鄢玉勝,張鵬舉,曹增華

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

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市間通勤問題日益突出，城際鐵路的建設(shè)迎來了發(fā)展的春天。長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋因其整體性好、剛度大、變形和緩、伸縮縫少、行車舒適等優(yōu)點(diǎn)，在城際鐵路橋梁工程中得到廣泛運(yùn)用。文獻(xiàn)[1-2]研究了連續(xù)梁施工控制技術(shù)，文獻(xiàn)[3-5]研究了長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋的減隔震設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)[6]研究了大跨連續(xù)梁橋產(chǎn)生的大梁縫的軌道解決方案。本文依托一座10跨無砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，研究臨時(shí)支座解除時(shí)機(jī)、抗震設(shè)計(jì)和大梁縫位置軌道解決方案等關(guān)鍵技術(shù)。

2 項(xiàng)目概況

西安機(jī)場城際鐵路是《關(guān)中城市群城際鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中首條開工建設(shè)的城際鐵路。線路起自西安北站北廣場，折向北沿明光路、大唐電廠熱力管線橋跨越渭河、機(jī)場專用高速公路后轉(zhuǎn)向西，沿北環(huán)鐵路經(jīng)西咸新區(qū)秦漢新城、空港新城核心區(qū)，向北以地下敷設(shè)方式經(jīng)西安咸陽國際機(jī)場規(guī)劃T5航站樓后，繞過機(jī)場跑道東端折向西，沿機(jī)場東進(jìn)場路至終點(diǎn)T1、T2、T3航站樓。線路全長29.31 km，其中高架線長17.92 km。渭河特大橋?yàn)樵擁?xiàng)目第一長橋，全長7 331.7 m。主要特殊結(jié)構(gòu)含1-105 m鋼管混凝土系桿拱橋、1聯(lián)2×38.5 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、1聯(lián)4×50 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、1聯(lián)(50+8×100+50) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁及1聯(lián)(60+111+94+100+60) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁等結(jié)構(gòu)形式。其中長聯(lián)大跨橋梁長度分別為900 m和425 m，長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋立面布置見圖1。

圖1 長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋立面布置(單位：m)

3 項(xiàng)目主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)參數(shù)

線路：雙線，線間距4.2 m。

軌道：無砟軌道，區(qū)間鋪設(shè)無縫線路。

主橋直曲線：直線及R=800 m曲線。

地震烈度：8度(0.2g)，地震動參數(shù)見表1。

表1 地震動參數(shù)

4 臨時(shí)支座設(shè)計(jì)要點(diǎn)和解除時(shí)機(jī)

長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋施工步驟為墩梁固結(jié)后，先掛籃懸臂澆筑，再各跨合龍施工。多跨連續(xù)橋梁的合龍次數(shù)較多，不同合龍順序?qū)蛄鹤冃巍?nèi)力以及成橋線形均會造成一定影響。城際鐵路大多采用無砟軌道，鋪設(shè)軌道板時(shí)高程可調(diào)量較小，一般20～30 mm，連續(xù)梁線形將直接影響無砟軌道的施工。因此，研究合龍順序、臨時(shí)支座的設(shè)計(jì)和解除時(shí)機(jī)對保證橋梁成橋狀態(tài)和施工安全具有重要意義[7-8]。

關(guān)于連續(xù)梁合龍順序問題，以往的研究成果較多，且比較全面。在只計(jì)入自重和收縮徐變的情況下，先進(jìn)行靜定合龍?jiān)龠M(jìn)行超靜定合龍的方式，施工難度低，且后期徐變引起的豎向變形較小，容易控制[9-11]。本橋設(shè)計(jì)借鑒以往研究成果，最終采用先合龍第1孔和10孔，次合龍第3，5，6，8孔，再合龍第4孔和7孔，最后合龍第2孔和9孔的體系轉(zhuǎn)換順序，保證了成橋應(yīng)力和線形滿足設(shè)計(jì)要求。

本文重點(diǎn)對墩頂臨時(shí)支座的設(shè)計(jì)和解除時(shí)機(jī)進(jìn)行研究。

4.1 臨時(shí)支座設(shè)計(jì)要點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋臨時(shí)支座既要能在永久支座不受力的情況下支撐梁體壓力及施工中的不平衡彎矩，又要能在恒載產(chǎn)生的較大壓力作用下易拆除[12]。墩梁固結(jié)通常做法是在臨時(shí)支座上下方加設(shè)5 cm厚電熱絲硫磺砂漿夾層用于臨時(shí)支座拆除時(shí)通電熔斷。根據(jù)以往實(shí)施情況，硫磺砂漿與墩身、梁體連接，墩身和梁體與硫磺砂漿形成導(dǎo)熱體，散熱量極大，電熱絲加熱很難達(dá)到硫磺砂漿熔斷程度，臨時(shí)支座依然需要機(jī)械鑿除。本橋直接采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)將橋墩和梁部剛性連接方案。

臨時(shí)支座采用C50混凝土，錨固鋼筋采用φ32 mm、標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度930 MPa的精軋螺紋鋼筋。20～28號橋墩頂上設(shè)4個(gè)臨時(shí)支座，臨時(shí)支座中心距離橋墩中心線的距離：橫橋向?yàn)?62.5 cm，順橋向?yàn)?22.5 cm。臨時(shí)支座反力示意見圖2。

圖2 臨時(shí)支座反力示意(單位：cm)

4.1.1 一般狀態(tài)

最大懸臂狀態(tài)不平衡彎矩計(jì)算荷載工況如下。

(1)T構(gòu)兩側(cè)混凝土考慮5%不平衡重(一側(cè)1.05)。

(2)兩側(cè)掛籃不平衡重，一側(cè)為1.2倍，另一側(cè)為0.8倍(動力)。

(3)混凝土不平衡澆筑按200 kN計(jì)算。

(4)橫向風(fēng)繞過箱梁時(shí)產(chǎn)生的豎向基本風(fēng)壓取0.75P0，考慮風(fēng)壓高度及體系系數(shù)后P0取600 Pa。

組合Ⅰ：(1)+(2)+(3)；組合Ⅱ：(1)+(2)+(4)

該工況下，混凝土和鋼筋應(yīng)力按照施工階段材料的容許應(yīng)力控制。

4.1.2 極限狀態(tài)

文獻(xiàn)[13]分析了某高速公路連續(xù)梁橋懸臂澆筑施工中的傾覆情況，國內(nèi)也出現(xiàn)過類似事故。鑒于臨時(shí)支座失效造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響往往較大，建議在臨時(shí)支座設(shè)計(jì)中除滿足一般狀態(tài)檢算安全的前提下，對可能出現(xiàn)的極限狀態(tài)也予以適當(dāng)考慮。

建議考慮的極限工況為：T構(gòu)兩側(cè)混凝土考慮5%不平衡重(一側(cè)1.05)+一側(cè)掛籃和正在澆筑的混凝土梁段同時(shí)墜落。由于該工況出現(xiàn)概率極低，設(shè)計(jì)時(shí)混凝土和鋼筋的應(yīng)力可按材料極限應(yīng)力進(jìn)行控制。

本橋根據(jù)一般狀態(tài)和極限狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果，每個(gè)臨時(shí)支座設(shè)置39根φ32 mm精軋螺紋鋼筋，錨固長度≮250 cm。橋墩頂面及臨時(shí)支座頂面涂抹隔離劑(或采用油氈布或其他隔離材料)以便隔離，臨時(shí)支座與支承墊石的接觸面也必須物理隔離。

4.2 臨時(shí)支座解除時(shí)機(jī)

臨時(shí)支座隨著橋梁合龍逐步解除，以往同類橋梁的設(shè)計(jì)文件中對拆除時(shí)機(jī)的描述大都比較模糊，但該部分的設(shè)計(jì)對橋梁施工安全和合龍后的線形至關(guān)重要。合龍施工過程中，若臨時(shí)支座拆除過早，依靠勁性骨架和頂?shù)装迮R時(shí)束形成的鎖定結(jié)構(gòu)剛度偏弱，施工有一定的風(fēng)險(xiǎn)，體系轉(zhuǎn)換的過早完成易影響成橋線形；臨時(shí)支座拆除過晚，合龍束張拉過多再加上環(huán)境溫度的影響，易造成臨時(shí)支座開裂。所以既要保證臨時(shí)支座解除后結(jié)構(gòu)安全，也要保證成橋線形是臨時(shí)支座解除時(shí)機(jī)的原則。

本橋主橋(50+8×100+50) m設(shè)計(jì)中，對臨時(shí)支座的解除時(shí)機(jī)給出了明確的時(shí)間和步驟?？缰泻淆埵鴻M斷面布置見圖3。

圖3 跨中合龍束橫斷面布置(單位：cm)

本橋設(shè)計(jì)中對臨時(shí)支座解除時(shí)機(jī)進(jìn)行了明確的規(guī)定，步驟如下。

(1)安裝合龍段臨時(shí)鋼支撐，在一天中溫度適中時(shí)完成焊接鎖定，張拉2束頂板合龍束(ZC)、2束底板合龍束D9(長束)，每束張拉力≯500 kN，完成合龍口的臨時(shí)鎖定。

(2)合龍段混凝土選擇在一天氣溫最低時(shí)間進(jìn)行快速、連續(xù)澆筑，邊澆筑邊調(diào)整合龍段兩側(cè)水箱配重。

(3)待合龍段混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到100%且齡期不少于10 d后，張拉剩余頂板束(2束ZC)及2束底板合龍束D7(長束)至設(shè)計(jì)張拉力；張拉先前張拉的頂板束(ZC)和底板束(D9)至設(shè)計(jì)張拉值，張拉過程中注意觀察合龍跨兩側(cè)的臨時(shí)支座，保證臨時(shí)支座不被拉裂。

(4)在底板合龍束4束、頂板合龍束4束張拉完成后解除合龍口一側(cè)的臨時(shí)支座。

通過本橋的合龍施工和成橋線形表明：臨時(shí)支座解除時(shí)間不宜過早，設(shè)計(jì)文件應(yīng)對其解除時(shí)機(jī)予以詳細(xì)說明，以保證施工安全和成橋線形與設(shè)計(jì)相符。

5 抗震設(shè)計(jì)方法比選

長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋由于其聯(lián)長較長，帶來的結(jié)果就是梁部質(zhì)量較大，地震效應(yīng)明顯[14]。本橋?yàn)榭缭轿己雍硬鄱O(shè)，承擔(dān)著較大的交通客流。同時(shí)，渭河常年流水，橋梁出現(xiàn)震害后修復(fù)難度極大。鑒于本橋的特殊性和重要性，結(jié)合GB50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2009年版)和GB50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求，本橋除滿足常規(guī)抗震要求外，也要保證主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震效應(yīng)下基本處于彈性狀態(tài)。

針對罕遇地震下的長聯(lián)大跨橋梁的抗震設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[15]對超長聯(lián)大跨連續(xù)梁減隔震開展分析研究；文獻(xiàn)[16]對摩擦擺式減隔震支座、減震型盆式橡膠支座和黏滯阻尼器3種減隔震裝置，分別對橋梁的減隔震設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[17]對設(shè)摩擦擺支座和減震球型支座2種隔震體系，得出結(jié)論隔震體系與抗震體系相比受力更為合理；文獻(xiàn)[18]研究采用摩擦擺減隔震支座和黏滯阻尼器相結(jié)合的減隔震措施，分析了城際鐵路大跨度連續(xù)梁橋在高烈度區(qū)的減隔震性能；上述文獻(xiàn)均從大跨連續(xù)梁減隔震設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了研究，未對抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行比選。

本文依托渭河特大橋主橋開展了基于強(qiáng)度、速度鎖定器、摩擦擺支座+黏滯阻尼器共3種抗震設(shè)計(jì)方法的比選工作，以尋求適合本橋的最佳抗震設(shè)計(jì)方法。

5.1 基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計(jì)方法

基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計(jì)方法要求地震效應(yīng)由固定墩承受。

本橋在設(shè)計(jì)地震效應(yīng)下內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 基于強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)地震效應(yīng)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

固定墩在設(shè)計(jì)地震效應(yīng)下支座剪力為49 595 kN。根據(jù)GB50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2009年版)規(guī)定，設(shè)計(jì)地震效應(yīng)下需檢算支座的連接強(qiáng)度；延性設(shè)計(jì)的橋墩，支座應(yīng)按罕遇地震進(jìn)行驗(yàn)算。連續(xù)梁主墩支座噸位25 000 kN，要求支座縱向抗剪能力不低于24 800 kN，支座設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，大跨長聯(lián)連續(xù)梁地震效應(yīng)由固定主墩單獨(dú)承受，活動主墩不參與地震效應(yīng)的分擔(dān)，設(shè)計(jì)不合理，不推薦該設(shè)計(jì)方案。

5.2 采用速度鎖定器抗震設(shè)計(jì)

筆者研究在固定墩兩側(cè)的活動主墩上施加速度鎖定裝置(LUD)的抗震設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)地震效應(yīng)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3表明：設(shè)計(jì)地震效應(yīng)下，墩頂最大剪力為27 738 kN，固定支座剪力過大；同時(shí)，速度鎖定裝置縱向力為18 994 kN，過大，生產(chǎn)及安裝都極其困難。通過設(shè)置鎖定裝置，使活動支座在地震作用下發(fā)揮固定支座作用，共同承受地震力的方式使得全橋縱向剛度增大，縱向地震力效應(yīng)增大，分配到固定墩和鎖定墩上的地震效應(yīng)雖然較為平均，但鎖定裝置和支座的設(shè)計(jì)困難，且需要對橋墩進(jìn)行延性設(shè)計(jì)，考慮到河槽內(nèi)震后修復(fù)困難，不推薦該設(shè)計(jì)方案。

表3 速度鎖定器方案設(shè)計(jì)地震效應(yīng)內(nèi)力結(jié)果

5.3 摩擦擺支座+黏滯阻尼器組合抗震設(shè)計(jì)

該方法利用摩擦擺支座延長結(jié)構(gòu)周期，避開罕遇地震效應(yīng)密集區(qū)；利用墩梁間黏滯阻尼器控制墩梁的相對位移。摩擦擺支座隔震和黏滯阻尼器減震，使墩梁相對位移在罕遇地震效應(yīng)下控制在設(shè)計(jì)可接受之內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

為同時(shí)控制罕遇地震效應(yīng)下橋梁縱橫向的墩梁相對位移，阻尼器在水平面上與縱橋向成45°布置，阻尼器平面示意見圖4。

圖4 阻尼器平面示意(單位：cm)

縱向罕遇地震作用下，主墩墩身計(jì)算結(jié)構(gòu)見表4，墩梁相對位移結(jié)果見圖5。

圖5 縱向罕遇地震墩梁相對位移結(jié)果

表4和圖5表明：采用摩擦擺減隔震支座+黏滯阻尼器的減隔震措施，摩擦擺支座隔振效果明顯，黏滯阻尼器對減小墩梁相對位移效果顯著，橋墩設(shè)計(jì)比較合理。罕遇地震作用下，橋墩和梁部的相對位移在30 cm左右，對支座位移和黏滯阻尼器行程的選擇較為有利。

表4 縱向罕遇地震主墩墩身計(jì)算結(jié)果

5.4 本橋采用的抗震設(shè)計(jì)方法

考慮到兩聯(lián)連續(xù)梁橋址處地震烈度高，連續(xù)梁聯(lián)長、橋墩矮、跨度大和震后修復(fù)施工難度，經(jīng)過計(jì)算比較，設(shè)計(jì)采用摩擦擺減隔震支座+阻尼器的組合抗震設(shè)計(jì)。橋墩、樁基在罕遇地震效應(yīng)下處于彈性狀態(tài)，大大減小了震后橋梁結(jié)構(gòu)修復(fù)難度，技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

6 大梁縫軌道解決方案

橋梁減隔震設(shè)計(jì)越來越多被應(yīng)用在各項(xiàng)目建設(shè)中，帶來的必然結(jié)果就是大梁縫的增多。大梁縫位置軌道解決方案也就成為需要重點(diǎn)考慮的方面。

6.1 大梁縫設(shè)置情況

如圖1所示，(50+8×100+50) m連續(xù)梁小里程側(cè)接1聯(lián)(4×50) m連續(xù)梁，大里程側(cè)接1聯(lián)(60+111+94+100+60) m連續(xù)梁。(60+111+94+100+60) m連續(xù)梁后三跨位于R=800 m曲線上，無法設(shè)置軌道溫度調(diào)節(jié)器，所以固定墩設(shè)置在第二個(gè)主墩上以保證溫度聯(lián)長不超過160 m。這樣兩聯(lián)連續(xù)梁的連接橋墩位置溫度聯(lián)長達(dá)到(450+60+111+94) m=715 m。小里程側(cè)接4×50 m連續(xù)梁溫度聯(lián)長達(dá)到550 m。

為保證相鄰連續(xù)梁橋在罕遇地震效應(yīng)下梁體不發(fā)生碰撞，(50+8×100+50) m連續(xù)梁接4×50 m連續(xù)梁側(cè)梁縫按40 cm設(shè)置；(50+8×100+50) m連續(xù)梁接(60+111+94+100+60) m連續(xù)梁側(cè)梁縫按60 cm設(shè)置。

6.2 軌道解決方案

(1)梁縫(400±170) mm軌道解決方案

道床懸出梁端需根據(jù)無砟軌道施工時(shí)機(jī)確定橋梁剩余的收縮、徐變位移量，進(jìn)而確定懸出量。必須保證溫度升高時(shí)，伸縮縫不頂嚴(yán)(瞎縫)；溫度下降時(shí)，軌枕間距滿足設(shè)計(jì)要求，適用于支承間距超限較小的情況，哈大、武廣高鐵均有應(yīng)用[18-20]。

梁縫(400±170) mm處采用短枕式道床結(jié)構(gòu)，道床懸出橋梁85 mm，保證夏季環(huán)境氣溫最高時(shí)，道床不被頂死。

(2)梁縫(600±230) mm軌道解決方案

梁縫(600±230) mm處采用兩根鋼縱梁結(jié)構(gòu)抬枕裝置。伸縮量為(600+300) mm(設(shè)備設(shè)計(jì)最大伸開量)工況200萬次疲勞試驗(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)力測試結(jié)果均小于材料的屈服強(qiáng)度，各部件動態(tài)變形指標(biāo)均滿足安全性要求。

7 結(jié)語

長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋的臨時(shí)支座解除時(shí)機(jī)、抗震設(shè)計(jì)方法的選擇和大梁縫軌道解決方案對成橋性能至關(guān)重要。本文依托西安機(jī)場城際鐵路渭河特大橋的設(shè)計(jì)，通過分析研究，順利解決了上述難題，結(jié)論如下。

(1)臨時(shí)支座的設(shè)計(jì)及其解除時(shí)機(jī)對保證施工安全和成橋線形至關(guān)重要。

(2)合適的抗震設(shè)計(jì)方法對解決高烈度地震區(qū)長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)起到?jīng)Q定性的作用。

(3)采用科學(xué)、合理的軌道方案能順利解決大跨連續(xù)梁帶來的大梁縫難題。

西安機(jī)場城際鐵路是陜西省首條城際鐵路，也是國內(nèi)第一條全線橋梁均采用減隔震設(shè)計(jì)的城際鐵路，本橋的順利建成為城際鐵路中長聯(lián)大跨連續(xù)梁橋的建設(shè)積累了一定的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。