山西中南部鐵路斜交剛構連續梁橋設計

孟慶濤

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司， 北京　100055)

1　工程概況及斜交剛構連續梁特點

山西中南部鐵路通道是國內第一條軸重為30 t，以貨運為主的大能力鐵路運輸線，起點為山西省呂梁市興縣瓦塘鎮，終點為日照港，全長1 260 km。受鐵路線形及最小曲線半徑影響，當鐵路跨越既有道路和河流時往往以斜交形式通過。

鐵路上常采用斜交正做的簡支梁橋、連續梁橋或斜交框架構橋等結構形式橋梁，跨越斜交的道路、河流。受立交凈空要求、布跨條件和線路縱坡等限制，簡支梁橋和連續梁橋通常以增大跨徑的方式來滿足斜交角度的要求，但跨度的增大往往引起結構高度的增加，使線路控制高程和橋梁長度也隨之增加，從而引起工程投資的增加，而且結構形式往往不能滿足斜交道路與河流產權單位的要求[6]。

為解決此類矛盾，可采用斜交剛構連續梁來滿足鐵路運輸發展的新要求。斜交剛構連續梁中間橋墩與梁部固接形成剛壁墩，增強了橋梁的整體性和抗震性，由于剛壁墩不需要設置橋梁支座，也就降低了日后養護維修費用，斜交剛構連續梁橋的墩臺可斜交斜做，鐵路能以既有道路、河流的實際夾角跨越，可以保持橋下道路視距順暢，并有效減小結構高度和工程造價。以萊蕪特大橋跨海珠路為例，主跨用于跨越23 m寬機動車道，次跨用于跨越10 m寬非機動車道，沿中間綠化帶斜向布置剛壁墩。如采用連續梁橋，因橋墩寬度較大無法在綠化帶立墩，需要一跨跨越，至少需要主跨56 m的連續梁才能滿足與道路斜交68°的橋下凈空要求。56 m連續梁中支點梁高4.8 m，跨中梁高3.2 m，斜交剛構連續梁墩頂截面高2.6 m，跨中梁高1.8 m，兩種梁型結構高相差2.2～1.4 m。按最大線路縱坡6‰考慮，可節省橋長300 m。從景觀效果、使用功能和經濟指標等方面看，斜交剛構連續梁均具有明顯優勢(如圖1所示)。

圖1　萊蕪特大橋斜交剛構連續梁布置(單位：cm)

為解決鐵路與道路、河流斜交問題，結合山西中南部鐵路設計中的多座斜交剛構連續梁橋，根據斜交剛構連續梁的計算分析研究成果，對材料截面形式選取、結構類型選取、施工圖注意事項等幾方面的設計要點進行總結。

2　主要技術標準及設計原則

2.1　技術標準

重載鐵路的活載圖式及橫向搖擺力取值與普通鐵路有所不同，現將重載鐵路設計荷載介紹如下。

(1)列車活載：重載鐵路采用ZH活載，系數Z=1.2，如圖2所示。

圖2　1.2倍ZH—活載圖示

動力系數按《鐵路橋涵設計基本規范》公式(4.3.5-3))計算，即

1+μ=1+α×6/(30+L)其中α取2，L為計算跨度。

(2)設計行車速度:120 km/h。

(3)二期恒載:雙線直、曲線有碴橋面二期恒載193 kN/m。

(4)橫向搖擺力取120 kN，作為一個集中活載作用于橋梁結構最不利位置，其作用點在垂直線路中心線的鋼軌頂面，對于雙線橋只取一線上的橫向搖擺力。

(5)溫度荷載:整體升降溫按升溫20 ℃，降溫20 ℃計算；溫度梯度沿板厚按5 ℃計算。

(6)基礎不均勻沉降：按0.01 m計(如跨度較小可以適當調整)。

2.2　其他設計荷載

土壓力、制動力、離心力等荷載均按照《鐵路橋涵設計基本規范》取值，其他設計荷載如風荷載、地震力按橋梁所處的地理位置以及橋址地震烈度的實際情況取值。

2.3　材料選用

(1)主梁和剛壁墩最低采用C40混凝土。

(2)活動墩及橋臺最低采用C35混凝土，支承墊石采用C50混凝土。

(3)承臺及樁基礎采用不低于C30強度等級混凝土。

(4)主梁和剛壁敦鋼筋采用HRB335鋼筋和HPB300鋼筋，承臺和樁基可采用HRB400鋼筋。

(5)防水層、保護層：采用高聚物改性瀝青防水卷材(熱熔)+C40細石聚丙烯腈纖維混凝土保護層。

(6)支座：采用滿足“通橋(2007)8360”安裝要求的球形鋼支座。

2.4　截面形式

主梁截面采用實心板梁，墩頂至跨中采用變截面形式，梗肋高度按1∶3線性變化，主梁中跨跨中截面高跨比采用1/16.8～1/20，主梁頂截面高跨比采用1/11～1/12.6，懸臂長0.8～1.05 m。

2.5　控制截面應力及裂縫限值

最大負彎矩控制截面位于剛壁墩墩頂，最大正彎矩位于邊跨跨中，梗肋處為剪應力控制截面，C40混凝土容許壓應力為13.4 MPa，HRB335鋼筋容許應力為180 MPa，裂縫寬度限值為0.2 mm[1]。

3　結構受力分析及形式選取

3.1　剛壁墩與活動墩的設置

剛構連續梁為多次超靜定結構，剛壁墩與活動墩的設置對結構的受力體系起到重要的作用。為有效減小溫度力對連續剛構受力體系的不利影響，減小溫度跨長度，可在邊墩和梁端處設置活動支座。當3孔一聯時，中間橋墩與梁體固接成2個剛壁墩，在梁端部設活動支座;4孔一聯時中間3個橋墩與梁體固接成為3個剛壁墩，在梁端部設活動支座;5孔一聯時中間2個橋墩與梁體固接設置2個剛壁墩，次邊跨橋墩處和梁端部處設活動支座[5]。按這種原則布置剛壁墩和活動墩，有效地釋放了溫度效應產生的內力，有利于改善結構受力狀況，同時減少了剛壁墩頂的配筋、剛壁墩的厚度以及樁基礎的尺寸。如遇到較長橋梁，可采用多聯組合形式靈活處理。

3.2　雙線分離與雙線整體形式選取

斜交剛構采用雙線整體還是雙線分離形式，對梁體受力模式和支反力的影響比較大。實體板梁受斜交角度的影響，橫向彎矩及扭矩較大，尤其當橋梁跨度較小時，寬跨比已接近于甚至超過1，結構受力機理相對復雜[11]，主梁和剛壁墩采用雙線分離，橫向寬度減少一半，可以簡化受力模型，使結構計算配筋更為明確。下面以跨度為3×16 m斜交30°連續剛構橋為例，對雙線分離與雙線整體的內力及應力進行對比分析。

縱向彎矩對比：由圖3可以看出，跨中彎矩分布，雙線分離比雙線整體要均勻，兩者跨中單位寬度彎矩最大值基本相同。墩頂單位寬度彎矩最大值：雙線分離比雙線整體略大，相差在10%左右。

圖3　雙線分離與雙線整體縱向彎矩比較

橫向彎矩對比：由圖4可以看出，雙線整體的橫向單位彎矩最大值分布范圍要明顯高于雙線分離，且主要集中在每跨的中部，兩者最大值相差20%左右。

圖4　雙線分離與雙線整體橫向彎矩比較

圖5　雙線分離與雙線整體橫向扭矩比較

橫向扭矩對比：由圖5可以看出，橫向扭矩的最大值主要沿鈍角對角線分布，且雙線整體的橫向單位彎矩最大值分布范圍要明顯大于雙線分離，兩者最大值相差30%左右。

雙線分離與雙線整體應力對比如表1所示。可以看出，主梁縱向正應力雙線整體比雙線分離小5%以內，而橫向正應力大25%左右，扭轉剪應力大60%左右。

表1　雙線分離與雙線整體應力對比　MPa

支反力比較：斜交剛構梁端支座的最小豎向支反力雙線分離結構形式比雙線整體大，即支座不易出現負反力;斜交剛構存在彎扭耦合效應，在豎向荷載作用下，剛壁墩及縱向活動支座和將承受橫向水平力，相比之下，雙線分離結構橫向最大水平力要比雙線整體結構小。此外，雙線整體結構橫向如果設置4個支座，會出支座現脫空現象，如果設置2個支座，因支反力相差較大，則會出現支座型號不同、支座高度不一致的問題；而采用雙線分離結構時，每線鐵路一端對應設置2個支座，不會產生支座脫空、高度不一致等問題，使主梁和支座受力更加均勻。

3.3　剛壁墩合理壁厚的選取

斜交剛構連續梁橋與一般簡支梁橋、連續梁橋最大區別在于墩梁固接，雖然這種結構形式具有很多優點，但對溫度力和基礎不均勻沉降影響變得更加敏感。對于墩梁分離的簡支梁、連續梁，基礎剛度對基礎外力沒有影響，但對于墩梁固接的連續剛構受力體系，其剛度越大對溫度力、基礎不均勻沉降等荷載引起的變形適應能力越差。根據胡克定律，剛壁墩剛度越大產生的內力越大，并使樁基礎也承受較大的彎矩和水平力，造成剛壁敦和樁基的配筋增大[6]。剛構連續梁橋結構分析一定要考慮基礎剛度的影響，但由于很難得到準確地基比例系數m0，因此在設計時就要進行假定，以保證結構不會因為地基剛度變化而影響結構安全。

對于一座具體連續剛構橋來說，由于線路高程和所處的地質條件已定，故對于基礎剛度影響較大的兩個參數：敦高和地基剛度已經確定，基礎剛度大小主要取決于剛壁敦的壁厚。為了研究剛壁墩壁厚對結構影響，保持主梁梁高不變，剛壁墩壁厚分別取1.0 m、1.2 m和1.4 m，采用平面桿系單元對結構進行整體分析，采用空間板單元進行局部應力分析。可以得出以下結論：

①主梁墩頂截面縱向彎矩隨剛壁墩壁厚增加而隨之增大，但扭矩變化較小。主梁墩頂截面配筋縱向抗彎鋼筋有所增加，抗扭配筋可根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》，在滿足5.5.3條要求下按構造配筋。

②剛壁墩墩底截面縱向彎矩及水平力隨著剛壁墩壁厚的增加增大較為明顯，而橫向彎矩和水平力隨壁厚變化不大，剛壁墩壁厚的增加對剛壁墩配筋的影響要比對主梁配筋影響明顯。

③剛壁墩厚度對樁基礎的影響：隨著壁厚的增加樁基礎彎矩和樁頂配筋逐漸增大，單樁最大軸向力增大而單樁最小軸向力逐漸減小甚至出現拉力樁，樁基樁長及配筋由雙線有車工況控制。將壁厚為1 m剛壁墩作為比較基礎，壁厚1.2 m剛壁墩最大單樁軸向力增大7%，樁頭配筋增大30%，壁厚1.4 m剛壁墩單樁最大軸向力增加15%，樁頭配筋增加40%。

3.4　邊跨跨度的比選

支座是否出現負反力，是斜交剛構連續梁橋設計要考慮的重要控制因素。對于主跨跨度為24 m的剛構連續梁，當斜交法向角度范圍0°～25°時，邊跨跨度采用16 m，邊跨跨中的彎矩更加合理，邊跨采用18 m與16 m相比，邊跨跨中底部配筋要增多，所以在斜交法向角0°～20°時采用16 m的邊跨；當斜交角度≥25°時，采用16 m邊跨在移動荷載分析時支座易出現負反力，采用18 m邊跨則更為合理。對于主跨跨度為16 m剛構連續梁的邊跨采用12 m較為合理，在斜交法向角度較小時(≤30°)，支座不會出現負反力。對于跨度較小的連續剛構因溫度跨較小邊墩也可不設支座，這樣既能滿足受力要求，又可以降低工程造價，并節省日后支座的養護維修費用。

4　施工注意事項

(1)連續剛構采用滿堂支架現澆法施工，支架設計必須牢固，支架基礎及地基應采取必要措施，以滿足施工期間的強度及沉降的要求。預壓荷載不應小于支架所承受最大施工荷載的110%，施加荷載至壓掉塑性變形后，至求出支架彈性變形系數時止。預壓完成后預測總變形量，設置預拱度，確定立模高程。

(2)混凝土的澆筑應自梁端向跨中連續進行，混凝土的澆筑應根據當地月平均最高最低氣溫，考慮溫度力計算時的溫度升溫20 ℃，在合理的溫度下進行。合理溫度范圍為[當地月平均最高氣溫(七月)-20 ℃]至[當地月平均最低氣溫(一月)+20 ℃]。

(3)鋼筋接頭位置應錯開并應設在正負彎矩變化點附近，鋼筋如需接長可采用縱向加工(打磨)的閃光對焊，并滿足施工規范中受拉區的鋼筋要求。在剛壁墩頂梗肋范圍以內的頂層鋼筋、跨中6 m范圍以內的底層鋼筋，不允許出現鋼筋接頭。支點及跨中正負彎矩短鋼筋應盡量采用通長鋼筋，焊接鋼筋骨架時應考慮線路縱坡及豎曲線的影響[5]。

(4)為防止收縮開裂，選擇集料級配時要求混凝土有最大密實度，水泥應選用強度等級42.5硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥，嚴格控制用水量，仔細搗固，特別注意角隅處搗固密實。

(5)支座更換時應注意：首先要消除支座不均勻沉降的影響。支座上下錨栓采用預埋套筒、可拆卸的螺栓，便于頂梁；當支座需要更換時，可在支座橫向連線上支座旁邊，設置千斤頂頂起梁部，此時梁部頂起的高度不允許超過1 cm。

5　結束語

斜交剛構連續梁墩臺均可斜做，鐵路能以既有道路、河流的實際夾角跨越，這樣可以保持橋下道路視距順暢，而且在分隔帶上設墩也較為方便，這樣在跨越較寬的而中間又有分隔帶的道路時，可采用多孔斜交的小跨結構代替一孔大跨結構，在立交凈空受限的情況下降低橋梁結構高度和線路控制高程，縮短橋長，節省工程造價，在山西中南部鐵路中取得了良好的經濟效益和社會效益，可為日后其他鐵路遇到與道路、河流斜交情況提供一定的借鑒。需要指出的是，斜交剛構連續梁結構受力復雜，且鋼筋混凝土結構在使用過程中會產生裂縫，因此在復雜、惡劣環境條件下，如何滿足橋梁的耐久性要求還需要進一步研究和完善。

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