高烈度地震區客運專線長聯不對稱預應力混凝土連續梁橋設計

劉洪占,劉愛喬,姚君芳

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 概述

津秦客運專線下塢薊運河特大橋是設計時速350 km的雙線高速鐵路橋梁,線間距5 m,采用II型板式無砟軌道,設計活載為ZK活載。本橋位于八度震區,地震動峰值加速度Ag=0.2g。設計水位采用百年一遇洪水位。該橋主橋與既有津山線間距29 m,為滿足通航排洪和與既有京山鐵路對孔的要求而設,采用(40+64+80+80+48) m非對稱無砟軌道預應力混凝土連續梁,主橋布置見圖1。橋址處薊運河寬280 m,線路與薊運河成90°夾角,兩岸堤上有立交道路。下塢薊運河特大橋跨越薊運河為83號～88號墩,平面位于緩和曲線和直線上,縱斷面位于+6‰坡道上。

圖1 全橋立面布置(單位:m)

本橋地基為以粉土、粉質黏土、粉砂、細砂為主。橋墩采用圓端形實體墩,中墩基礎采用16根直徑1.5 m鉆孔灌注樁,樁長65～76 m,邊墩基礎采用12根直徑1.25 m鉆孔灌注樁,樁長52～56 m。

2 橋梁設計

2.1 孔跨布置和橋式方案確定

橋址下游約30.5 m處為既有京山鐵路橋,既有鐵路橋為3-80 m下承式鋼桁梁及1-32 m中承式鋼桁梁,為了與之對孔,減小對河道斷面壓縮,減小對河道行洪的影響,并于堤頂預留防汛搶險通道,確定孔跨為(40+64+80+80+48)m。考慮高速鐵路要求結構具有剛度大、平順性好,本橋橋墩不高,選擇了技術成熟、施工安全方便的預應力混凝土連續梁結構體系。

2.2 梁部設計

2.2.1 非對稱主梁構造

(40+64+80+80+48) m預應力混凝土連續梁采用單箱單室變高度箱形截面,橋面寬12 m,箱寬6.7 m,頂板厚0.4 m,梁端局部為0.65 m；80 m中跨中支點梁高7.05 m,跨中梁高4.25 m,梁高按二次拋物線變化,底板厚度0.6～1.0 m,腹板厚0.6～1.0 m；64 m中跨中支點梁高6.65 m,跨中梁高4.25 m,梁高按二次拋物線變化,底板厚度0.6～1.0 m,腹板厚0.8～1.0 m；40 m邊跨邊支點梁高3.05 m,底板厚度0.6～1.0 m,腹板厚0.8～1.0 m；48 m邊跨邊支點梁高4.25 m,底板厚度0.6～1.0 m,腹板厚0.6～1.0 m。

(40+64+80+80+48)m預應力混凝土連續梁跨度不對稱,劃分施工節段也是非對稱,85號墩一側為64 m跨,一側為80 m跨,懸臂施工長度不對稱。為了保證結構受力和變形滿足高速鐵路無砟軌道的要求,80 m跨按結構受力和構造擬定截面尺寸,考慮盡量減小懸臂施工支點不平衡彎矩和成橋運營受力合理,加厚了40 m邊跨和64 m跨中底板和腹板厚度,較80 m跨中底板和腹板增加0.2 m,并且在64 m跨跨中箱內底板頂澆筑厚0.75 m,長14.4 m的混凝土壓重。結構線形64 m跨和80 m跨中支點和跨中截面見圖2。由于節段數的不對稱,在施工順序上進行了調整,先合龍64 m跨,然后再掛籃懸澆80 m跨不平衡段。合龍順序為：先邊孔,后次中孔,最后中孔。

圖2 箱梁橫斷面(單位：cm)

2.2.2 主梁預應力

梁體采用三向預應力體系,縱向預應力束全橋分別采用7-7φ5 mm、15-7φ5 mm、15-7φ5 mm和19-7φ5 mm 4種鋼絞線, M15-7～M15-19型錨具。張拉控制應力為1 230～1 315 MPa。由于跨度非對稱,預應力筋也會產生不對稱的問題。懸澆的過程中懸臂兩端分段數目不一致,小跨側先合龍,大跨一側多余的節段懸澆時,頂板、腹板的預應力束需要在小跨側尋找錨固位置。本設計在小跨側接近合龍段處,預留頂板、腹板齒塊作為不對稱頂板、腹板筋張拉位置。

梁體頂板橫向預應力采用4-7φ5 mm鋼絞線,錨下張拉控制應力為1 302 MPa,采用扁形錨具錨固,在箱梁兩側交替單端張拉。每一節段的縱向鋼束張拉完成后,自節段根部開始順序張拉橫向鋼束。橫向預應力筋張拉時應注意梁段相接處的張拉次序,每一節段伸臂端側最后一個橫向預應力筋在下一節段橫向預應力筋張拉時進行張拉,防止由于節段接縫兩側橫向壓縮不同引起開裂。

豎向預應力筋采用φ25 mm高強精軋螺紋鋼筋,型號為JL830,其抗拉極限強度為1 030 MPa,錨下張拉控制應力為735 MPa,一端張拉。每一節段的縱、橫向鋼束張拉完畢后,立即進行豎向預應力粗鋼筋的張拉。橫隔板預應力筋,在其所處的節段一并張拉完成。

2.2.3 抗震型阻尼器及支座

(40+64+80+80+48) m預應力混凝土連續梁聯長達313.5 m,屬于長聯連續梁,而且薊運河特大橋橋址位于地震動峰值加速為0.2g的Ⅷ度震區,全聯梁的水平地震力很大,若完全由固定支座或固定墩承受,按照傳統的結構設計主要靠加大結構構件截面尺寸、增加配筋等提高結構剛度和強度來滿足設防要求,這種作法會增加投資,影響美觀和使用功能。本橋由于靠近既有津山鐵路,為了減小結構尺寸,降低投資及對既有線運營影響,在高速鐵路橋梁首次應用阻尼器(圖3),將地震力均勻的分配到各中墩,通過阻尼器將各個中墩與連續梁連接,在地震力時,由阻尼器將地震力傳到各中墩,各中墩共同承受地震力。阻尼器要求必須具備3個特性：①在裝置兩端輸入相對速度時,鎖定裝置應在拉壓雙向提供輸出力；裝置輸出力變化僅由速度而改變,而與初始位置無關；②裝置應設計并具有在預期服役期內達到免維護要求；③裝置應設計并提供最小6.35 mm的可調長度。

圖3 阻尼器構造及安裝

鎖定裝置的內部構造應采用免維護設計方式；貯油器、外部管件或液體水準指示器不允許使用。裝置結構為非拉桿式壓力容器構造,無外部支撐頭或端部蓋板；焊接構造或任何形式的鑄造件均不允許應用到壓力容器構造。壓力容器和密封應達到最小20 000 psi的爆破壓強。在需要重新修復前,裝置應保證在最大地震力作用下至少可以進行重新使用。采用的阻尼器參數見表1。

表1 采用的阻尼器參數

注：設計使用年限75/50,表示密封裝置設計年限為50年,其他部位設計年限為75年。

支座均采用鐵路橋梁大噸位LXQZ型球型鋼支座,邊跨支座中心線距離梁端縱向距離為0.75 m,每個支點設2個支座,各支座參數見表2。

表2 支座參數表

2.3 下部結構設計

本聯連續梁橋墩均采用雙線連續梁圓端型橋墩。頂帽及墩身采用C35鋼筋混凝土。支承墊石采用C40鋼筋混凝土。橋墩基礎均采用鉆孔灌注樁基礎。

3 計算分析

3.1 縱向計算

上部結構靜力分析采用“橋梁結構分析系統BSAS4.23”及“橋梁博士3.2”2套程序相互校核,根據實際施工步驟及加載程序建立分析模型。

箱梁內力計算主要考慮了下列各種荷載：施工荷載、恒載、活載、基礎沉降、溫度力、混凝土收縮徐變、預應力、結構體系轉換所產生的二次力等,并考慮處于下坡端83號～86號墩之間自重及梁體縱向伸縮產生水平力的影響。

二期恒載包括鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿墊層、混凝土基座等線路設備重,以及防水層、保護層、人行道欄桿、防護墻、電纜槽蓋板及豎墻等附屬設施重。二期恒載采用113.7～123.1 kN/m。

掛籃施工荷載按700 kN考慮；溫度荷載按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB 10002.3—2005)附錄B規定進行取值,基礎不均勻沉降取10 mm。

活載采用ZK活載,同時檢算架橋機和運梁車荷載。

本結構按運營10年來考慮混凝土收縮徐變影響。

主梁縱向按全預應力構件設計,荷載組合分別以主力、主力+附加力進行組合,取最不利組合進行設計,計算成果見表3,靜活載撓度見表4。

表3 計算結果

表4 靜活載撓度

高速鐵路無砟軌道連續梁要求鋪設無砟軌道后,無砟橋面的殘余徐變上拱值小于10 mm控制。由于中跨結構不對稱,導致小跨64 m跨中徐變上拱,為了控制上拱度,設計考慮了設置臨時壓重、增加截面尺寸、增加壁厚等多種方案。綜合考慮施工便利,運營養護及高速行車振動,經過計算,最終確定采用增加64 m跨腹板和底板厚度的措施,解決了徐變控制,理論計算殘余徐變值見表5。

表5 梁體豎向殘余變形

圖4 地震反應譜分析模型

本橋為8度震區(動峰值加速度0.2g),采用midas程序建立全橋有限元分析模型(圖4),采用安評反應譜進行抗震計算,對梁、墩及基礎進行抗震檢算,滿足“小震不壞,大震不倒”的設防要求。

3.2 橫向計算

橫向預應力可加強橋梁的橫向聯系,增加懸臂板的抗彎能力。箱梁的橫向作為被支承在主梁腹板中心線下緣的箱形框架進行設計,計算時沿順橋向取單位長度為1 m,考慮各種不同的布載情況進行計算。本橋取具有代表性的橫截面即支點截面、跨中截面、1/4跨截面進行計算,將各種荷載引起的支反力作為恒荷載平均施加在腹板位置,以保證此模型支反力基本為零。列車荷載在其實際作用范圍按最不利加載。

由于此結構為外部靜定結構,均勻溫度變化不會產生內力,溫度應力沿單元截面呈直線變化,按升、降溫分別考慮。

4 結語

預應力混凝土連續梁橋,是大跨徑橋梁的主要橋型之一,具有可靠的強度、剛度以及抗裂性能。本橋主橋(40+64+80+80+48) m預應力混凝土連續梁將大跨長聯不對稱結構應用于高速鐵路無砟軌道橋梁,為了保證結構受力和變形,盡量減小懸臂施工支點不平衡彎矩和成橋運營受力合理,采取了加厚邊跨底板與腹板厚度、設置混凝土壓重的方法；為了將地震力均勻地分配到各中墩,在高速鐵路橋梁上應用阻尼器,使各中墩共同承受地震力。本橋已經建成鋪設無砟軌道,各項指標均滿足設計要求,為今后高速鐵路長聯大跨度非對稱連續梁設計提供了參考借鑒作用。

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