超百米高低墩連續剛構鐵路橋設計

賴小剛

（中國中鐵二院工程集團有限責任公司重慶400023）

超百米高低墩連續剛構鐵路橋設計

賴小剛

（中國中鐵二院工程集團有限責任公司重慶400023）

文章針對敘大鐵路三槽灣特大橋主橋（68+128+68）的預應力混凝土連續剛構，介紹了墩高超百米的高低墩剛構橋設計，分析計算了高低墩大跨連續剛構橋的靜力特性和主橋車橋動力響應，對解決高低墩大跨連續剛構橋設計時剛度差的問題，以及梁部應力對高低墩的應力分配問題作了合理的實踐，對山區鐵路高橋設計具有較高的參考價值。

鐵路；高低主墩；高墩大跨；連續剛構；結構計算和動力仿真分析

1 概述

三槽灣特大橋位于敘永至大村鐵路四川省古藺縣境內，上跨頭道河，常年有水，測時水面寬大約12m，不通航，橋梁主要受地形控制設計。本橋位于R=800曲線和直線地段，主橋位于直線上，縱坡為平坡，單線。中心里程為DK47+450.7，孔跨式樣為15×32預應力混凝土簡支梁+(68+128+68)m預應力混凝土連續剛構+2×32預應力混凝土簡支梁，全長882.88mm，橋高143m，最大墩高104m。橋墩采用矩形實體墩和鋼筋混凝土矩形空心墩，T型橋臺，樁基礎。其主橋總體布置見圖1。

圖1 主橋總體布置圖

橋區地震動峰值加速度值為0.05g，地震動反應譜特征周期值為0.35s，基本的地震烈度為Ⅵ度。

2 橋梁孔跨方案比選

本橋跨越山區河流，橋高143m，主跨采用128m連續剛構。

因兩岸地形高差較大，如采用主墩等高設計，則17號主墩將位于陡壁處，施工極為困難。根據地質資料，本處陡壁為泥灰巖W 3，節理發育，承載力較低為0.40MPa，且整體性、穩定性都很差。由于17號墩承臺尺寸較大，開挖后將在靠山側形成高達35m以上的臨空面，無法徹底解決本處巖性極差的高邊坡防護問題，對主墩安全形成威脅。

經仔細研究、綜合比選，決定將17號墩向大里程移動，避開陡壁。并在主跨采用高低墩搭配，16號墩高104m，17號墩高59m，很好的解決了主墩安全和陡壁開挖防護問題。

3 結構設計

3.1 主梁構造與節段劃分

梁體截面為單箱單室、直腹板、變截面箱梁。邊支座中心線至梁端0.7m，邊支座橫橋向中心距為5.7m;中跨中部18m梁段和邊跨端部13.7m梁段為等高梁段，梁高為4.4m；主墩處梁高為8.8m，其余梁段梁高按二次拋物線方程為Y=4. 4+X2/591.136(m)(X=0～51m)變化;箱梁頂板寬8.1m，箱寬6.4m;頂板厚52cm,底板厚42～90cm,腹板厚40～70cm。梁體結構見圖2。

圖2 梁體結構圖

全梁懸灌節段長度分為3.0m、3.5m、4.0m，全橋共分為69個節段。

3.2 預應力體系

梁體采用C55混凝土，考慮箱梁較高、較寬以及鐵路活載大等因素，通過計算，在梁體縱向、豎向、橫向均設預應力，縱向按全預應力結構設計。縱向采用12-7Φ5鋼絞線，豎向采用? 25mm的PSB830預應力混凝土用螺紋鋼筋，橫向采用高強度低松弛4-7Φ5鋼絞線。

3.3 下部結構設計

連續剛構主墩：16號、17號墩順橋向寬度為8m，墩身縱向內外坡為1:0，壁厚1.3m，橫橋向寬度為7.6m，墩頂以下0～59m墩身橫向內坡均為1:40，外坡為1:20。16號主墩高達104m，為了控制橫向剛度，在橋墩橫橋向內、外坡在墩頂以下59m處設變坡：59m以下墩身橫向內坡為1:60，外坡為1:15。

3.4 梁體結構計算和結果

將連續剛構按施工階段和運營階段分為62個階段，對梁體內力、截面應力及變位按平面桿系進行有限元分析計算，共劃分為82個節點，81個單元。在最不利荷載組合下，梁體主跨跨中最大正彎矩為61222kN-m,主跨支墩處最大負彎矩為261564kN-m。梁端最大支反力6525kN，最小支反力1294kN。運營階段，箱體頂、底板最大壓應力為12.8MPa，最小壓應力為0.50MPa，截面均不出現拉應力；施工階段最大壓應力為11.0MPa。梁體跨中最大活載豎向撓度3.07cm（L/4169），邊跨跨中最大活載豎向撓度0.85cm，均小于容許值。

3.5 主橋橫向剛度計算

在主橋橫向剛度計算中考慮了主橋剛構體系與32m簡支梁的共同作用，承臺和群樁基礎換算為墩底等效剛度，按有限元法，采用M IDAS程序計算主橋整體自振特性，其橫向第一振型自振周期T1＝1.538秒，主墩墩頂最大縱向位移3.18cm；連續剛構梁橫向位移按列車橫向搖擺力和橫向風力分別計算，橫向風力控制，主跨跨中最大橫向位移1.91cm，墩頂最大橫向位移1.47cm，均小于容許值。

3.6 主橋車橋耦合動力仿真分析

一般情況下，連續剛構的主橋墩設計為基本相同的墩高，本橋16號、17號兩個主墩高差達45m，剛度分配會有差異。因此對主橋進行了詳細的車橋耦合動力仿真分析。

根據車橋耦合振動分析理論，運用橋梁結構動力分析程序BDAPV2.0，針對主橋（68+128+68）m連續剛構橋，采用空間有限元建立全橋動力分析模型，對橋梁的空間自振特性進行了計算；同時，對該橋梁方案在普通旅客列車和C70貨車作用下的車橋空間耦合振動進行了分析。研究表明：

(1)主橋(68+128+68)m連續剛構的1階橫向和豎向頻率分別為0.644Hz、0.566 Hz，振型圖見圖3、圖4。

圖3 第1階反對稱豎彎+縱漂f=0.566 Hz（立面圖）

圖4 第2階橫彎f=0.644 Hz（俯視圖）

(2)在普通旅客列車以速度60～100 km/h運行時，主跨跨中豎向和橫向振動位移最大值分別為9.292mm、2.801mm，主跨跨中豎向和橫向振動加速度最大值分別為0.140m/s2和0.088 m/s2；墩頂橫向位移和加速度最大值分別為2.843mm和0.093m/s2。

在C70貨車組以速度50～80 km/h運行時，主跨跨中豎向和橫向振動位移最大值分別為26.412mm、1.198mm，主跨跨中豎向和橫向振動加速度最大值分別為0.537m/s2和0.125m/s2；墩頂橫向位移和加速度最大值分別為1.479mm和0.162m/s2。

可見，在上述列車作用下，大橋(68+128+68)m連續剛構的豎向振動位移和加速度均較小，滿足規范的要求。橋梁橫向振動位移和加速度以及橋墩橫向振動加速度均小于規范規定的限值，說明橋梁的動力性能良好。

(3)在普通旅客列車以速度60～100km/h范圍以及C70貨車組以速度50～80km/h范圍通過主橋時，機車（重車）與車輛（空車）的脫軌系數、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內，保證了列車的行車安全。

(4)在普通旅客列車以速度60～100km/h范圍通過大橋時，豎向和橫向舒適性均達到“優”。在C70車組以速度50～80km/h范圍通過大橋時，豎向和橫向平穩性均達到“優”或“良”。

4 結語

隨著西部大開發的推進，西南地區近年來鐵路建設發展迅速。由于西南山區地形起伏較大，在鐵路建設過程中必然會跨越崇山峻嶺和幽深峽谷，高墩、大跨度連續剛構橋梁越來越多。以往的大跨度連續剛構橋設計時，為了把應力盡量平均分配到各墩，各個主墩的剛度不會相差太大，因此主墩基本等高或高差較小。但是在遇到主墩必須采用高差較大的高低墩時，對橋梁的空間自振特性和行車舒適度沒有較多的分析研究。本文對三槽灣特大橋——具有代表性西南山區高低墩鐵路橋梁的孔跨方案比選、預應力混凝土連續剛構及下部結構設計進行了闡述分析，得出主要結論如下：

（1）當大跨度連續剛構橋的橋墩高度均大于50m時，由于梁部和橋墩的剛度差較小，梁部由于溫度和混凝土收縮徐變等產生的應力，對高低墩的應力分配影響也較小。

（2）對主墩高差達45m的實際情況，采用高墩底部橫坡放緩和增加空心墩壁厚的措施，以加大高墩下部剛度。根據主橋車橋耦合動力仿真分析，結果表明橋梁的空間自振特性和行車舒適度良好，證明設計是科學合理的。

本橋的設計完成對同類型橋梁的設計具有參考價值。

責任編輯：李 紅

Design of Continuous Rigid-frame Railway Bridgesw ith Low Piersa Hundred PlusM eters High

Based on theprestressed concrete continuous rigid-frame of themain bridge（68+128+68）of Sancao Bay super large bridge over the Xuda railway,the author introduces the design of steelbridgew ith low piers a hundred plusmeters high and analyzes the static characteristics of such kind ofbridge and dynam ic responseofmain bridge.These can provide valuable references to solve the problem of stiffness difference in designing continuous rigid-frame bridgesw ith low piershigh and reasonably practice the beam stress thatdistributes the stress of low piers of a hundred plusmeters high.

railway;high low piers;high piersof largespan;continuous rigid-frame;structure calculation and dynamic simulation analysis

TU997

A

1671-9107（2012）05-0024-02

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.05.024

2012-04-10

賴小剛（1975-），四川南部人，本科，工程師，從事橋梁設計工作。