并行地段鐵路斜交連續(xù)剛架橋設(shè)計研究

陳兆毅　王艷軍

(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津　300142； 2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院，天津　300074)

1　工程背景

本文設(shè)計橋梁為新建鐵路單線橋梁，結(jié)構(gòu)位于7 000 m曲線半徑的緩和曲線上，與既有鐵路并行。受客觀條件的限制，新線與既有線線間距最小處僅為5.6 m，既有鐵路橋梁結(jié)構(gòu)為(9.075+17.8+9.075) m斜交連續(xù)剛架橋，線路與既有公里斜交(法向角度為20°)。

2　設(shè)計方案比選

2.1　設(shè)計方案確定

考慮與既有結(jié)構(gòu)對孔布置且線路縱坡較低等客觀因素的影響，設(shè)計方案主要對以下三種結(jié)構(gòu)形式進行了比選，分別為：三孔框構(gòu)橋、兩端設(shè)置橋臺連續(xù)剛構(gòu)橋及連續(xù)剛架橋。

三孔框構(gòu)橋優(yōu)點：框構(gòu)橋具有建筑高度低、斷面輕巧，總體布置靈活，對地基承載力要求低，抗震性能好，板與墻在交接處均為剛性連接，形成推力的自身平衡等優(yōu)點。但框構(gòu)橋在施工過程中需要斷開道路，影響交通。本工點存在大量地下管線，修建框構(gòu)橋存在很大困難，且與既有結(jié)構(gòu)銜接較為困難。

兩端設(shè)置橋臺斜交剛構(gòu)連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)形式：中間橋墩與梁部固接，邊墩和橋臺用活動支座與梁部相連接。該結(jié)構(gòu)整體性能強、結(jié)構(gòu)剛度大、抗震性能好。由于邊墩和橋臺用活動支座與梁部相連接，使結(jié)構(gòu)在溫度跨度較大的邊墩和橋臺處不受溫度力的影響，大大改善了結(jié)構(gòu)的受力狀況。但本結(jié)構(gòu)需要設(shè)置橋臺，與既有結(jié)構(gòu)對接不順暢，且圬工量較大。

三孔連續(xù)剛架橋外形美觀，結(jié)構(gòu)尺寸小，橋下凈空大，橋下視野開闊。剛架橋的主梁與墩之間采用剛性連接，在豎向荷載作用下，主梁端部將產(chǎn)生負彎矩，從而減小了主梁跨中的正彎矩，跨中截面尺寸可相應(yīng)減小。結(jié)構(gòu)整體性能強、結(jié)構(gòu)剛度大、抗震性能好，與既有結(jié)構(gòu)銜接順暢，避免了施工期間影響道路交通的問題，對地下管線不產(chǎn)生影響。

通過對以上三種結(jié)構(gòu)的對比分析，三孔連續(xù)剛架橋為比較合理的設(shè)計方案。

2.2　具體橋梁方案的設(shè)計

(1)結(jié)構(gòu)尺寸的擬定

考慮與既有結(jié)構(gòu)對孔，本結(jié)構(gòu)跨度設(shè)置為(9+19+9) m，與道路法向夾角為20°。考慮邊跨跨度較小，在梁高的設(shè)置上比中跨梁高小30 cm，符合本剛架橋的受力特點。本結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，溫度變化效應(yīng)會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的附加力，且邊墩需要抵抗土的側(cè)向壓力。為減小邊墩及其基礎(chǔ)的荷載，適當對中墩進行了加厚，以減小溫度效應(yīng)邊墩的影響，使結(jié)構(gòu)的受力更為合理。結(jié)構(gòu)尺寸見圖1和圖2。

圖1　新建連續(xù)剛架橋立面圖(單位：cm)

圖2　新建連續(xù)剛架橋與既有結(jié)構(gòu)關(guān)系平面圖(單位：cm)

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題及難點

三跨連續(xù)剛架橋?qū)儆诔o定結(jié)構(gòu)，并且本橋與既有結(jié)構(gòu)相接，在設(shè)計上存在一定的特殊性，因而在設(shè)計過程中存在以下關(guān)鍵問題及難點：

①新建鐵路線與既有鐵路線線間距很小，因此新建橋梁與既有結(jié)構(gòu)存在相接的關(guān)系，在新建橋梁設(shè)計上應(yīng)注意避免對既有結(jié)構(gòu)的干擾，這樣就對新建橋梁的結(jié)構(gòu)形式有了一定的限制，例如結(jié)構(gòu)偏心受載等，如何解決這些問題也是本橋設(shè)計的一個關(guān)鍵問題及難點。

②本結(jié)構(gòu)為斜交結(jié)構(gòu)，如何對結(jié)構(gòu)進行合理的配筋設(shè)計也是本橋設(shè)計的關(guān)鍵問題。

3　設(shè)計計算與關(guān)鍵問題分析

3.1　計算方法

本橋斜交角度較大，采用簡化的平面計算模型已經(jīng)不適合，故通過橋梁設(shè)計大型有限元軟件MIDAS/Civil，采用空間厚板單元，建立有限元整體模型進行受力分析，梁部、剛壁墩及承臺均采用空間板單元，樁基礎(chǔ)采用彈簧剛度模擬作為結(jié)構(gòu)邊界條件，見圖3。考慮的荷載包括自重、溫度梯度、整體升降溫、恒載側(cè)向土壓力、活載側(cè)向土壓力、混凝土收縮徐變、列車中—活載、基礎(chǔ)沉降等。

圖3　有限元計算模型

3.2　混凝土收縮及溫度力的控制

本結(jié)構(gòu)四處剛壁墩與梁體剛接，屬于典型的超靜定結(jié)構(gòu)，對混凝土收縮、徐變及溫度效應(yīng)的影響非常敏感。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》的規(guī)定：超靜定結(jié)構(gòu)混凝土收縮的影響，可按降低溫度的方法來計算。對于整體澆筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，相當于降低溫度15 ℃，對于分段澆筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，相當于降低10 ℃。為降低混凝土收縮對于本結(jié)構(gòu)的不利影響，在施工過程中采用分段澆筑的施工方法，在邊跨及中跨處設(shè)置合龍段。

為降低整體升降溫對本結(jié)構(gòu)的影響，將本橋施工合龍溫度設(shè)定為3～4 ℃，溫度力按整體溫升20 ℃、整體溫降-15 ℃計，將溫度效應(yīng)影響降為最低。

3.3　基礎(chǔ)偏壓計算分析

新建橋與既有橋梁結(jié)構(gòu)相接，為避免新建結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的干擾，根據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.5—2005)規(guī)定：鉆孔灌注摩擦樁的中心距不應(yīng)小于2.5倍成孔樁徑。根據(jù)該規(guī)定，本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)橫橋向相對于結(jié)構(gòu)本身為非對稱設(shè)置。另外，由于新建線路與既有線線間距較小，由列車活載產(chǎn)生的橫橋向偏壓很大，使結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)產(chǎn)生了很大的橫向彎矩，對基礎(chǔ)設(shè)計造成了相當大的困難，尤其是在主力組合作用下，樁基礎(chǔ)容易出現(xiàn)上拔力，這在鐵路基礎(chǔ)設(shè)計中是不允許的。為了解決這一難題，本橋在設(shè)計中通過調(diào)整基礎(chǔ)的形式并進行比較分析，找到解決該問題的最優(yōu)方案。

(1)方案一：加大基礎(chǔ)尺寸、梁體整體加寬

①基礎(chǔ)形式

結(jié)構(gòu)之所以產(chǎn)生偏壓，主要是因為基礎(chǔ)中心與結(jié)構(gòu)重心之間存在較大的偏心，為克服這一不利因素的影響，本方案采用了加大承臺尺寸，梁體及橋墩也適當加寬的方法。通過采取這些措施，來減小基礎(chǔ)中心與結(jié)構(gòu)重心的偏心距離，見圖4。

圖4　方案一：基礎(chǔ)形式布置(單位：cm)

②樁頂外力計算結(jié)果

通過Midas整體模型計算所得反力，計算墩基礎(chǔ)主力組合作用下樁頂外力見表1、表2。

表1　邊墩主力組合作用下樁頂外力計算結(jié)果

表2　中墩主力組合作用下樁頂外力計算結(jié)果

從表1、表2中可發(fā)現(xiàn)，本橋在主力組合作用下，樁基軸向力最小為14.5 kN，為壓力，樁基未出現(xiàn)上拔力，符合規(guī)范限值要求。

(2)方案二：減小基礎(chǔ)尺寸、梁體寬度減小

①基礎(chǔ)形式

本結(jié)構(gòu)樁基之所以容易產(chǎn)生上拔力，主要原因為結(jié)構(gòu)本身存在偏壓，另外本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式相對輕巧，對樁基的壓重不足。因此本方案適當減小了樁基根數(shù)，以提高單根樁基的軸向壓重，以達到克服上拔力的目的。

②樁頂外力計算結(jié)果

通過Midas整體模型計算所得反力，計算墩基礎(chǔ)主力組合作用下樁頂外力，見表3、表4。

本橋在主力組合作用下，樁基軸向力最小為179.4 kN，為壓力，樁基未出現(xiàn)上拔力，符合規(guī)范限值要求。

(3)方案比較結(jié)論

通過對以上兩個方案的的計算分析，兩個方案均可滿足設(shè)計要求，但由于本橋位于單線鐵路上，方案一加大了基礎(chǔ)尺寸及整個結(jié)構(gòu)的橫橋向?qū)挾龋c路基銜接不順暢，相對于方案二既不美觀也造成了較大的浪費。經(jīng)過比較，方案二為更優(yōu)方案。

表3　中墩主力組合作用下樁頂外力計算結(jié)果

表4　中墩主力組合作用下樁頂外力計算結(jié)果

3.4　結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計要點

本橋斜彎剛架連續(xù)梁的受力復雜，圖5為“主力”荷載工況下L橋的Mxx彎矩內(nèi)力圖，梁體在主跨鈍角區(qū)受力明顯加大。因此，本橋除按照常規(guī)的設(shè)計方法對結(jié)構(gòu)進行配筋設(shè)計外，根據(jù)其受力特點，在配筋設(shè)計上具有特殊性，在設(shè)計上應(yīng)予以重視。

圖5　“主力”荷載工況下L橋的Mxx彎矩內(nèi)力(單位：kN·m)

(1)梁體鈍角區(qū)應(yīng)力集中

圖6　中跨板頂應(yīng)力(單位：MPa)

通過計算分析得出斜交剛架橋頂板跨中出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，剛架連續(xù)梁的墩、梁固結(jié)處，承受主梁板的負彎矩及墩梁斜交引起的斜彎及扭矩，故在墩、梁固結(jié)處梁板的鈍角區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力集中，在中跨側(cè)尤為明顯，應(yīng)力分布見圖6、圖7。為了解決鈍角區(qū)局部應(yīng)力集中問題，鈍角處應(yīng)適當增大配筋，配置鋼筋網(wǎng)，控制應(yīng)力以滿足規(guī)范要求。

圖7　中跨板底應(yīng)力(單位：MPa)

(2)邊墩與梁體結(jié)合處隅角配筋

本橋邊墩與梁體固結(jié)，邊墩較中墩增加了承受側(cè)向土壓力荷載，使該隅角區(qū)域受力較大，在配筋設(shè)計中需要注意通節(jié)點外緣鋼筋必須繞過隅角后方可錨固，并根據(jù)計算增加主筋及其他鋼筋布置，以解決局部應(yīng)力集中的問題。

4　結(jié)論

(1)多孔剛架橋結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，因此控制混凝土收縮、溫度變化效應(yīng)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加力的影響對該類橋梁的設(shè)計意義重大，在施工條件允許的情況下，采取對結(jié)構(gòu)分段澆筑是一種有效解決該問題的方法。

(2)受既有結(jié)構(gòu)的限制影響，結(jié)構(gòu)形式比較特殊，樁基礎(chǔ)容易出現(xiàn)上拔力。為了解決這一難題，本橋在設(shè)計中通過調(diào)整基礎(chǔ)及樁基的布置形式，找到了解決該問題的最優(yōu)方案。

(3)本橋受力比較復雜，在配筋設(shè)計中，需要考慮鈍角區(qū)應(yīng)力集中問題及墩梁固結(jié)角隅處受力，對該區(qū)域加強配筋。

[1]TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S]

[2]TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

[3]鄔曉光，邵新鵬，萬振江.剛架橋[M].北京：人民交通出版社，2001

[4]蘇偉，王俊杰.秦沈客運專線剛構(gòu)連續(xù)梁橋設(shè)計[J].鐵道標準設(shè)計，2001(11):12-14

[5]馬勝雙.鐵路客運專線斜交剛構(gòu)連續(xù)粱橋設(shè)計研究[J].鐵道標準設(shè)計，2005(11):12-16

[6]TB10002.5—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]

[7]李風芹，馬勝雙，王俊杰.客運專線斜交剛構(gòu)連續(xù)梁橋研究[J].鐵道標準設(shè)計，2007(2)：29-32

[8]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社，2003

[9]王文濤.剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋[M].北京：人民交通出版社，1995

[10] 張成志，史文勝.剛構(gòu)連續(xù)梁高溫合龍?zhí)幚泶胧┡c體會[J].鐵道工程學報，2006(10)：46-48