京滬高速鐵路北京特大橋跨西黃右線空間剛架結構分析

王昌鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處,西安 710043)

1 概述

京滬高速鐵路北京特大橋位于北京市大興區,橋梁全橋長 48 150.57m。主要跨越西黃右線、京山五線、青源路等主要公路及鐵路。為不影響既有線的運營行車,線路在 DIK16+700.33～DIK16+791.68段采用空間剛架跨越西黃右線鐵路。空間剛架橋跨范圍內,鐵路位于半徑為 4 000m圓曲線上,京滬高速鐵路與西黃右線鐵路斜交角度僅為 13°33′,其布置形式見圖1。

主要技術標準如下。

(1)鐵路等級:高速鐵路;

(2)正線數目:雙線,線間距 5.0m;

(3)設計速度:350 km/h;初期運行速度 300 km/h;

(4)曲線半徑:4 000m;

(5)建筑限界:西黃右線要求凈高 7.5m;

(6)設計荷載:ZK荷載;

(7)地震烈度:基本地震烈度 8度,場地類別為Ⅲ類,地震動峰加速度為 0.2g。

圖1 空間剛架布置(單位:cm)

2 結構設計簡介

2.1 空間剛架結構的結構形式及特點

空間剛架結構是通過橫梁與邊墻的剛性連接,邊墻與承臺及樁基與承臺的固結形成橫梁、邊墻及樁基承臺的共同作用,而形成空間無底板的空間門式剛架結構。通過邊墻承受負彎矩進一步降低了橫梁跨中正彎矩,從而降低了橫梁跨中截面的建筑高度,爭取了較大的凈空。邊墻、承臺樁基礎與既有線平行且連續設置、邊墻的掏空處理及邊墻間無底板設計等措施減少了施工期間與既有線的干擾,保證了既有線的正常行車,并使既有線在成橋后獲得很好的采光,改善了運營條件,同時具有一定的景觀效果。

2.2 橫梁

橫梁采用型鋼混凝土結合梁。鋼筋混凝土梁內設兩片工字型鋼骨架,工字型鋼與混凝土整體形成厚腹板工字形梁體。梁內普通鋼筋穿過鋼板,實現混凝土與工字型鋼的共同作用。每片型鋼混凝土梁截面寬2.75m,懸臂翼緣板長 0.6m,厚度 0.2m,跨中處梁高1.25m,支點處加高至 1.75m。工字型鋼采用鋼板焊接而成,上下翼緣寬度 0.8m,腹板高 1.01～1.51 m,鋼板厚度 16mm。為保證邊墻與既有鐵路線平行,橫梁跨度順橋向由 14.6m漸變至 24.2m。橫梁與門形邊墻通過事先預埋邊墻內的型鋼與預制橫梁內的伸出型鋼焊接,實現橫梁與邊墻的剛性連接。橫梁跨中截面如圖2所示。

圖2 橫梁跨中截面(單位:cm)

2.3 門形剛架邊墻及基礎

門形剛架邊墻厚 2.0m,墻高 14.75m,順橋每節長度 5～16.5m,節間設 3 cm的沉降縫。為節約材料,減輕結構自重,同時讓既有線獲得良好的采光條件,邊墻中間掏空成拱形。拱形結構半徑 5.25m,拱頂至墻頂 2m。邊墻采用鋼筋混凝土結構,墻內鋼筋向上和向下分別深入梁體和承臺。

門形剛架邊墻基礎采用連續的剛性承臺與單排樁構成的空間剛架結構。承臺寬 2.5m,高 2.5 m,承臺頂面與地面基本平齊。下設單排 φ150 cm樁基,樁長41m,樁間距 4m。

3 結構分析

3.1 有限元模型的建立

采用通用軟件 MIDAS建立橋梁的空間有限元分析模型。采用空間梁單元及相應參數來對橫梁、邊墻及承臺進行結構離散。橫梁與邊墻按剛性連接進行約束,邊墻與承臺固結形成門式剛架,樁基按等剛度彈簧模擬進行彈性支承約束,其他構件采用共節點進行約束。計算模型分為 557個節點,662個單元。所建立的橋梁分析模型見圖3。

活載加載按作用于橫梁處的實際作用位置進行施加。橫梁按工字型鋼混凝土組合截面建模,程序中按《型鋼混凝土組合結構技術規范》[4]采用等效截面剛度,進行截面內力及應力分析,其余均以實際截面建模。

梁部的整體計算考慮了以下各種計算內力及其組合:自重、二期恒載、施工恒載、混凝土收縮徐變、預應力、活載、溫度力、基礎不均勻沉降。

圖3 空間計算模型

3.2 靜力計算

(1)橫梁及掏空處邊墻

由于梁體數目較多,且各梁斷面尺寸及配筋情況基本相同,因此本次分析只給出最控制的橫梁的內力分布。控制截面見圖4,計算結果見表1、表2。

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表2 強度計算結果

(2)邊墻及承臺

計算簡圖見圖5,計算結果見表3、表4。

圖5 剛架縱向計算簡圖(立柱及承臺)

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表4 強度計算結果

(3)基礎

樁基礎采用“m”法進行計算,計算結果見表5、表6。

表5 承臺頂內力計算結果

表6 樁基驗算結果

從上述計算結果看橫梁最不利情況發生在橫梁與邊墻連接處,邊墻最不利情況發生在開孔最大處。

3.3 結構的剛度指標

由于本橋為 SRC結構,混凝土開裂后截面的剛度必然會明顯降低,因此設計中在計算結構變形時,對相應的剛度進行了折減,按《型鋼混凝土組合結構技術規范》[4]最大撓度應按荷載短期效應組合并考慮荷載長期效應組合影響的長期剛度進行計算,取其剛度折減值計算列車靜活載產生的撓度值和溫度引起的撓度值,按《暫行規定》[2]最不利組合為 0.004 6m,撓跨比為 1/2 739＜1/1 300,滿足規范限值。

由列車活載作用下梁體扭轉引起的軌面不平順值最大為 0.7mm,滿足規范限值。

由列車搖擺力、離心力、風力和溫度力作用下的最大水平撓度為 0.0022m,撓跨比為 1/5 272＜1/4 000。滿足規范要求。

3.4 地震力及結構動力分析

由于本結構位于 8度震區,應考慮地震力作用。結構的地震作用采用地震反映譜理論計算,利用 MIDAS軟件對空間剛架進行地震力及動力特性分析,共計算順橋向及橫橋向兩個方向,取其控制者,地震力計算結果見表1及表3。從表中計算結果看地震力引起的橫梁及邊墻內力不控制設計。

橋梁的固有頻率是促使橋梁動力系數出現峰值的根本原因。峰值的出現意味著共振,橋梁將發生劇烈的振動,從而影響軌道的不平順性及乘車的舒適性。本結構的前五階自振頻率如表7所示。

表7 結構自振特性

從表7的計算結果得出,結構第一階豎向自振頻率為 11.815Hz,滿足《暫行規定》[2]的要求。同時在所有計算的高速客車和中速客車工況下,橋梁豎、橫向振動加速度滿足限值要求,列車的輪重減載率和脫軌系數小于限值,行車安全性滿足要求,動車和拖車的豎、橫向舒適度均滿足要求。

4 結 語

高速鐵路橋梁設計標準高,行車密度大,養護維修時間短,需要足夠的抗彎、抗扭剛度,足夠的穩定性和耐久性,對噪聲、車橋振動方面的要求都高于普通橋梁。對于小角度跨越多條鐵路(公路)的工點,主要體現在縱橫向跨度大,一般大跨度結構不能滿足要求。空間剛架結構與傳統的橋梁結構相比具有跨越能力強、整體剛度大、結構穩定性、動力性能好并能充分發揮混凝土及鋼材的各自特性及建筑高度低、橋跨布置容易等優點。因此,在交叉角度小、橋下凈空要求受到限制,并且需要很大跨越能力時,采用空間剛架結構是合理的選擇,具有一定的實用價值。

[1]鐵道第三勘察設計院集團有限公司.京滬高速鐵路北京特大橋跨西黃右線空間剛架施工圖設計文件[Z].天津:2008.

[2]新建時速 300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[3]TB 10002.3—2005,鐵路橋涵鋼筋混凝土及預應力混凝土結構設計規范[S].

[4]JGJ138—2001,型鋼混凝土組合結構技術規程[S].