2-100 m鐵路雙線預應力混凝土T形剛構設計

左家強

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

1 概述

1.1 橋址自然條件

前王家山2號大橋位于陜西省吳堡縣前王家山村附近，為跨越307國道及張家鄢溝而設[1]。307國道即岐(口)銀(川)公路，橋位處公路寬7 m，立交要求預留寬度16 m。張家鄢溝為較典型的陜北黃土高原沖溝，溝道曲折，河床縱坡大，平時無水，雨季洪水來勢兇猛，歷時短。兩側山勢陡峻，溝底基巖出露，地形、地質條件復雜。橋址處地震動峰加速度為0.05g，地震基本烈度為六度，土壤最大凍結深度1.2 m。

地區多年平均降水量在350～493 mm。氣溫變化較大，最冷月平均氣溫-10.6 ℃、最熱月平均氣溫33.1 ℃、極端最低氣溫-20.7 ℃、極端最高氣溫40.8 ℃，屬于嚴寒地區。

1.2 主要技術標準

太中銀鐵路為客貨共線鐵路，設計最高行車速度為200 km/h。

1.3 橋址處線路條件

全橋位于R=2 800 m的圓曲線上，雙線，線間距5.4 m，線路縱坡1‰，。采用重型軌道，鋪設跨區間無縫線路，軌底至梁頂高度70 cm。根據《新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規定》[2]相關要求，本橋未設置鋼軌伸縮調節器，引橋及主跨兩端各60 m設置小阻力扣件，中間設置大阻力扣件。

2 橋梁設計

2.1 孔跨布置

太中銀鐵路斜交跨越307國道沿張家鄢溝，法向角48°。307國道小里程側為張家鄢溝，大里程側為陡峻峭壁，高近50 m。張家鄢溝深窄，橋墩應布置在溝道小里程側，避免對公路的影響，同時考慮盡量遠離溝槽，有利于行洪并減小泥石沖擊橋墩。陡崖一跨而過，橋臺位置根據穩定邊坡確定。全橋孔跨布置采用(100 m+100 m)T形剛構+1-32 m簡支梁，全橋長245.5 m。對于高墩大跨橋，T形剛構的整體性、結構受力性能好，橫橋向抗推剛度及抗扭剛度大，有利于懸臂施工的橫向抗風要求，同時節省大噸位支座以及后期維修養護。全橋立面見圖1。

圖1 前王家山2號大橋立面(單位：m)

2.2 上部結構設計

2.2.1 主梁構造

主梁采用C55混凝土，封端采用C55無收縮混凝土。梁體為變截面箱梁，單箱單室直腹板。中支點處箱梁梁高11.4 m，跨中及梁端梁高4.5 m，梁底下緣采用2次拋物線過渡，拋物線起點距離梁端13 m處，終點距離主墩中心線6 m處。箱梁頂寬12.48 m，箱梁底寬7.4 m，主墩處箱梁底寬加寬至7.9 m。頂板厚度除支點處外均采用35 cm，底板厚度50～120 cm，腹板厚度55～100 cm。箱梁頂板處設置120 cm×40 cm梗脅，底板處設60 cm×30 cm梗脅。根據梁體受力及鋼束張拉錨固布置的要求，梁體內底板相應位置處設有鋸齒板。梁體在支點處共設置4道橫隔板，端部橫隔板厚1.6 m，空心墩處設置2道厚為1.6 m的橫隔板并與空心墩墩身正對，隔板處設進人洞，梁端進人洞位置結合鄰跨簡支梁隔板空洞位置確定，以方便檢查人員進入。箱梁腹板每隔200 cm左右設φ100 mm通風孔。在中支點橫隔板兩側底板設置內徑為100 mm的泄水孔。主梁采用C55混凝土。梁體截面見圖2。

圖2 主梁截面(單位：cm)

梁頂面及鋼筋均按水平布置，梁體澆筑時一并澆筑同強度等級混凝土形成橫向2%的排水坡。為避免橋面混凝土出現裂縫，在橋面設置HRB335抗裂鋼筋網，鋼筋直徑7 mm，間距15 cm。

主梁0號段長度18 m，中間懸澆各段長度3～4 m，合龍段長度2 m，最大懸澆質量255 t。

2.2.2 墩梁固結區構造

墩梁固結區是T構橋的重要構造之一，是傳遞荷載、擴散應力的關鍵部位[3]。設計中有必要進行局部應力分析，以優化此部位的結構形式，使受力更加合理有利。設計利用ANSYS軟件建立空間模形，選取剛臂墩頂縱向2×12 m主梁及10 m墩身范圍建立空間模型，對墩梁固結部位進行局部應力分析。采用solid45號單元，因模型對稱性為減小求解規模在墩頂對稱取用一半模型，共用14 526個節點及62 353單元。局部應力分析模型詳見圖3。

圖3 墩梁固結空間分析模型

計算結果表明，空間結構應力分析與平面分析結果吻合較好，在縱向預應力作用下箱梁截面受力較為均勻。主應力計算結果顯示，除預應力的錨固點、橫隔板、箱梁截面倒角處的局部應力集中位置外，主拉應力都比較小，整個梁體的應力狀態滿足梁體結構設計要求，出現應力集中的范圍較小。同時設計中通過增設橫隔板的橫、豎向預應力改善受力狀況。

2.2.3 梁體預應力體系

梁體采用三向預應力體系。縱向預應力采用9、15、19φ15.2 mm鋼絞線，抗拉強度標準值為1860 MPa，其技術條件符合GB/T5224—2003標準，管道形成采用金屬波紋管；橫向預應力采用4φ15.2 mm鋼絞線，扁形金屬波紋管成孔，在頂板間隔50 cm布置，在支點隔板及墩梁固結處也布置有橫向鋼束；豎向預應力采用φ32 mm高強度精軋螺紋鋼筋，抗拉強度標準值830 MPa，采用內徑45 mm鐵皮管成孔，在腹板間隔50 cm布置，除中支點兩側各約35 m范圍設置2排外，其余范圍設置單排。為減少收縮徐變對大跨梁變形的影響，要求縱向預應力在梁體混凝土強度及彈性模量達到設計值的100%后進行張拉，且必須保證張拉時梁體混凝土齡期大于7 d。主梁縱向鋼束布置見圖4。

圖4 主梁縱向鋼束布置(單位：m)

為確保墩梁固結處的受力安全，除頂板外，在橫隔板及底板布置橫向鋼束，在腹板布置2道豎向預應力筋，豎向預應力筋伸入主墩5.0 m。墩梁固結處橫豎預應力鋼筋布置見圖5。

圖5 墩梁固結處橫豎向鋼束布置(單位：cm)

2.2.4 主梁設計指標

主橋采用MIDAS和橋梁博士2種程序進行靜力計算。結構變形、變位及自振頻率等指標要求均按《新建時速200 km客貨共線鐵路設計暫行規定》[4](以下簡稱“暫規”)控制。最大靜活載撓度-30 mm，為跨度的1/3 333，參照《暫規》中96 m跨度的限值1/900，滿足要求；中-活載作用下梁端豎向折角1.39‰，小于限值3‰；在列車橫向搖擺力、風力和溫度力作用下，梁體的水平撓度11.6 mm，為跨度的1/8 620，小于限值1/4 000。截面應力及強度計算結果見表1。

表1 主梁應力及強度計算結果

2.2.5 上部結構設計特點

(1)施工方案選擇

本橋主梁采用懸澆法施工，因跨度較大，所以主梁墩頂負彎矩較大，同時主墩承受較大的恒載。上述情況均有可能成為設計控制因素，為此盡量減少懸澆長度的施工方法對本橋顯得很重要。本橋結合現場地形，主梁兩端各設置了長達19 m的現澆段，大大減少了懸澆長度，降低了主梁的墩頂負彎矩和主墩承受的豎向恒載，取得了良好的效果。

(2)鋼束布置優化

為避免豎向預應力筋損失過大引起的腹板主應力狀態惡化導致的大跨度主梁下撓增大，每個懸澆節段的每側腹板均設置2束下彎鋼束，同時鋼束盡量向底板方向延伸。設計中綜合考慮頂板和腹板縱向鋼束布置，經優化，在頂板豎向只布置1排縱向束，因此，頂板厚度不受構造控制，而按受力需要采用35 cm厚。頂板厚度減薄后結構圬工量減少，自重降低，整體改善了梁體受力狀態。該橋梁部混凝土每延米19.9 m3，鋼束每延米1 286 kg，在相近跨度的類似結構中是較為節省的。

(3)收縮徐變控制

近幾年，在我國修建的大跨連續梁(剛構)橋中，箱梁跨中下撓病害較為普遍，其中徐變是重要的影響因素[5]。徐變變形隨時間的增長而增大，一般前3年影響較大，3年過后變形減緩。初始加載齡期越短徐變速率對撓度的后期影響越大，隨時間的增長混凝土梁的剛度越來越大，初始加載齡期在60 d時徐變速率對撓度的后期影響非常小[6]。為減小徐變的影響，主梁設計時盡量減小上、下緣的恒載應力差，使梁體在恒載作用下趨近于軸壓狀態。經計算本橋二期恒載上橋時間按全聯合龍后90 d計算，理論計算殘余徐變拱度值跨中為-7.7 mm，滿足使用要求。

2.3 下部結構設計

2.3.1 主墩構造

主墩采用矩形空心墩，墩頂及墩底分別設置2 m和10.2 m的實體段，下端實體段的高度主要結合河道百年水位確定。主墩墩高47.5 m，墩身縱向上下等寬，寬度為10 m；橫向為變寬設計，墩頂橫向寬度7.9 m，底寬14.4 m。墩頂縱、橫向壁厚分別為1.6 m、1.4 m。縱向內坡為直坡；橫向外坡為14∶1，橫向內坡為18∶1。墩底以上10 m設置圓包頭。墩底實體段頂部對稱設2個排水孔，其上每隔4 m在墩身周圍交錯設置通風孔，直徑0.2 m，孔口用鋼筋織成的井字網封護。墩身材料分界線(梁底以下2 m)以下采用C50混凝土，以上采用與梁體同強度等級的C55混凝土。為提高墩底實體段及墩頂與梁體相接段混凝土的抗裂性及耐久性，在上述部位采用纖維混凝土。主墩構造見圖6。

圖6 主墩構造(單位：m)

在確定該橋主墩形式時，分別對矩形空心墩和雙壁墩進行了動、靜力分析，經過計算分析比較后，確定采用矩形空心墩，其優點如下：矩形空心墩的縱、橫向剛度及抗扭剛度大，增加了懸臂施工及最大懸臂時的安全度；在橋墩縱、橫向位移及橫向剛度基本一致的前提下，雙壁墩較矩形空心墩截面尺寸大，導致基礎圬工量增加；空心墩橫向自振頻率明顯優于雙壁墩；張家鄢溝百年設計流量854 m3/s，山區溝道洪水來勢兇猛，加帶大量泥石，采用墩底設置實體段的空心墩更有利于保證橋墩安全。

2.3.2 主墩基礎

橋址區大部分分布三疊系上統砂巖、泥質砂巖、砂質泥巖，基本承載力400～800 kPa；局部表覆第四系全新統人工堆積層、上更新統風積層新黃土及第四系上更新統坡積層粗角礫土，中更新統風積層老黃土，基本承載力60～550 kPa。主墩采用鉆孔樁基礎，樁徑2 m，共20根，樁長27 m，樁尖嵌入800 kPa砂巖，按柱樁設計，樁間距按《鐵路橋涵地基與基礎設計規范》[7]控制，采用4.2 m。承臺尺寸17.9 m(縱)×24.2 m(橫)，承臺厚度5 m。

2.4 抗震分析

采用MIDAS建立模型，對主橋多遇地震作用下的地震力采用反應譜法進行分析并檢算橋墩和基礎，因本橋地震烈度較低，地震作用不控制設計。采用簡化方法進行延性驗算，結果滿足《鐵路工程抗震設計規范》[8]要求。根據震規要求，本橋提高一級按7度設置抗震措施。同時主墩鋼筋布置執行震規提出的延性配筋要求。

3 主橋縱橫向剛度及動力特性

3.1 自振頻率

主橋的自振頻率在很大程度上能反映出主橋剛度的大小，也就反映出主橋的動力特性，因此，分析主橋動力特性時應首先要準確地計算主橋的自振頻率及各階頻率對應的振形特點。經分析計算，主橋前10階自振頻率的計算結果及相應振形特性見表2。

表2 前10階自振頻率及相應振形

3.2 縱橫向剛度

3.3 車橋耦合動力仿真分析

采用空間有限元方法建立其全橋動力分析模型，考慮了橋墩與基礎的影響，對橋梁在C62貨車、SS8牽引準高速車輛、國產先鋒號動力分散式動車組、中華之星動力集中式車組作用下的車橋空間耦合振動進行了分析，評價了橋梁的動力性能以及列車運行安全性與舒適性(平穩性)。主要結論如下：C62貨物列車、SS8牽引準高速列車集中式動車組通過橋梁時，列車運行安全性得到保障；在C62貨物列車以60～80 km/h速度運行時，機車車輛豎向與橫向運行平穩性均達到“良好”；速度達到90 km/h時，其橫向運行平穩性為“合格”；在SS8牽引準高速列車以160～180 km/h速度運行時，車輛豎向與橫向行車舒適度均能夠達到“良好”；速度200 km/h運行時，車輛豎向舒適度能達到“良好”，橫向舒適性為“良好”。

4 結語

前王家山2號大橋為太中銀鐵路重點控制工程之一，目前該橋已順利建成通車，通過運營表明：全橋工作狀態良好，滿足運營要求。該橋是目前我國時速200 km及以上鐵路最大跨度的T形剛構橋梁，該橋的建設對國內的鐵路高墩大跨橋有重大意義，同時對提升修建山區鐵路的綜合技術水平起了一定的作用，也給山區鐵路選線提供了較大的空間。

[1] 左家強.太中銀鐵路橋梁設計綜述[J].鐵道標準設計，2009(12)：33-41.

[2] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設函[2003]205號 新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規定[S].北京：北京：中國鐵道出版社，2003.

[3] 饒少臣.大跨高墩T構鐵路橋設計研究[J].鐵道標準設計，2005(11)：52-56．

[4] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2005]285號 新建時速200公里客貨共線鐵路設計暫行規定[S].北京：中國鐵道出版社，2005．

[5] 馮鵬程.連續剛構橋設計關鍵技術問題的探討[J].橋梁建設，2009(6)：46-49．

[6] 劉凱.京津城際(80+128+80)m預應力連續梁設計[J].鐵道標準設計，2007(2)：19-22．

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基與基礎設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005．

[8] GB50111—2006 鐵路工程抗震設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2006．

[9] 中華人民共和國鐵道部.建鑒[1992]93號 關于南昆鐵路四座大橋橫向剛度的補充技術要求[S].北京：中華人民共和國鐵道部，1992．

[10] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005．