山西中南部鐵路(70+3×120+70)m 剛構連續梁設計

楊建良

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

山西中南部鐵路(70+3×120+70)m 剛構連續梁設計

楊建良

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

山西中南部鐵路石嶺則蔚汾河特大橋主橋,位于800 m半徑的反向曲線上,最大墩高90 m。列車荷載為“中-活載(2005)ZH載”(重載列車)。主橋采用(70+3×120+70)m剛構-連續梁的結構形式。作為國內首條300 kN軸重重載鐵路,本橋的設計、施工及運營均對以后的重載鐵路橋梁設計有著深遠的影響。需要解決高墩大跨結構體系設計中剛度和結構釋放溫度力協調問題、高墩設計問題、施工線形控制問題、工后殘余徐變線形控制等技術難題。結構設計采用Bsas、Midas、Ansys等程序建模進行結構對比分析,各項指標均滿足設計要求,并通過動力仿真分析,能滿足列車通過時對安全性、舒適性、平穩性的要求。

重載鐵路;剛構-連續梁;計算模型;局部應力分析;動力仿真

1 工程概況

石嶺則蔚汾河特大橋橋址地處呂梁山西麓,屬黃土高原東部。地形起伏大,沖溝較發育,溝壁陡立,地面高程993.65～893.75 m,最大高差100 m左右。本橋主要為跨越蔚汾河、313省道而設,采用大跨高墩方案,墩高90 m。本橋地質為粗圓礫土、砂巖、泥巖,震動峰值加速度為0.05g(地震基本烈度為Ⅵ度),Tg= 0.45 s,主橋孔跨布置形式為(70+3×120+70)m 剛構-連續梁,主墩采用矩形空心墩,主墩基礎采用2.5 m大直徑樁基礎。主橋孔跨布置見圖1、圖2。

圖1 主橋立面(單位:cm)

圖2 主橋平面

2 主要技術標準

2.1 主要技術標準(表1)

表1 主要技術標準

2.2 活載圖示

活載圖示詳見圖3、圖4。

圖3 普通活載圖式(單位:m)

圖4 特種活載圖式(單位:m)

3 主橋結構設計

3.1 方案研究

本橋跨越蔚汾河,鐵路軌面距天然地面高差101 m,通過技術經濟比較并考慮景觀性要求,確定采用(70+3×120+70)m剛構-連續梁方案。剛構-連續梁的結構形式是連續梁與連續剛構的組合,它兼顧了兩者的優點,在結構受力、使用功能和適應環境等方面具有一定的優越性。由于主墩較高,并且4個主墩的墩高39～90 m,如4個主墩全部采用剛構固結形式,則收縮徐變及溫度應力對主梁及墩身的影響會很大,上下部結構的受力不合理。通過受力結構分析及多方面綜合比較選定墩高最高的3號、4號墩作為剛構墩。

3.2 梁體構造

主梁梁體采用變高度變截面預應力混凝土連續箱梁,聯長501.5 m。本橋曲梁曲做,梁體沿橫截面中心線對稱布置,相應的梁體縱向輪廓尺寸為沿左線中心線的展開尺寸,橫向尺寸為徑向尺寸。支座、橋墩均徑向布置。

主梁采用單箱單室、直腹板、變高度箱形截面。端支座處及邊跨直線段和中跨跨中處為5.5 m,中支點處梁高9.5 m,梁底下緣按圓曲線變化,圓曲線半徑R=266.50 m。箱梁頂寬12.20～12.38～11.20 m,箱梁底寬6.80 m,在中支座處8 m范圍內加寬到8.50 m。頂板變寬通過懸臂長度調整。

頂板厚50 cm。底板厚度50～128.0 cm,按圓曲線變化至中支點梁根部,中支點處局部加厚。腹板厚度分別為60～80～100 cm,按折線變化。全橋共設11道橫隔梁,分別設于剛構墩、中支點、端支點和跨中。剛構墩設2道1.3 m厚橫隔梁,中支點處設置厚3.2 m的橫隔梁,邊支點處設置厚1.5 m的端隔梁,跨中橫隔梁厚0.6 m。橫隔梁處設有孔洞,供檢查人員通過。中支點及跨中截面見圖5。

圖5 中支點及跨中截面(單位:cm)

主梁梁體采用C55混凝土,全橋共分125個梁段, 0號梁段長度12 m,一般梁段分成3.0、3.5、4.0 m和4.5 m,合龍段長2.0 m,邊跨直線段長5.25 m,最大懸臂澆筑塊重2 360 kN。

主梁鋼束布置設計為縱、橫、豎三向預應力體系。縱向、橫向預應力體系采用Ⅱ級低松弛高強鋼絞線,標準強度fpk=1 860 MPa、公稱直徑15.2 mm。縱向錨固體系采用自錨式拉絲體系,張拉采用與之配套的機具設備,管道采用金屬波紋管成孔。橫向錨固體系采用BM5-4(P)和BM5-5(P)錨具及相應配套的支承墊板,管道采用70 mm×19 mm和90 mm×19 mm扁形金屬波紋管成孔。豎向預應力采用φ32 mm預應力混凝土用螺紋鋼筋,PSB830抗拉強度標準值為830 MPa,錨固體系采用JLM-32型錨具,采用內徑45 mm鐵皮管制孔。

3.3 剛構墩構造

本橋3號、4號墩為剛構墩,墩高分別為90 m和86.5 m,采用矩形空心墩,混凝土強度等級C55。在墩梁固結處沿縱向墩頂寬9.0 m,墩壁厚1.3 m;沿橫向墩寬8.50 m,墩壁厚1.3 m。主墩縱向墩壁內外側不設坡度。橫向墩壁內側為60∶1,外側在70 m處變坡,由20∶1變為6∶1。3號墩底以上8 m、4號墩底以上6 m范圍為實體段。為了便于施工和養護維修,在剛構墩墩頂梁底板上設置進人洞。

3.4 主橋縱向結構計算

采用“橋梁結構分析系統BSAS 4.26”及“Midas Civil 2006”兩種程序對比計算,按照實際的施工順序進行結構的劃分。3、4號剛構墩群樁基礎按照剛度等效的原則按節點彈性約束模擬。

計算荷載包括恒載、活載、制動力、溫度變化、預應力、基礎不均勻沉降、體系轉換的影響及混凝土收縮、徐變等。根據當地的氣象資料,合龍溫度按10℃考慮。體系溫度采用+25℃,-25℃,頂板非均勻升溫按5℃考慮。施工階段及運營階段控制截面計算結果見表2。

表2 控制截面計算結果

3.5 箱梁橫向框架計算

箱梁橫向計算時將箱梁橫向簡化為帶剛性支撐的框架結構,支承點位于兩腹板下,沿縱橋向取單延米長度。對于單箱單室箱形截面,其橫向計算按升溫、降溫2種情況考慮溫度變化的影響力。橫框頂板按不允許開裂構件計算,各截面主力最大拉應力-0.39 MPa,最大壓應力6.97 MPa。主+附最大拉應力-1.34 MPa,最大壓應力6.97 MPa。各截面腹板鋼筋最大應力-151.2 MPa,混凝土壓應力8.22 MPa,裂縫0.147 mm;底板鋼筋最大應力-165.4 MPa,混凝土壓應力6.32 MPa,裂縫0.153 mm。

3.6 剛構墩設計

由于墩梁固結,主墩縱橫向剛度不僅影響墩頂位移、墩身截面強度及整個結構的動力性能,同時影響主梁的內力分配。高墩必須考慮風振、溫度應力、固端干擾應力,主橋的橫向剛度尤為控制設計。本橋主橋橫向剛度控制參考了“關于南昆鐵路四座大橋橫向剛度的補充技術要求”,以墩頂橫向位移△≤0.8×5L mm和橫向自振周期(第1振型)T≤0.011Ls且T≤1.7 s控制。

本橋取主橋1聯進行整體分析,計算結果表明主墩墩頂縱向最大位移52.5 mm,小于墩頂縱向位移限值為5L=54.8 mm。橫向最大位移41.6 mm小于0.8×5L=43.8 mm,橫向第1振型的自振周期為1.572 s,小于1.7 s。墩頂主+附鋼筋最大應力-72.2 MPa,混凝土最大壓應力8.54 MPa,裂縫0.075 mm。墩底主+附鋼筋最大應力-0.2 MPa,混凝土最大壓應力6.38 MPa,裂縫0.0 mm。

3.7 收縮徐變變形控制

除了結構豎向剛度以外,徐變下撓也會影響梁上軌面的平整度,對高速行車的安全性和乘坐的舒適性不利,必須加以嚴格控制。為減小徐變下撓,梁部設計時應盡量減少恒載作用下截面上下緣的應力差。本橋主梁跨中在恒載作用下,上下緣壓應力分別為11.64 MPa和8.42 MPa。本橋理論計算殘余徐變拱度值為11 mm。

3.8 空間靜力分析

采用Midas程序建立空間有限元模型,對該橋進行了空間受力、振動特性的分析。橋梁自振特性計算結果見表3。

表3 橋梁自振特性

3.9 局部應力分析

剛構墩頂的0號塊的受力非常復雜,為了正確把握蔚汾河特大橋剛構墩0號塊的空間應力狀態,需要對其墩梁固結部位進行空間應力分析,研究墩梁連接處及腹板梗肋等薄弱部位在最不利荷載作用下的受力性能,分析其最不利荷載作用下的應力分布狀態。本橋采用Ansys11.0軟件對剛構墩0號塊進行計算分析。分析結果表明0號塊在各種荷載作用下總體處于安全狀態。

3.10 車橋耦合動力分析

為了保證橋梁具有良好的動力性能,以滿足機車車輛運行的安全性和旅客乘坐的舒適性,本橋進行了車橋耦合仿真動力分析。計算結果表明在車速80～120 km/h范圍內,橋梁橫、豎向振動加速度未超限,列車脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力等指標滿足列車安全性指標,各工況列車平穩性均為優。

3.11 梁部施工順序及結構體系轉換(圖6、圖7)

圖6 邊跨節段劃分

圖7 中跨及次中跨節段劃分

全橋邊跨劃分為0～17節段,中跨及次中跨對稱劃分為0～15節段。在2號～5號墩側安裝托架后立模并進行預壓,在2、5號墩頂安裝永久支座及臨時支座,墩頂臨時固結,立模灌筑A0、B0、C0D0梁段。在0號塊兩側對稱安裝掛籃,并進行預壓。以2號～5號墩為中心,對稱移動掛籃懸臂灌筑A1～A14、B1～ B14、C1～C14、D1～D14節段。由于本橋邊墩較高,邊跨現澆段采用落地支架難度很大。設計中考慮先合龍次邊跨,體系轉換后再懸臂澆筑一個邊跨梁段,以縮短邊跨現澆段。采用在邊墩上設置托架的施工方法進行邊跨合龍,降低了施工難度。在邊跨合龍后,在中跨跨中合龍段兩側施加頂力,用懸吊支架現澆中跨合龍段。

4 結語

(1)本線為重載鐵路,設計活載大,采用120 m的主跨在國內尚屬首次。為鐵路高墩、大跨度預應力結構的設計積累了有益的經驗,對同類型橋梁設計有一定的參考價值。

(2)主橋高度達到100 m,并位于800 m半徑的反向曲線上,車橋耦合動力仿真分析表明,各項指標能較好地滿足要求。

(3)先合龍次中跨再合龍邊跨,最后合龍中跨的梁部合龍方案,減小了梁部收縮、徐變、預加力對結構的影響,降低了施工難度,梁部和橋墩結構受力比較合理。

(4)空心高墩的設計中充分考慮了結構體系剛度分配、收縮徐變影響、溫度荷載、風振等因素的影響,并進行了車橋耦合動力仿真分析。對于以后空心高墩的設計,具有重大的實踐意義。

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Design for(70+3×120+70)-m Rigid-frame Continuous Girder on Central and Southern Shanxi Railway

YANG Jian-liang
(Bridge Engineering Department,The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300142,China)

U448.21+5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.025

1004-2954(2014)08-0101-04

2014-05-15

楊建良(1977—),男,工程師,2006年畢業于石家莊鐵道學院。