構(gòu)

5號墩為墩身高85 m的矩形空心墩，6號墩為墩身高32 m的雙薄壁墩。5號墩縱向?qū)挾扰c主梁直線段相同，采用9 m，壁厚1.5 m；橫向?qū)挾扰c主梁梁底寬度相同，采用16.8 m，橫向隔板位置與腹板對應(yīng)，隔板厚和壁厚均為1.5 m。橫縱向墩身均為直坡。為了便于施工和養(yǎng)護(hù)維修，在墩頂梁底板上設(shè)置進(jìn)人洞[15]。

6號墩壁厚2.0 m，雙壁凈距5.0 m，無系梁，橫縱向墩身均為直坡。

基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑2.0 m。其中，5號墩的樁基布置為5(縱向)×7(橫向)根，6號墩的樁基布置為5(縱向)×6(橫向)根。

4.3 梁體預(yù)應(yīng)力體系

梁體按縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計。除底板束B1、B2采用17-7φ5 mm鋼絞線外，其余縱向預(yù)應(yīng)力筋均采用19-7φ5 mm鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa。頂板設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力筋，采用5-7φ5 mm鋼絞線。腹板內(nèi)設(shè)豎向預(yù)應(yīng)力筋，采用φ32 mm高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值830 MPa，50，83 cm厚腹板內(nèi)單排布置，130 cm厚腹板內(nèi)雙排布置。為減少大跨梁徐變引起的變形影響，要求縱向鋼束在混凝土強(qiáng)度及彈性模量達(dá)到設(shè)計值的100%后方可張拉，且要保證張拉時混凝土齡期不少于7d。

4.4 支座

梁端橫向設(shè)置3個噸位為15 000 kN的球形鋼支座。

4.5 施工方法

梁部采用掛籃分段懸臂澆筑施工[16]，本橋?qū)儆诟叨沾罂缃Y(jié)構(gòu)，施工中應(yīng)盡早脫離T構(gòu)結(jié)構(gòu)懸臂狀態(tài)。如果先合龍邊跨，則需要在邊墩墩頂架設(shè)托架或滿堂支架現(xiàn)澆施工邊跨直線段。本橋邊跨直線段長達(dá)14.75 m(不含合龍段長度)，4號邊墩高達(dá)44 m，且縱向坡度較大，無論是墩頂架設(shè)托架還是滿堂支架，施工均較難困難。因此，本橋施工合龍順序為先中跨后邊跨，即：合龍中跨→懸澆邊跨不平衡段→合龍邊跨。

5 結(jié)語

重載鐵路由于其自身選線特點，高墩、大跨是重載鐵路不可避免的橋梁結(jié)構(gòu)形式[17]，安家山河大橋(80+130+80) m四線連續(xù)剛構(gòu)橋高達(dá)94 m，作為興保重載鐵路的重點控制性工程，也是國內(nèi)第一座重載鐵路四線剛構(gòu)橋，于2015年3月順利合龍，并于2017年7月正式運(yùn)營通車。該橋結(jié)構(gòu)安全可靠、具有良好的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，施工技術(shù)成熟且后期養(yǎng)護(hù)及工程造價較經(jīng)濟(jì)，在山區(qū)鐵路中具有顯著的優(yōu)勢。通過對主梁尺寸及墩型比選、中跨合龍頂推力、墩梁結(jié)合部位分析、施工階段最大懸臂狀態(tài)分析等幾方面開展設(shè)計研究。通過分析，解決上述關(guān)鍵技術(shù)問題，同時為今后國內(nèi)重載鐵路的高墩、多線大跨橋梁設(shè)計提供參考，也為山區(qū)鐵路選線提供了較大的選擇空間。