大馬鐵路七里溝特大橋64 m預應力混凝土簡支箱梁設計

歷　付

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300142)

1　概況

大馬鐵路七里溝特大橋位于山區深谷地段，橋高68 m，全橋采用簡支梁結構，高墩部分采用12-64 m簡支箱梁，節段預制移動支架拼裝施工。本橋位于11‰坡道上，平面為直線及R=800 m曲線，設計活載為中-活載，行車速度120 km/h，主橋部分具有橋梁高、跨度大、曲線半徑小的特點。

2　結構形式

2.1　主梁構造

本設計為移動支架拼架法預應力混凝土單線箱梁，梁場預制梁段，造橋機拼接梁段，現場澆筑濕接縫，張拉預應力鋼束聯成整體。梁全長66.2 m，計算跨度為64.0 m，截面梁高5.0 m，支座中心至梁端1.1 m。截面采用單箱單室、等高度、直腹板形式，箱梁頂寬5.5 m，底板寬度為3.40 m。為滿足支座板放置要求，支點處底板寬加寬至4.14 m。頂板厚均為320 mm，腹板厚320～560 mm，按折線變化，底板厚由跨中的450 mm變化至梁端的900 mm。全聯在支座、跨中和約1/4跨處共設置5個橫隔板，隔板厚度：支座處1.15 m，跨中和1/4跨處0.5 m。橫隔板設有孔洞，供檢查人員通過。箱梁兩側腹板與頂底板相交處外側均采用圓弧倒角過渡，橋面兩側設人行道，人行道寬為1.05 m，截面形式見圖1。

2.2　預應力體系

本梁采用單項預應力體系，即沿梁縱向施加預應力，縱向預應力鋼束采用抗拉強度標準值為1 860 MPa的高強低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，其技術條件應符合GB/T5224—2003標準。設計過程中對預應力鋼束的布置形式和采用規格進行了分析比較，最終確定腹板束采用16束13-7φ5，排成一列，通長布置，錨下張拉控制應力為1 230 MPa；底板束采用12-7φ5，錨下控制應力為1 230 MPa；錨固體系采用OVM系列。鋼束布置見圖2。

圖1　箱梁截面構造(單位：mm)

3　計算分析

3.1　縱向計算

梁部縱向計算采用BSAS軟件建立有限元模型，進行強度、抗裂計算，模擬各施工階段和運營階段工況，計算各施工階段及運營階段各截面的內力、應力和變形。梁部縱向劃分為44個單元，計算時模擬施工工藝，各個節點均設置支撐，完成梁段拼裝，張拉第一批鋼束，加載部分二期恒載；然后拆除節點處的支撐，張拉剩余鋼束，最后施工剩余的全部二期恒載。

設計中考慮了溫度荷載的影響，梁體按均勻升溫25 ℃、降溫25 ℃計算，運營階段非線性溫度變化，按頂板升溫5 ℃考慮。各項指標均滿足規范要求，如表1所示。

圖2　縱向鋼束布置(半立面)(單位：mm)

項目直線曲線主力主+附加力主力主+附加力上翼緣最大正應力/MPa14.9915.4616.0416.51上翼緣最小正應力/MPa1.831.481.220.88下翼緣最大正應力/MPa10.6610.9811.7512.07下翼緣最小正應力/MPa3.23.033.223.05最大剪應力/MPa2.592.592.982.98下翼緣抗裂安全系數1.411.391.381.37最大主壓應力/MPa16.6917.3917.918.6最大主拉應力/MPa-1.32-1.41-1.58-1.69正截面強度安全系數2.292.292.232.23

3.2　橫向計算

箱梁橫向采用平面梁單元建立有限元模型，選取跨中和梁端支座處兩個關鍵截面，縱向單位長度，模擬支撐腹板中心線下緣的閉合框架結構進行受力分析。計算荷載：結構自重、二期恒載、特種活載、溫度變化和收縮徐變等，箱梁計算模型見圖3。通過橫向計算確定本橋橫向不需設置橫向預應力，僅配置普通鋼筋即可滿足要求。

圖3　平面框架法有限元模型

3.3　車橋耦合動力仿真分析

本橋為單線簡支梁、曲線半徑R=800 m，橋墩高68 m，整體剛度小，曲線半徑小，需對橋梁結構的動力性能進行詳細分析。采用空間有限元程序來建立七里溝特大橋12孔64 m簡支箱梁的動力分析模型。

具體建模時采用空間粱單元來模擬上部主梁及橋墩，橋墩和主梁之間的連接通過主從約束和剛臂模擬；將樁基礎剛度值等效到承臺底，進行動力仿真計算，橋面二期恒載作為均布質量分配到橋面梁體單元中。動力仿真計算全橋模型共有節點798個，粱單元773個。

七里溝特大橋12-64 m簡支箱梁的動力分析模型分別如圖4、圖5所示。

圖4　七里溝特大橋12-64 m簡支箱梁動力仿真分析模型(平面)

圖5　七里溝特大橋12-64 m簡支箱梁動力仿真分析模型(立體)

采用空間有限元建立其全橋動力分析模型，對其自振特性進行了計算；并對該橋在C80貨車作用下的車橋空間耦合振動進行了分析，評價了該橋的動力性能以及列車運行安全性與平穩性。其主要結論如下。

(1)橋梁自振特性分析

七里溝特大橋14號墩—馬方臺之間12孔64 m簡支箱梁：全橋梁-墩體系一階橫彎頻率0.599 Hz，主梁一階豎彎頻率為2.055 Hz。橋梁動力性能根據橋梁動力響應分析結果進行評價。

(2)橋梁振動性能

在C8貨車以速度80～120 m/h運行時，簡支梁動力分析結果如表2所示。

表2　橋梁動力響應分析結果

可見，在C80貨車作用下，七里溝特大橋14號墩—馬方臺之間12孔64 m橋梁豎向和橫向振動加速度及振動位移均小于規范規定的限值，說明橋梁的振動性能良好。

(3)列車行車安全性

在C80貨車以速度80～120 km/h范圍通過七里溝特大橋14號墩—馬方臺之間12孔64 m簡支箱梁時，重車與空車的脫軌系數、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內。

(4)列車運行平穩性

在C80貨車以速度80～120 km/h范圍通過七里溝特大橋14號墩—馬方臺之間12孔64 m簡支箱梁時，重車與空車豎向和橫向平穩性均達到“優良”。

動力分析表明，新建鐵路大路西至馬柵線七里溝特大橋14號墩—馬方臺之間12孔64 m簡支箱梁在C80貨車以速度80～120 km/h通行時，行車安全性和舒適性滿足要求，其動力性能符合要求。

4　施工工藝

本橋橋高68 m，跨度較大，橋梁施工為本橋難點。一孔64 m單線簡支箱梁重約1 246 t，如果采用整孔預制架設施工難度很大，且需要特殊設計大噸位運梁、架設設備，如果采用支架現澆，支架高空作業不穩定，風險大，且工期較長，對縮短工期不利。為了彌補上述工藝的不足，本橋研究采用節段預制拼裝法施工，這種工藝在架設設備、工程質量控制、縮短施工工期、減低成本等方面具有明顯優勢。

節段預制拼裝法采取化整為零的措施，將梁體分為若干小段預制，以減輕吊裝重量，再通過特制造橋機將各階段拼裝而成，此方法大大縮短了架設工期，降低了施工成本。本梁分為13節段，最大階段長4.6 m，最大吊裝重量100t，梁段間通過0.6 m寬濕接縫連接。節段預制拼裝法對現場施工質量控制要求較高，要求梁段預制28天后方可進行吊裝架設，梁段吊裝方式采用鋼棒插入吊裝孔吊裝的方式，應保證吊裝時各吊點受力均衡。梁段拼裝施工中應采用先縱向調整，后橫向調整，再豎向調整，依次反復循環調整過程，保證梁段精確就位，然后進行濕接縫澆筑、張拉預應力等，完成整孔梁架設施工。節段拼裝施工見圖6。

圖6　節段拼裝施工方法

[1]TB10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范[S]

[2]TB10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S]

[3]TB10005—2010鐵路混凝土結構耐久性設計規范[S]

[4]李小珍.高速鐵路列車—橋梁系統耦合振動理論及應用研究[D].西南交通大學，2000