北京南站鐵路斜彎剛構連續梁橋設計與研究

孫大斌

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 概況

北京南站改擴建工程涼水河中橋為京滬高速鐵路、京津城際鐵路、京山改線共24股道跨越涼水河而設,位于北京南站西側出口處。鐵路線路跨越涼水河處為半徑R=400 m、R=600 m的曲線,且股道較多；涼水河在此處為彎曲河道,行洪不利；同時北京南站站坪高度又有一定限制,一般梁式結構不能滿足行洪要求。為減小結構高度,有效地降低北京南站站坪高程,為此跨越涼水河采用結構高度較小的四跨斜彎剛構連續梁結構。

涼水河中橋共16座單體橋,占地面積共12 915 m2,其中單線正做剛構連續梁橋1座,單線斜彎剛構橋8座,雙線分離斜彎剛構橋3座,雙線整體斜彎剛構橋3座,三線分離斜彎剛構橋1座。涼水河中橋墩、臺均順水流方向設置,由于河道彎曲,故所有墩臺均不平行；同時涼水河中橋均為異形橋面,從而體現出剛構連續梁有較好的適應性。

橋址范圍內地層為第四系全新統沖積層(Q4al)及第四系上更新沖洪積層(Q3al+pl),表層局部為人工堆積層(Q4ml),主要為：粉土粉砂、細砂、中砂、圓礫土、卵石土。土壤最大凍深為0.8 m。場地類別為Ⅱ類。地震基本烈度為Ⅷ度,地震動峰值加速度為0.2g。橋位地質較好,基礎沉降易控制,為此，涼水河中橋采用剛構連續梁是合理的。圖1為剛構連續梁立面布置圖。

圖1 剛構連續梁立面布置

斜彎剛構連續梁均采用無梁板結構。主梁為現澆鋼筋混凝土板梁,除剛壁墩支點處板厚為1.55 m,其余板厚均為0.95 m。每座單體橋均留2 cm結構縫,懸臂板厚為0.4～0.2 m漸變。剛壁墩采用鋼筋混凝土圓端形剛壁墩,剛壁墩高5.9 m,墩厚0.70 m。橋臺采用一字臺,斜交正做,橋臺長2.5 m,并設有臺后混凝土塊。基礎采用φ1.0 m鉆孔樁基礎,剛壁墩承臺厚2.5 m,橋臺承臺厚2.0 m。由于剛構連續梁對基礎剛度要求高,故涼水河中橋在基礎設計時充分考慮剛構連續梁的整體受力。

2 結構分析理論

鑒于斜彎剛構連續梁結構受力復雜,計算采用大型有限元軟件進行力學分析。由于橋梁受到車輛移動荷載、地震力等動力荷載作用,因此可以由動力學的Hamilton原理來推導適用于橋梁結構的動力學方程。即

式中，T為系統的動能；U為系統的彈性勢能；Wc為系統的阻尼勢能；WF為外力勢能。

將各個單元的質量矩陣、剛度矩陣、阻尼矩陣集合而成,得到整個結構體的動力學平衡方程

(2)

式中,[M]為結構的總體質量矩陣；[K]為總體剛度矩陣；[C]為阻尼矩陣；{F}為外力向量。

在下面的計算分析中采用了空間板單元,限于篇幅,下面僅給出矩形板單元的單元剛度矩陣

k1=21-6μ+30b2/a2+30a2/b2,

k2=8b2-8μb2+40a2,

k3=8a2-8μa2+40b2，

k4=3b+12μb+30a2/b,

k5=3a+12μa+30b2/a,

k6=30μab

k7=-21+6μ-30b2/a2+15a2/b2,

k8=-8b2+8μb2+20a2,

k9=-2a2+2μa2+20b2

k10=-3b-12μb+15a2/b,

k11=3a-3μa+30b2/a,

k12=21-6μ-15b2/a2-15a2/b2

k13=2b2-2μb2+10a2,

k14=2a2-2μa2+10b2,

k15=-3b+3μb+15a2/b

k16=-3a+3μa+15b2/a,

k17=-21+6μ+15b2/a2-30a2/b2,

k18=-2b2+2μb2+20a2,

k19=-8a2+2μa2+20b2,

k20=3b-3μb+30a2/b,

k21=-3a-12μa+15b2/a

3 結構計算

3.1 計算模型及結構計算參數

涼水河中橋斜彎剛構連續梁采用大型有限元軟件MIDAS進行分析計算。由于橋面板直曲線不規則、剛壁墩斜交角度變化,共建立了16座橋的三維計算模型。梁部、橋墩及承臺均采用空間板單元,樁基按基礎實際等效剛度進行模擬。

涼水河中橋16座剛構連續梁結構計算參數詳見表1。

表1 結構計算參數

3.2 剛壁墩樁基礎設計

根據地質情況,估算樁長,計算樁基剛度后,對模型進行約束,粗算基礎反力。再由基礎反力計算樁長,并計算樁基剛度,再次對模型進行約束計算,反復計算直到形成樁基承載力與剛度的匹配,最終確定樁長及基礎剛度。

通過對多線剛構連續梁進行模擬,對整體受力的樁基礎進行分析,結果顯示多線橋共用基礎是合理、可行的。

3.3 斜彎剛構連續梁的內力分析

斜彎剛構連續梁的內力復雜,以L橋為例簡要介紹斜彎剛構連續梁受力。圖2為“主力+附加力”荷載工況下L橋的Mxx彎矩內力圖。

圖2 L橋(京山改線)Mxx彎矩內力圖

L橋為雙線橋,梁體分離形成左、右線兩幅橋,兩幅橋剛壁墩、梁部之間留有2 cm縫隙,基礎共用。左、右線橋分離可基本避免在最不利荷載工況作用下梁端支座出現拉力,也可使梁部、支座和墩臺所受的橫向水平力較小,對支座及下部基礎受力有利。整體基礎可提供較大的基礎橫向剛度。

斜彎剛構連續梁的內力主要具有以下幾個特點。

(1)斜彎剛構連續梁的墩、梁固結處,承受主梁板的負彎矩及墩梁斜交引起的斜彎及扭矩,故在墩、梁固結處梁板的鈍角區(主梁邊緣1.5～2 m)出現應力集中。

(2)由于剛壁墩與主梁板斜交,剛壁墩平面扭矩較大,墩底橫向邊緣局部(1～1.5 m)出現應力集中。

(3)為滿足排洪設計要求,邊跨與中跨跨度相近,對剛構連續梁來說孔跨不匹配,邊跨梁部受力較大,為此邊跨控制梁部的整體配筋。

(4)由于梁端與河道方向一致,梁端與線路斜交,故梁端支座反力不均勻,其中梁端鈍角區的支座反力較大、銳角區的支座反力較小,經計算涼水河中橋所有支座在最不利組合下均未出現拉力。

(5)由于梁端橫向支座間距較大,梁板厚較小,橫向高跨比較小,故梁端橫向受力較大。

3.4 斜彎剛構連續梁的撓度計算

涼水河中橋撓度計算成果詳見表2。

表2 涼水河中橋豎向撓度及梁端豎向轉角成果

經計算分析,斜彎剛構連續梁具有較強的豎向剛度,豎向位移及梁端豎向轉角均較小,均滿足規范的限值要求。

3.5 斜彎剛構連續梁的特征值分析

以L橋介紹斜彎剛構連續梁的自振特性,L橋的空間特征值分析結果詳見表3。圖3為L橋一階振形。

表3 L橋(17.2+18+18+17.27)m自振特性分析成果

圖3 L橋(京山改線)一階振形

由于剛壁墩較薄,剛構連續梁的縱向剛度較弱。從上述自振特性結果可看出,剛構連續梁的整體橫向、豎向剛度較大。通過計算分析,涼水河中橋中剛構連續梁的自振特性基本一致,均能滿足規范對自振頻率限值的要求。

3.6 結構配筋

涼水河中橋為鋼筋混凝土結構,根據斜彎剛構連續梁的受力特點進行有效的配置主筋、彎起抗剪鋼筋及箍筋等。主筋骨架順線路方向設置,形成平面曲線骨架,在應力集中區域,增加主筋及其他鋼筋布置,以抵抗局部應力。

4 結語

涼水河中橋為多座4跨斜彎剛構連續梁橋,位于北京南站出口跨越涼水河,規模較大,以其結構高度低,有效地降低了北京南站站坪高程；同時,剛壁墩沿涼水河河道布置,有效的放大了排洪能力。

斜彎剛構連續梁的受力較為復雜,尤其是墩梁固結鈍角區、剛壁墩底部邊緣及梁端部位,是涼水河中橋設計中的控制點。此外,斜彎剛構連續梁的基礎設計也是控制橋梁受力的關鍵。

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