殷國飛

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

1 工程概況

神瓦鐵路馮家川車站大橋位于安家山河河谷區(qū)及黃土梁峁區(qū)。河谷區(qū)地面高程790～796 m，相對高差約6 m，地勢相對平坦；梁峁區(qū)地面高程795～895 m，相對高差達(dá)100 m，地勢起伏較大，兩側(cè)岸坡較陡，坡度40°～50°，坡面植被發(fā)育。橋址區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填筑土、洪積層，上更新統(tǒng)風(fēng)積層及三疊系中統(tǒng)砂巖夾砂質(zhì)泥巖，地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)值為0.05g（相當(dāng)于地震基本烈度Ⅵ度），基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.45 s［1］。

2 橋式方案選擇

馮家川車站大橋?yàn)榭缭桨布疑胶雍庸榷O(shè)立，安家山河河底較寬，順橋向兩側(cè)邊坡較陡，一側(cè)半坡有一小平臺(tái)，在河谷區(qū)靠近陡坎側(cè)、小平臺(tái)處布設(shè)橋墩。對（65+100+65）m 連續(xù)梁和（65+100+65）m 連續(xù)剛構(gòu)進(jìn)行方案比選。

連續(xù)梁受力簡單明確［2］，一般采用懸灌施工，技術(shù)成熟，造價(jià)較低，缺點(diǎn)是合攏時(shí)存在體系轉(zhuǎn)換。連續(xù)剛構(gòu)的特點(diǎn)是墩梁固結(jié)，可以減少大型橋梁支座及養(yǎng)護(hù)上的麻煩，且具有較好的抗震性能。為保證連續(xù)剛構(gòu)受力的合理性，剛構(gòu)墩剛度不能相差太大，但本橋主墩墩高相差30 m，剛度要求不易滿足，且本橋位于低烈度地震區(qū)，失去了連續(xù)剛構(gòu)抗震性能好的優(yōu)勢，故推薦采用連續(xù)梁方案。

橋址處線間距為5.5 m+5.5 m+5.5 m，可采用4線整體式連續(xù)箱梁，或2線分離式連續(xù)箱梁并置。2種方案工程量相差不大，但分離式箱梁采用懸灌施工時(shí)會(huì)存在掛籃相互干擾的問題，且整體穩(wěn)定性、抗扭性能均不如整體式箱梁，故推薦采用4 線整體式連續(xù)箱梁［3］。

綜上所述，主橋孔跨布置為4 線（65+100+65）m 整體式連續(xù)梁，立面布置如圖1所示。

圖1 主橋立面布置示意（單位：cm）

神瓦鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：國鐵Ⅰ級，有砟軌道；設(shè)計(jì)速度v≤120 km/h；設(shè)計(jì)活載為ZH活載，ZH=1.2。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

3.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馮家川車站大橋主梁全長231.5 m，計(jì)算跨度為（65.75+100+65.75）m，邊支點(diǎn)距離梁端0.75 m。截面形式采用單箱三室變高度的箱形截面［4］，中支點(diǎn)處梁高7.5 m，邊支點(diǎn)及現(xiàn)澆段梁高4.5 m，梁底曲線為二次拋物線。箱梁頂寬23.9 m，底寬18.0 m，兩側(cè)懸臂長度為2.95 m。箱梁腹板厚度為50～90 cm，底板厚50～90 cm，頂板厚40 cm。

箱梁中支點(diǎn)及邊支點(diǎn)處設(shè)置橫隔墻，中支點(diǎn)處橫隔墻厚300 cm，其中設(shè)置高200 cm、寬160 cm 的進(jìn)人洞；邊支點(diǎn)處橫隔墻厚160 cm，其中設(shè)置高180 cm、寬160 cm的進(jìn)人洞。

主梁采用C50混凝土，全橋共分為53個(gè)梁段，0號(hào)段長12 m，一般梁段長3.5，4.0 m，合攏段長度2.0 m，邊跨直線段長度10.75 m。主梁施工以T 構(gòu)為中心，兩側(cè)對稱懸臂澆筑1～11 號(hào)梁段后，合攏中跨，待超打12 號(hào)梁段，現(xiàn)澆14 號(hào)梁段后，合攏邊跨。梁體構(gòu)造及梁段劃分如圖2 所示，主梁中支點(diǎn)及邊支點(diǎn)橫截面如圖3所示。

圖2 主梁構(gòu)造及梁段劃分示意（單位：cm）

圖3 主梁中支點(diǎn)、邊支點(diǎn)橫截面示意（單位：cm）

箱梁按照縱向、橫向、豎向三向預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計(jì)［5］，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，其中頂板T 束、邊跨底板束BD 束采用17φ15.2 mm 鋼絞線，內(nèi)徑均采用φ110 mm 金屬波紋管成孔；其余鋼束采用15φ15.2 mm 鋼絞線，內(nèi)徑均采用φ100 mm 金屬波紋管成孔，對應(yīng)相應(yīng)規(guī)格的錨具錨固。箱梁豎向預(yù)應(yīng)力筋采用φ16-2緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒，箱梁每道腹板根據(jù)計(jì)算要求設(shè)置2 根豎向預(yù)應(yīng)力鋼棒，順橋向間距50 cm左右。

3.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馮家川車站大橋最大墩高85 m，在連續(xù)梁橋當(dāng)中比較少見。采用帶縱隔板的矩形空心截面［6］，墩頂橫向18.0 m，縱向7.0 m，頂帽厚4.0 m，最小壁厚1.1 m?？v向墩頂以下4.0 m 處放坡，外坡35∶1，內(nèi)坡75∶1，橫向不放坡?？紤]固端干擾力的影響，墩底設(shè)5.0 m 實(shí)體段，空實(shí)交界處采用1.2 m×6.0 m 倒角。主墩構(gòu)造及截面形式如圖4所示。

基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)，按照柱樁進(jìn)行設(shè)計(jì)。主墩分別采用30 根2.0 m 鉆孔灌注樁、25 根2.0 m 鉆孔灌注樁，活動(dòng)墩采用20根1.5 m鉆孔灌注樁。

圖4 主墩構(gòu)造及截面示意（單位：cm）

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1.1 箱梁截面形式

采用直腹板箱形截面，邊支點(diǎn)梁高4.5 m，中支點(diǎn)梁高7.5 m。對比單箱雙室、單箱三室箱形截面（圖5）運(yùn)營階段的正應(yīng)力、主應(yīng)力、剪應(yīng)力、安全系數(shù)發(fā)現(xiàn)，斜截面抗裂成為控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。對1 號(hào)～4 號(hào)梁段腹板配置雙排豎向預(yù)應(yīng)力筋，其余梁段配置單排豎向預(yù)應(yīng)力筋。主梁縱向主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1。

圖5 箱梁截面示意（單位：cm）

表1 主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表1可知：若采用單箱雙室截面，腹板最厚采用1.3 m 尚且不能滿足主拉應(yīng)力的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)一般的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，腹板厚不宜超過1.2 m，故推薦選用單箱三室截面。

4.1.2 箱梁縱向計(jì)算

1）計(jì)算模型簡述

梁部縱向靜力計(jì)算［7］采用平面桿系有限元軟件BSAS，根據(jù)施工步驟及體系轉(zhuǎn)換建立模型，將整個(gè)結(jié)構(gòu)離散成50個(gè)施工階段，對施工階段及運(yùn)營階段的混凝土應(yīng)力、結(jié)構(gòu)安全系數(shù)等進(jìn)行檢算。計(jì)算荷載包括自重、二期恒載、收縮徐變、不均勻沉降、活載、溫度力等。

2）主要計(jì)算結(jié)果

①整體剛度控制

豎向靜活載作用下，邊跨位移13.2 mm，為計(jì)算跨度的1/4 981；中跨位移31.5 mm，為計(jì)算跨度的1/3 174，均滿足TB 10625—2017《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》和TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求（位移小于等于計(jì)算跨度的1/700）。

②截面應(yīng)力及強(qiáng)度安全系數(shù)

運(yùn)營階段截面應(yīng)力及安全系數(shù)（表2），滿足TB 10092—2017的要求。

表2 主梁結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算結(jié)果

4.1.3 箱梁橫向計(jì)算

箱梁的橫向計(jì)算采用環(huán)框計(jì)算法。沿主梁縱向截取1 m 的梁段，采用有限元軟件MIDAS/Civil 建立梁單元模型，在每個(gè)腹板底中心模擬一般支撐，計(jì)算荷載包括自重、二期恒載、活載、溫度力等。根據(jù)計(jì)算結(jié)果配置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，采用4φ15.2 mm 鋼絞線，順橋向鋼束間距50 cm 左右，采用單端張拉，張拉與錨固端交錯(cuò)布置。

4.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1 墩頂彈性水平位移

為保證運(yùn)營時(shí)線路穩(wěn)定，橋墩需要足夠的水平剛度。由于橋墩墩頂橫向18.0 m、縱向7.0 m，橫向尺寸較大，僅分析縱向剛度。以墩高85 m 的主墩為例，采用中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)Bri-ADS，計(jì)算壁厚0.8～1.2 m的墩頂彈性水平位移，結(jié)果見表3。

表3 墩頂彈性水平位移

由表3 可知，壁厚大于1.0 m 時(shí)墩頂彈性水平位移才能滿足TB 10092—2017的要求。

4.2.2 穩(wěn)定性分析

研究空心墩的局部穩(wěn)定［8-9］，主要是為了確定墩身最小壁厚和是否需要設(shè)置縱橫隔板的問題。采用有限元軟件MIDAS/FEA 對主墩不同壁厚的方案建立模型，進(jìn)行屈曲穩(wěn)定分析。墩身混凝土采用實(shí)體單元模擬，不考慮鋼筋的作用，墩底固結(jié)，墩頂自由。上部的荷載作用于墊石，墩身所承受的風(fēng)荷載通過面荷載施加，模型如圖6 所示。將自重、二期恒載作為定量，活載、風(fēng)荷載、縱向荷載作為變量進(jìn)行屈曲分析。不同壁厚橋墩的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)見表4。

圖6 屈曲分析模型

表4 橋墩的一階彈性穩(wěn)定系數(shù)

線彈性屈曲穩(wěn)定分析過高地估計(jì)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載能力，材料非線性、幾何非線性對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果有很大的影響，線彈性屈曲穩(wěn)定分析的計(jì)算結(jié)果約是考慮非線性結(jié)構(gòu)屈曲穩(wěn)定承載力的6倍。對一般橋梁，安全系數(shù)要求大于4～5，考慮非線性的影響，馮家川車站大橋橋墩彈性穩(wěn)定系數(shù)的容許值取為30。

由表3、表4 可知：采用最小壁厚1.1 m 的帶縱隔板的矩形空心截面，可同時(shí)滿足墩頂彈性水平位移及橋墩穩(wěn)定性的要求。

4.2.3 墩身截面應(yīng)力

利用有限元軟件MIDAS/FEA 對空心墩進(jìn)行溫度應(yīng)力分析［10］，考慮寒潮溫差及日照溫差作用，計(jì)算出墩身內(nèi)外壁的豎向應(yīng)力及環(huán)向應(yīng)力，積分得到單寬內(nèi)力，與外荷載組合，計(jì)算豎向配筋。墩身環(huán)向配筋完全由溫度應(yīng)力控制，受固端干擾力的影響，墩身上部及下部一定范圍內(nèi)須加強(qiáng)。

考慮各種荷載工況的不利作用，對墩身截面應(yīng)力進(jìn)行檢算，墩頂截面配筋采用φ28 mm@10 cm 單肢布置，墩底截面縱向配筋采用φ28 mm@10 cm單肢布置，墩底截面橫向尺寸隨著墩身放坡變大，墩底20 m 范圍采用φ28 mm 雙肢布置。墩頂35 m、墩底20 m 范圍內(nèi)環(huán)向箍筋采用φ16 mm@10 cm，墩身范圍內(nèi)采用φ16 mm@15 cm。經(jīng)檢算，墩身各截面混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力及裂縫寬度均滿足TB 10092—2017的要求。

5 結(jié)語

1）箱梁頂寬尺寸較大，在相同的梁高條件下，主應(yīng)力成為影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。與單箱雙室截面相比，單箱三室截面能更好地控制主拉應(yīng)力，滿足斜截面抗裂設(shè)計(jì)的要求。

2）多線橋梁寬較大，可采用矩形帶縱隔板的空心墩?？v隔板的設(shè)置可以更好地提高高墩的剛度及局部穩(wěn)定性。

山區(qū)重載鐵路中，高墩、大跨多線橋是不可避免的結(jié)構(gòu)形式，本橋的設(shè)計(jì)方法和思路對類似的工程具有一定的借鑒意義。