西平鐵路(54+3×90+54) m剛構-連續梁設計

楊正華

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 工程概況

西平線漠谷河2號大橋位于陜西乾縣乾陵水庫上游庫尾處,該水庫位于乾縣縣城西北約5 km,漠谷河中游響石潭處。橋址區為“U”形河道沖溝,兩岸為黃土斜坡,自然坡度25°～35°,地貌上屬黃土殘塬區,塬面經受強烈剝蝕,地形起伏較大,橋梁跨越漠谷河河谷,西安臺側岸坡較緩,溝谷內及左岸岸坡較陡處采用90 m跨度跨越。

地質調查及鉆孔揭示,主要地層為第四系更新統沖積黏質黃土、第四系上中更新統風積黏質黃土、第四系中更新統沖積粉質黏土和細圓礫土、粗圓礫土、卵石土,第四系下更新統粉質黏土,底部為奧陶系中統灰巖。土壤最大凍結深度100 cm,地震動峰值加速度為0.10g,地震反應譜特征周期為0.45 s。

由于線路跨越河谷,橋梁孔跨布置受線路控制,必須采用大跨高墩的方案。本橋橋高達70 m,若采用常規連續梁方案則固定墩為滿足剛度要求將體形巨大,經濟美觀性較差,經綜合比較,該橋最終采用3-32 m簡支梁+(54+3×90+54) m剛構連續梁。主橋布置見圖1。

圖1 漠谷河2號大橋主橋立面布置(單位：cm)

2 主要技術標準

(1)鐵路等級：國鐵Ⅰ級

(2)正線數目：單線

(3)設計行車速度：120 km/h

(4)平面：直線

(5)線路縱坡：13‰

(6)設計荷載：中活載

(7)地震烈度：7度

3 結構設計

3.1 上部結構設計

主梁梁體采用變高度變截面預應力混凝土連續箱梁,一聯總長379.5 m,邊支座中心至梁端距離0.75 m,計算跨度為(54+3×90+54) m,梁截面采用單箱單室,邊支點及跨中梁高4.0 m,中支點梁高7.0 m,梁底變化段采用1.8次拋物線。箱梁頂寬7.5 m,底寬5.0 m,頂板厚0.36 m,底板厚0.40～1.0 m,腹板厚0.45～0.90 m,支座中心橫向間距中支點為4.6 m,邊支點為3.2 m,連續梁中支點處箱梁梁底加寬至6.4 m,剛構墩墩頂箱梁底加寬至7.4 m。

全聯在剛構墩頂、中支點和邊支點處設置8道橫隔板,橫隔板均設置過人洞,剛構墩頂處箱梁隔板厚1.2 m,其余中橫隔板厚2.0 m,邊橫隔板厚1.5 m。箱梁兩側腹板與頂底板相交處均采用圓弧倒角過渡。

梁段劃分以T構為中心,兩側對稱為宜,懸臂澆筑時能保證梁體穩定,但本橋由于西安側邊跨合龍段附近橋面較高,不能采用支架施工,故而相對于中跨而言,邊跨存在超打梁段。具體梁段劃分為：兩側T構靠近邊跨劃分為11個梁段,靠近中跨劃分為10個梁段。其余每個臨時T構兩側均劃分為10個梁段。連續墩兩中支點墩頂梁段為0′號段,與墩頂臨時支座固結,形成臨時T構。剛構墩墩頂梁段為0號梁段。0、0′號梁段長11.0 m,1、1′梁段長3.0 m,2、2′、11′梁段長3.5 m,3～10號梁段長4.0 m,3′～10′號梁段長4.0 m,11、12′號梁段為合龍段,長為2.0 m,13′號梁段為邊跨現澆段,梁長為5.25 m。其中采用掛籃施工時最重梁段為3號梁段,重約1 510 kN。梁體構造見圖2，主梁半支點、半跨中截面見圖3。

圖2 梁體構造(單位：cm)

圖3 主梁半支點、半跨中橫截面(單位：cm)

梁體設計為縱、豎雙向預應力體系,縱向按全預應力構件設計。縱向預應力鋼束采用高強度低松弛鋼絞線,標準強度fpk=1 860 MPa,其中腹板束采用12-7φ5 mm鋼絞線,其余采用15-7φ5 mm鋼絞線,均選用內徑φ90 mm塑料波紋管成孔,OVM系列錨具。豎向預應力筋采用φ25 mm精軋螺紋鋼筋,標準強度fpk=830 MPa,采用JLM-25型錨具。

（3）足球課教學應轉向學生體育能力、習慣和終身意識的培養，課程設置應以學生需要為依據，重視過程與方法，重視學生的情感、態度與價值觀，保證學生的主體。教學內容、方法的選擇要人性化，以滿足大學生身心健康發展、主體性體現為原則。

縱向預應力鋼束配置為：剛構墩處梁頂板鋼束為26束,腹板鋼束為24束；連續梁墩處梁頂板鋼束為28束,腹板鋼束為24束；邊跨頂板鋼束為4束,主跨和次邊跨頂板鋼束為4束,主跨底板鋼束為17束,次邊跨底板為16束,邊跨底板為12束。

3.2 下部結構設計

3.2.1 橋墩設計

剛構墩與主梁固結,橋墩縱橫向剛度不僅影響著墩頂位移和截面強度,而且對主梁內力影響較大,因此選擇合適的墩梁剛度比至關重要。剛構墩設計時要充分考慮混凝土的收縮徐變、溫度變化和制動力的影響,橋墩要能適應上述因素產生的位移變化,降低次內力的影響,同時又要滿足施工、運營對穩定性的要求,保證列車運行的平穩舒適。

本橋最大墩高近70 m,為滿足剛構墩剛度要求,其橫截面采用抗扭性能好,抗推能力強的矩形箱形截面。通過計算比較分析,在墩頂處沿橋縱向墩頂寬6 m,壁厚0.7 m；沿橋橫向墩頂寬7.4 m,壁厚0.8 m。縱向采用直坡,橫向在箱梁底面以下2 m處放坡,外坡30∶1,內坡40∶1。考慮固端干擾力的影響,墩頂設2 m實體段,墩底設4 m實體段。箱梁底面下5 m范圍內采用C50混凝土,其余采用C40混凝土,墩身全高范圍內添加聚丙烯纖維。同時為維護及檢修的需要,在剛構墩墩頂和箱梁底板設置直徑為0.8 m的進人洞。剛構墩立面、側面見圖4。

圖4 剛構墩立面、側面(單位cm)

3、7號墩在墩頂處沿橋縱向墩頂寬5 m,壁厚0.6 m；沿橋橫向墩頂寬7.4 m,壁厚0.65 m。縱向采用直坡,橫向在頂帽下緣2.5 m處放坡,外坡45∶1,內坡65∶1。

4號墩在墩頂處沿橋縱向墩頂寬6 m,壁厚0.7 m；沿橋橫向墩頂寬7.4 m,壁厚0.8 m。縱向采用直坡,橫向在頂帽下緣2.5 m處放坡,外坡30∶1,內坡40∶1。

3.2.2 基礎設計

4 主橋結構計算

4.1 上部結構縱向整體靜力計算

4.1.1 計算模型和施工階段劃分

結構縱向計算采用西南交大bsas平面有限元程序,按照實際的施工順序進行結構的離散,共分為187個單元,其中橋面梁單元132個,剛構墩39個單元,188個節點。5、6號剛構墩群樁基礎按照剛度等效的原則模擬成雙柱式基礎,雙柱之間采用剛性桿件將樁頂連接,形狀如“π”形結構,剛構墩與主梁單元采用主從連接。

計算中考慮的施工方法為分別以4個T構為支撐,向兩側對稱懸臂施工,直至澆筑完10、10′號梁段,中跨合龍,然后次邊跨合龍,施工邊跨超打段11′梁段,進而支架施工邊跨現澆段,最后合龍邊跨,完成全橋施工。全橋共分為53個施工階段,施工過程考慮自重、預應力、掛籃、懸臂段不平衡重、體系轉換、風力等工況；運營階段考慮了基礎不均勻沉降0.01 m。考慮當地的氣象特征,合龍溫度按10 ℃考慮,溫度荷載包括整體升溫 16.3 ℃、降溫17 ℃、橋面板非均勻升溫5 ℃,活載和地震力等。

4.1.2 主要計算結果

(1)剛度控制指標

①豎向靜活載作用下位移：計算結果邊跨最大豎向位移-7.22 mm,為跨度的1/7 479,中跨豎向最大位移-19.9 mm,為跨度的1/4 523。

②徐變變形：設計二期恒載上橋時間按60 d計算,考慮收縮徐變的影響后,理論計算殘余徐變拱度值為2.6 mm。

(2)結構靜力計算結果見表1。

表1 主梁結構靜力計算結果

4.2 箱梁橫向靜力計算

箱梁橫向計算時將箱梁橫向簡化為帶剛性支承的框架結構,支承點位于兩腹板下,沿橋縱向取單位米長,橋梁縱向活載影響分布寬度按照《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)4.3.4條辦理。計算荷載包括恒載、活載、溫度變化等作用。橫向升降溫按以下情況考慮,取最不利情況進行橫向設計,升溫按箱身外部一側腹板升溫10 ℃,頂板和另側腹板升溫5 ℃,箱身內部及底板溫度不變計算；降溫按箱梁內外溫差10 ℃計算。

4.3 結構整體動力計算

采用Midas軟件中的梁單元建立全橋空間有限元模型,進行空間動力分析。其中剛構墩與主梁單元采用剛臂連接；連續梁橋墩與主梁采用主從連接,根據支座布置形式采用相應的約束；墩底按照剛度等效的原則采用6個方向的彈簧剛度模擬土的約束作用,動力計算結果見表2。

表2 全橋動力計算結果

5 結語

剛構-連續梁結構體系綜合了剛構和連續梁的優點,中跨梁體受固定墩的約束,與連續梁相比,連續剛構中的固定墩可以消減支點處梁體內力峰值,降低梁高,使得梁部輕巧、經濟；剛構連續梁體系整體性好、抗震、抗扭性能好,結構受力合理；同時還節省大噸位支座,減少支座養護工作量,且施工穩定性好,避免梁部澆筑時較為復雜的墩梁臨時固結措施。本文結合漠谷河2號大橋主橋剛構-連續梁工程實例,介紹了該橋的主要設計參數、計算方法和注意事項,結果表明各項指標滿足規范要求。

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