鄢玉勝

（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

渭河特大橋處于西安機(jī)場(chǎng)城際鐵路渭河南站至秦宮站區(qū)間段內(nèi)，位于西安市未央?yún)^(qū)北側(cè)、機(jī)場(chǎng)專用高速公路渭河特大橋東側(cè)，為跨渭河河堤、渭河及蘭池大道、光伏三路、蘭池二路、機(jī)場(chǎng)專用高速公路等市政道路而設(shè)，是西安機(jī)場(chǎng)城際鐵路控制性工程。橋址位于國(guó)家級(jí)新區(qū)西咸新區(qū)秦漢新城轄區(qū)渭河生態(tài)保護(hù)區(qū)，是展現(xiàn)陜西省首條城際鐵路形象的窗口。

大橋全長(zhǎng)7 331.7 m，橋址地貌為渭河沖積平原及渭北黃土塬，地勢(shì)開(kāi)闊，地形較平坦。渭河以南的渭河河谷漫灘地帶，地勢(shì)相對(duì)較低；渭河以北（左岸）的渭河河谷漫灘及渭河一級(jí)階地，地勢(shì)相對(duì)較高。地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積的粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中砂、粗砂等。本橋位于8 度區(qū)，峰值加速度0.2g，如表1 所示［1］。其中，Amax為場(chǎng)地峰值加速度；Tg為特征周期；βmax為動(dòng)力放大系數(shù)。

場(chǎng)地地震烈度高，地質(zhì)條件差，特征周期長(zhǎng)，部分段落地層還存在地震液化的情況，液化深度最大至地表以下8.15 m［1］。橋梁設(shè)計(jì)活載為地鐵B2型車，6 輛編組，設(shè)計(jì)速度100 km∕h，雙線無(wú)砟軌道，線間距4.2 m。

表1 地震參數(shù)

2 橋梁孔跨及橋式方案比選

根據(jù)黃河水利委員會(huì)文件《黃河河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)審查標(biāo)準(zhǔn)》及本橋防洪評(píng)價(jià)要求：“主河槽孔跨不小于50 m，灘地孔跨不小于30 m，主河槽孔跨應(yīng)與下游管線橋隔墩對(duì)孔布置”，并考慮下游管線橋孔跨為50 m簡(jiǎn)支梁，橋位處河流治導(dǎo)線寬度約800 m，因此主橋孔跨布置形式為1 孔50 m+8 孔100 m+1 孔50 m。

根據(jù)國(guó)內(nèi)大跨橋梁設(shè)計(jì)和建造經(jīng)驗(yàn)，滿足主橋孔跨布置的結(jié)構(gòu)形式較多，包括拱橋、T構(gòu)、剛構(gòu)連續(xù)梁、連續(xù)梁等。對(duì)上述橋型進(jìn)行主橋橋式方案比選，見(jiàn)表2。

表2 主橋橋式方案比選

通過(guò)綜合對(duì)比結(jié)構(gòu)剛度、施工周期、景觀效果、工程造價(jià)等，設(shè)計(jì)推薦主橋采用1聯(lián)（50+8×100+50）m 連續(xù)梁，設(shè)1個(gè)固定墩，主橋孔跨布置見(jiàn)圖1。

圖1 主橋孔跨布置（單位：cm）

3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（50+8×100+50）m連續(xù)梁梁體采用C50混凝土，箱梁截面采用單箱單室變高度直腹板箱形截面（圖2），中支點(diǎn)位置梁高6.6 m，跨中位置梁高3.2 m，箱梁頂寬10.3 m，底寬5.5 m，懸臂端部厚20 cm，懸臂根部厚65 cm。箱梁腹板厚43～80 cm，底板厚32～70 cm，頂板厚32 cm。頂板設(shè)90 cm × 30 cm 的梗肋，底板設(shè)30 cm×30 cm 的梗肋。中支點(diǎn)設(shè)置厚250 cm 中隔墻，中隔墻設(shè)220 cm×180 cm 的過(guò)人洞；梁端設(shè)厚150 cm橫隔墻，端隔墻設(shè)置150 cm×160 cm的過(guò)人洞。

圖2 箱梁橫斷面（單位：cm）

4 橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

橋墩主墩采用直坡的圓端形實(shí)體墩，根據(jù)防洪評(píng)價(jià)結(jié)論，主河槽范圍內(nèi)局部沖刷最大深度達(dá)到16 m。為保證橋梁下部結(jié)構(gòu)整體具有足夠的縱向剛度，墩高12 m 及以下的橋墩尺寸為3.0 m（縱橋向）×7.0 m（橫橋向）；墩高大于12 m 的橋墩尺寸為3.4 m（縱橋向）×7.0 m（橫橋向）。主墩承臺(tái)均采用矩形承臺(tái)，固定主墩承臺(tái)尺寸為14.60 m×14.60 m×4.5 m，活動(dòng)主墩承臺(tái)尺寸為10.60 m × 14.60 m×4.0 m。固定主墩采用16??1.5 m 鉆孔摩擦樁，樁長(zhǎng)58 m，活動(dòng)主墩采用12??1.5 m鉆孔摩擦樁，樁長(zhǎng)60～67 m［2］。

5 抗震設(shè)計(jì)

采用合適的隔震措施是改善多跨連續(xù)梁橋固定墩承受過(guò)大地震力作用的有效方法［3-4］。該橋位于8度區(qū)，地震烈度高，為長(zhǎng)聯(lián)大跨結(jié)構(gòu)。根據(jù)文獻(xiàn)［1］可知場(chǎng)地在多遇地震、設(shè)計(jì)地震和罕遇地震工況下的特征周期分別為0.53，0.65，0.92 s，橋梁結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)顯著。由于本橋主橋跨越大江大河，且修復(fù)困難，因此要求采用罕遇地震標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)防［5］。

5.1 抗震措施

通過(guò)對(duì)比常用橋梁抗震措施［6-12］的特點(diǎn)，選擇適合該橋的抗震措施。

1）基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)地震作用下，固定支座縱向剪力過(guò)大，支座設(shè)計(jì)困難，若采用基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計(jì)方案，墩身和樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)困難，加大墩身結(jié)構(gòu)尺寸后地震效應(yīng)亦隨之增大，因此不推薦該方案。

2）速度鎖定器方案。在活動(dòng)主墩上設(shè)置速度鎖定器，使活動(dòng)支座在地震作用下發(fā)揮固定支座作用，與固定墩共同承受地震力。此種方式使得全橋縱向剛度增大，分配到固定墩和鎖定墩上的地震效應(yīng)較為平均，但鎖定裝置和支座設(shè)置困難，且需要進(jìn)行延性設(shè)計(jì)?？紤]到河槽內(nèi)震后修復(fù)困難，因此不推薦該方案。

3）摩擦擺減隔震支座方案。當(dāng)?shù)卣鹦?yīng)增大，固定支座限位銷釘被剪斷后，結(jié)構(gòu)縱向周期明顯延長(zhǎng)，可避開(kāi)罕遇地震效應(yīng)密集區(qū)，但墩梁相對(duì)位移較大。本橋試算最大墩梁相對(duì)位移達(dá)到81.7 cm，梁縫設(shè)置困難，因此不推薦該方案。

4）摩擦擺減隔震支座+黏滯阻尼器的組合減隔震方案。通過(guò)摩擦擺支座延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期避開(kāi)了罕遇地震效應(yīng)密集區(qū)，通過(guò)在墩梁之間設(shè)置黏滯阻尼器控制墩梁相對(duì)位移使其在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。采用此方案，橋墩和樁基礎(chǔ)在罕遇地震下仍處于基本彈性狀態(tài)，降低了震后修復(fù)工作難度，經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效益顯著。

5.2 摩擦擺支座和阻尼器參數(shù)

綜合考慮減隔震效果、阻尼器裝置的布置空間，主墩采用的摩擦擺支座下球面半徑為3.5 m，上平面摩擦副摩擦因數(shù)為0.01，下球面摩擦副摩擦因數(shù)為0.03。黏滯阻尼器速度的指數(shù)α取0.3，阻尼器噸位為160 t，每個(gè)主墩設(shè)置4 個(gè)黏滯阻尼器，阻尼系數(shù)C取2 000 kN∕（m·s-1）0.3。為了同時(shí)控制罕遇地震下橋梁縱橫向的墩梁相對(duì)位移，在水平面上阻尼器與縱橋向成45°布置。

5.3 阻尼器行程和平面轉(zhuǎn)角

在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，梁部隨著環(huán)境溫度的升降而伸縮，阻尼器固定在梁底隨梁部縱向運(yùn)動(dòng)，除了要滿足抗震下最大墩梁相對(duì)位移30 cm 外，還要滿足梁體縱向運(yùn)動(dòng)引起的平面轉(zhuǎn)角。

該橋采用的160 t 阻尼器行程中線銷軸中心距為380 cm，以固定墩為中心，溫度聯(lián)長(zhǎng)450 m，極限升降溫時(shí)梁長(zhǎng)變化按照15 cm 保守取值。本文選取罕遇地震下2 個(gè)極限工況來(lái)確定阻尼器的行程：工況1，在極限升溫下（①支座位移最大），梁長(zhǎng)伸長(zhǎng)15 cm 狀態(tài)下發(fā)生罕遇地震，阻尼器須剩余30 cm 的行程方可保證其正常工作；工況2，在極限降溫下（②支座位移最大），梁長(zhǎng)縮短15 cm 狀態(tài)下發(fā)生罕遇地震，阻尼器要有足夠的平面轉(zhuǎn)角能力方可保證其正常工作。阻尼器行程和平面轉(zhuǎn)角示意如圖3。

圖3 阻尼器行程和平面轉(zhuǎn)角示意（單位：cm）

由圖3可知：工況1中阻尼器最大長(zhǎng)度為420.75 cm，行程為40.75 cm，設(shè)計(jì)選用阻尼器額定最大行程為±50.00 cm；工況2中阻尼器在銷軸軸線與阻尼軸線構(gòu)成的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)6.3°，設(shè)計(jì)選用轉(zhuǎn)動(dòng)角度不小于±8°。

5.4 阻尼器布置形式

墩頂阻尼器布置平面見(jiàn)圖4。阻尼器一端錨固于橋墩支撐墊石外側(cè)，一端錨固于箱梁0 號(hào)段底板上。定位時(shí)要特別注意墩頂阻尼器的錨固位置，保證在阻尼器最大平面轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)不會(huì)撞擊支承墊石。阻尼器布置實(shí)景見(jiàn)圖5。

圖4 墩頂阻尼器布置平面（單位：cm）

圖5 阻尼器布置實(shí)景

6 主要計(jì)算結(jié)果

6.1 靜力計(jì)算結(jié)果

采用西南交通大學(xué)編制的橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS 平面有限元程序建立結(jié)構(gòu)的全橋模型進(jìn)行縱向靜力計(jì)算，考慮結(jié)構(gòu)施工過(guò)程、體系轉(zhuǎn)化、結(jié)構(gòu)次內(nèi)力等影響因素，主梁結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3?？芍?，橋梁各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表3 主梁結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算結(jié)果

6.2 抗震計(jì)算結(jié)果

采用MIDAS∕Civil 2015 建立結(jié)構(gòu)的全橋模型，采用摩擦擺隔震裝置和黏彈性消能器模擬支座和阻尼器進(jìn)行非線性地震時(shí)程分析。

根據(jù)地震安全評(píng)估報(bào)告，輸入3 條50 年超越概率2%的水平加速度地震波進(jìn)行罕遇地震的檢算。其中1條罕遇地震縱向時(shí)程波如圖6所示。

圖6 罕遇地震縱向時(shí)程波

罕遇地震作用下黏滯阻尼器輸出力和墩梁縱向相對(duì)位移見(jiàn)圖7。可知，罕遇地震下黏滯阻尼器噸位160 t 滿足抗震要求；采用減隔震支座+黏滯阻尼器組合減隔震措施，罕遇地震下墩梁相對(duì)位移可控制在30 cm以內(nèi)。

圖7 罕遇地震作用下黏滯阻尼器輸出力和墩梁縱向相對(duì)位移

6.3 動(dòng)力仿真分析結(jié)果

由于該橋聯(lián)長(zhǎng)達(dá)到900 m，大里程側(cè)接1 聯(lián)（60 +111 + 94 + 100 + 60）m 連續(xù)梁，因此應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行車橋耦合動(dòng)力仿真分析。當(dāng)B2型車以60～120 km∕h速度通過(guò)2 聯(lián)連續(xù)梁時(shí)，車體的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi)。同時(shí)抬枕裝置的輪重減載率均未超限，且具有一定的安全余量，保證了列車的行車安全。B2型車以60～120 km∕h 速度通過(guò)時(shí)，連續(xù)梁舒適性等級(jí)達(dá)到“優(yōu)”。

7 大梁縫軌道措施

無(wú)縫線路設(shè)計(jì)一般優(yōu)先通過(guò)調(diào)整橋梁固定支座、減小橋梁溫度跨度的方式使各溫度跨度盡量均勻分布，達(dá)到不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器就能使橋梁墩臺(tái)受力不至于過(guò)大的目的［13］?？紤]（60+111+94+100+60）m連續(xù)梁中后3 跨位于曲率半徑為800 m 的曲線上，無(wú)法設(shè)置軌道溫度調(diào)節(jié)器，所以固定墩設(shè)置在第2 個(gè)主墩上以保證溫度聯(lián)長(zhǎng)不超過(guò)160 m。因此，2聯(lián)連續(xù)梁的連接墩位置溫度聯(lián)長(zhǎng)達(dá)到450 + 60 + 111 + 94 =715 m，環(huán)境溫度變化引起的橋梁伸縮量約±230 mm。

為保證相鄰2聯(lián)連續(xù)梁在罕遇地震下梁端不發(fā)生碰撞，連接墩位置梁縫按照最不利（30+30）cm考慮。

連接墩位置梁縫（600±230）mm 處采用2 根鋼縱梁結(jié)構(gòu)抬枕裝置。當(dāng)列車以不大于100 km∕h 的速度通過(guò)抬枕裝置時(shí)，過(guò)跨頻率不會(huì)激起抬枕裝置共振；車輛參數(shù)與車速耦合頻率不會(huì)激起抬枕裝置的共振。

抬枕裝置首制件經(jīng)過(guò)200 kN 最大垂向荷載靜載試驗(yàn)、伸縮量為（600 + 300）mm（設(shè)備設(shè)計(jì)最大伸開(kāi)量）工況200 萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)、伸縮量為（600 + 230）mm（設(shè)計(jì)最大梁縫值）工況300 萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后，抬枕裝置伸縮正常，所有部件均未斷裂且表面均未產(chǎn)生裂紋，各部件應(yīng)力測(cè)試結(jié)果均小于材料的屈服強(qiáng)度，各部件動(dòng)態(tài)變形指標(biāo)均滿足安全性要求。大梁縫位置抬枕裝置試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖8。

圖8 大梁縫位置抬枕裝置試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

8 結(jié)語(yǔ)

西安機(jī)場(chǎng)城際鐵路渭河特大橋主橋在設(shè)計(jì)上采用了一系列關(guān)鍵技術(shù)，順利解決了長(zhǎng)聯(lián)大跨結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)、阻尼器選型及布置、大梁縫位置軌道處理等技術(shù)難題。該橋于2016年6月開(kāi)工，2017年12月全橋合龍。該橋的順利建成為高烈度地震區(qū)長(zhǎng)聯(lián)大跨結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)積累了一定的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，為陜西省首條城際鐵路高質(zhì)量高標(biāo)準(zhǔn)建成通車奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。