拉日鐵路雅魯藏布江3號特大橋設(shè)計分析

劉宗峰

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

1 工程概況

拉薩至日喀則鐵路雅魯藏布江3號特大橋是為線路第三次跨越雅魯藏布江大峽谷而設(shè),是峽谷區(qū)規(guī)模最大橋梁。橋址位于峽谷開闊區(qū),橋址處江面寬約280 m,海拔3 790 m,河道水流下切強烈。線路于IDK163+620～+794跨越雅魯藏布江,于IDK164+195～+205處斜交54°上跨318國道,318國道來往車輛頻繁。橋位附近風沙大,有滑坡、泥石流洪積扇堆積區(qū)、風積沙覆蓋層等。地震基本烈度八度(峰值加速度值0.20g,反應(yīng)譜特征周期0.45 s)。線路采用國鐵Ⅰ級,列車速度160 km/h,單線橋,橋上最大縱坡10.0‰,全橋鋪設(shè)無縫線路。

2 橋梁孔跨及主橋方案的確定

控制主跨的主要因素為雅江江面寬度,基于減少深水橋墩個數(shù),以及高地震烈度區(qū)軌道溫度對聯(lián)長限制的綜合考慮,橋梁主跨最終按(88+148+88) m考慮。結(jié)合地形及立交控制點等,橋梁孔跨布置采用16-32 m簡支梁+(88+148+88) m梁+19-32 m簡支梁,橋梁全長近1.5 km(圖1)。橋址處屬高烈度地震區(qū),橋梁宜采用上部結(jié)構(gòu)輕型化及抗震性能較好的結(jié)構(gòu)。由于梁高不受控制,排除拱結(jié)構(gòu)體系；本線存在鋼梁加工運輸困難的因素,排除鋼梁結(jié)構(gòu);排除其他幾種主要橋型后,主跨最終按部分斜拉橋和連續(xù)剛構(gòu)橋考慮。

圖1 雅魯藏布江3號特大橋立面(單位：m)

2.1 (88+148+88) m部分斜拉橋方案

橋高約56 m,鐵路橋?qū)π熊嚨氖孢m性和平順性要求高,活載效應(yīng)大,加之部分斜拉橋梁部質(zhì)量大,因此采用塔墩梁全固結(jié)體系。主塔采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),橋塔塔柱為實心矩形截面,順橋向長4.0 m,橫橋向?qū)?.7 m。梁頂以上橋塔有效高度21 m,約為主跨的1/7.05。跨中無索區(qū)長度12 m。斜拉索為雙索面,采用鋼鉸線索,塔上斜拉索索距1 m,梁上斜拉索索距5.5 m,如圖2所示。

圖2 (88+148+88) m部分斜拉橋方案(單位：m)

2.2 (88+148+88) m連續(xù)剛構(gòu)橋方案

連續(xù)剛構(gòu)橋型,主墩無需大噸位支座,因橋梁較高,順橋向抗推剛度小,能有效地減小溫度、收縮徐變和地震的影響。高墩、大跨度的結(jié)構(gòu)剛度控制采用車橋耦合分析結(jié)果及自振周期雙控制的原則。目前，我國采用橫向自振周期不大于1.7 s的標準來控制[8]。經(jīng)對連續(xù)剛構(gòu)抗震分析計算,在適當加強下部結(jié)構(gòu)的情況下,能夠滿足抗震要求。如圖3所示。

圖3 (88+148+88) m連續(xù)剛構(gòu)橋方案(單位：m)

2.3 橋式方案的比選結(jié)論(表1)

表1 橋式方案比選

綜合以上比較,連續(xù)剛構(gòu)方案從施工方法,經(jīng)濟因素等多方面都優(yōu)于斜拉橋方案,連續(xù)剛構(gòu)橋剛度大、變形小、動力性能好,主梁變形撓曲線平緩,利于行車。雅魯藏布江3號特大橋主橋最終按(88+148+88) m連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計。

3 主跨(88+148+88) m連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計

3.1 上部結(jié)構(gòu)

主梁采用單箱單室變高度直腹板箱形截面,梁高5.8～11.0 m,梁底變化段曲線為2.0次拋物線。箱梁頂寬9.0 m,箱梁底寬7.4 m,單側(cè)懸臂長0.8 m,頂板厚0.4～0.9 m,腹板厚0.5～1.0 m,底板厚0.45～0.95 m。梁體采用C55混凝土。箱梁在主墩及邊墩墩頂設(shè)置橫隔墻,采用懸掛吊籃法施工。箱梁斷面如圖4、圖5所示。

圖4 1/2支點和跨中構(gòu)造斷面(單位：cm)

預(yù)應(yīng)力體系：箱梁采用全預(yù)應(yīng)力理論設(shè)計。梁體采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。縱向按全預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計。縱、橫向預(yù)應(yīng)力采用鋼絞線,豎向采用精軋螺紋鋼筋。

3.2 下部結(jié)構(gòu)

主墩采用圓端形空心橋墩,實體部分高約13 m,空心部分墩高約27 m,壁厚0.65～1.38 m；墩頂截面最小,為縱×橫=6 m×7.4 m圓端形截面。主橋下部結(jié)構(gòu)尺寸見表2。

表2 主橋下部結(jié)構(gòu)尺寸

圖5 1/2支點和跨中鋼束布置(單位：cm)

3.3 結(jié)構(gòu)計算3.3.1 計算參數(shù)及荷載

環(huán)境相對濕度70%；恒載包括結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)備自重、預(yù)加力、基礎(chǔ)變位影響力等；二期恒載采用78 kN/m；活載采用中-活載,設(shè)計活載動力系數(shù)1.0；溫度力升溫按20 ℃考慮,降溫按25 ℃。橋面板升溫5 ℃對結(jié)構(gòu)的影響；基礎(chǔ)不均勻沉降值取1 cm；施工掛籃按1 000 kN計算；地震基本烈度8度(地震動峰值加速度Ag=0.2g,T=0.45 s)。

荷載組合根據(jù)相關(guān)規(guī)范分別按主力組合和主力+附加力組合進行組合驗算,并對特殊荷載按規(guī)范進行組合驗算。

3.3.2 結(jié)構(gòu)靜力計算

(1)總體平面桿系模型：采用西南交大編制的《橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)》(BSAS)程序?qū)ο淞哼M行施工階段和運營階段的縱向平面靜力分析計算。全橋共劃分單元133個,節(jié)點136個。結(jié)合施工流程,共劃分為69個施工階段,第69階段為使用階段。結(jié)構(gòu)模型圖如圖6所示

主要靜力計算結(jié)果：運營階段彎矩包絡(luò)圖如圖7所示,運營階段剪力包絡(luò)圖如圖8所示。具體數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示,其各項指標均滿足規(guī)范要求。

圖6 剛構(gòu)橋有限元計算簡圖

圖7 運營階段彎矩包絡(luò)圖(主+附)(單位：kN·m)

圖8 運營階段剪力包絡(luò)圖(主+附)(單位：kN)

運營階段主力容許值主+附容許值項目計算值上緣最大應(yīng)力/MPa117918513682035運營荷載作用下預(yù)應(yīng)力鋼束最大應(yīng)力比06上緣最小應(yīng)力/MPa11901060靜活載中跨豎向最大撓度/cm14下緣最大應(yīng)力/MPa96918511042035靜活載邊跨豎向最大撓度/cm12下緣最小應(yīng)力/MPa26600920施工階段上緣最大應(yīng)力/MPa1213最大主應(yīng)力/MPa1242221432222施工階段下緣最大應(yīng)力/MPa1142最小主應(yīng)力/MPa1153312833施工階段上緣最小應(yīng)力/MPa123強度安全系數(shù)231222182施工階段下緣最小應(yīng)力/MPa059容許值≤06≤211≤11≤222≤-18(拉)

(2)橫向計算

主要用于箱梁橫向環(huán)框靜力計算。順橋向截取1.0 m長度,分箱梁施工、橫向預(yù)應(yīng)力束張拉、二期恒載施工及運營4個階段計算。計算按箱梁自重、橋面二期恒載、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、活載、箱梁內(nèi)外溫差等荷載進行荷載組合驗算。根據(jù)結(jié)果,豎向設(shè)φ32 mm PSB830螺紋粗鋼筋,橫向設(shè)4φ15.2 mm鋼絞線,間距均為50 cm。

3.3.3 結(jié)構(gòu)動力計算

以MIDAS( Civil)程序建立空間桿系模型進行全橋動力分析計算,全橋共劃分單元152個,節(jié)點157個；定義3種PC材料類型；截面共56個,變截面8組。靜力荷載工況3組,反應(yīng)譜荷載工況2組。組合各種不同類型荷載及工況進行計算。

采用有限元數(shù)值方法對大橋進行自振特性(頻率、振型、阻尼)分析,前10階振型見表4。

表4 雅魯藏布江3號特大橋(88+148+88) m主橋振型特征

按照《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50111—2006)規(guī)定,本橋?qū)儆贐類橋梁。按B類橋梁計算要求,通過有限元模型進行計算,得出有車、無車等各種工況下的地震力,代入橋墩進行驗算,全橋以剛構(gòu)橋進行計算,計入橋墩基礎(chǔ)剛度。橋墩的主要計算結(jié)果如表5所示。

表5 橋墩主要計算結(jié)果

3.3.4 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

主墩與梁固結(jié)，邊墩支座通過計算結(jié)果采用TQGZ-7000系列球形鋼支座，每個支點設(shè)2個支座，邊跨支座中心線距離梁端0.75 m，距離橋梁中心線2.75 m。為減小地震對橋梁的破壞影響，在兩個邊墩支座處設(shè)防震鋼料，在鋼料和支撐墊石間填塞緩沖橡膠墊塊。當?shù)卣鸢l(fā)生時，防震鋼料限制了箱梁邊跨梁端的位移，使箱梁產(chǎn)生的慣性力由主墩承擔改為由主墩與邊墩共同承擔，并且鋼料能產(chǎn)生塑性變形，耗散輸入橋梁中的能量。這就有效的降低了地震對主墩的作用力。緩沖橡膠墊塊的設(shè)置能延長作用時間，減小了作用力，對橋梁抗震起到很好的作用。防震鋼料及緩沖橡膠墊塊具體如圖9所示。

圖9 邊墩預(yù)埋抗震鋼料

在橋墩抗震中,利用結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的彈塑性變形循環(huán)耗散掉大量的地震輸入能量,即利用塑性鉸減小地震力,同時延長結(jié)構(gòu)自振周期,從而減小地震反應(yīng)。采用延性抗震的設(shè)計理念在橋梁抗震設(shè)計中是非常科學的。

根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50111—2006)2009年版附錄F提供的橋墩延性設(shè)計簡化計算方法。由MIDAS(Civil)模型,代入反應(yīng)譜計算得到的罕遇地震下墩身截面最大彎矩Mmax,由橋墩加強后的配筋率反算出鋼筋屈服時候的橋墩屈服彎矩My。代入橋墩的非線性位移延性比與線性彎矩比的公式,得出非線性位移延性比μm,詳細計算數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 非線性位移延性比μm計算數(shù)據(jù)

非線性位移延性比μu<4.8,滿足規(guī)范延性驗算的要求。在橋墩根部塑性鉸區(qū)域加強箍筋及拉筋的設(shè)置,使橋墩根部很好起到鉸的作用(圖10)。

圖10 建設(shè)中的雅魯藏布江3號特大橋

4 結(jié)語

本橋橋址工程地質(zhì)條件差，橋跨周圍受控因素較多。通過詳細的勘察及設(shè)計，選出了較為合理的橋型及構(gòu)造。目前，主橋下部施工已經(jīng)完成，大橋主梁已于2013年6月23日合龍。本橋在結(jié)構(gòu)選型及連續(xù)剛構(gòu)的設(shè)計計算分析中，利用Bsas及midas等軟件建立模型，實現(xiàn)了設(shè)計計算的精確化模擬，將“減隔震設(shè)計”思想很好地運用到了設(shè)計中，為同類型橋梁設(shè)計積累了經(jīng)驗，為以后同類型橋梁方案比較及設(shè)計提供參考。

[1] 拉薩至日喀則鐵路雅魯藏布江3號特大橋施工圖文件[Z].西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,2010.

[2] 拉薩至日喀則鐵路初步設(shè)計文件[Z].西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,2010.

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