高墩大跨連續剛構橋的設計及關鍵技術研究

徐斌

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

高墩大跨連續剛構橋的設計及關鍵技術研究

徐斌

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043)

依托蘭州至合作鐵路泄湖峽大夏河特大橋主橋(54+90+54)m連續剛構，采用有限元方法建模計算，對全橋結構動力特性、抗震性能進行了研究，并從主梁抗裂措施、主墩不等高對于梁部內力的影響、主墩墩身內力調整三個方面詳細論述了單線高墩大跨連續剛構設計關鍵技術。分析結果表明:罕遇地震作用下，需合理配置塑性區域的鋼筋以保證橋墩的轉動能力;連續剛構設計關鍵技術為防止箱梁開裂，降低運營階段墩身彎矩提供了可靠保證。

鐵路橋梁 連續剛構 高墩大跨 設計 關鍵技術

1 工程概況

蘭州至合作鐵路泄湖峽大夏河特大橋，位于甘肅省臨夏回族自治州以北13 km處，橋梁全長1 936 m，為單線鐵路橋梁。主橋為跨越大夏河而設，設計為一聯(54+90+54)m預應力混凝土連續剛構，最大墩高72 m。因橋梁較高，設計采用懸臂灌注法施工。0號段及邊跨現澆段托架設于墩身上，先合龍中跨，超打一個梁段后，再合龍邊跨。主橋位于直線上，線路縱坡12‰，橋梁設計時速160 km/h，軌道結構為有砟軌道，設計活載為中—活載，設計洪水頻率為100年一遇，主橋立面布置圖見圖1。

圖1 主橋立面布置(單位:cm)

2 結構設計

2.1 主梁結構設計

主梁采用預應力混凝土連續箱梁結構，計算跨度為(53.6+90+53.6)m，支座中心線至梁端0.75 m，結構聯長199.5 m。中支點梁高7.0 m，跨中及邊跨直線段梁高4.0 m，梁高沿縱向按1.8次拋物線變化。截面采用單箱單室直腹板形式。箱梁頂寬7.5 m，底寬5.0 m，頂板厚度除支點外均為36 cm。腹板厚跨中至支點為45～90 cm，底板厚跨中至支點為40～90 cm。每個中支點對應墩身外側設置兩道橫隔板，每個邊支點各設置一道橫隔板，全聯共設置6個橫隔板，橫隔板均設置過人洞共檢查人員通過，箱梁頂面按兩側排水設計。主梁橫斷面見圖2。

圖2 主梁(半支點半跨中)橫斷面(單位:cm)

2.2 主梁預應力體系

主梁按縱向、豎向兩向預應力體系設計，縱向采用全預應力理論。頂板縱向鋼束采用15-7φ5鋼絞線，其中中支點頂板束錨下張拉控制應力為1 209 MPa，邊跨及中跨頂板合龍束錨下張拉控制應力為1 302 MPa;腹板縱向下彎鋼束采用12-7φ5鋼絞線，錨下張拉控制應力為1 302 MPa;邊跨底板縱向鋼束采用12-7φ5鋼絞線，錨下張拉控制應力為1 264.8 MPa;中跨底板縱向鋼束采用15-7φ5鋼絞線，錨下張拉控制應力為1 302 MPa。鋼絞線抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，均為雙端張拉，采用OVM系列錨具。豎向預應力采用φ25 mm PSB 830精軋螺紋鋼筋，抗拉強度標準值fpk=830 MPa，均為單端張拉，采用JLM-25型錨具。主梁縱向預應力鋼束布置見圖3。

圖3 1/2主梁縱向預應力鋼束布置(單位:cm)

2.3 下部結構設計

受橋址峽谷地形限制，23#墩位于大夏河右側岸上，24#墩位于河谷灘地上，兩墩高分別為53，72 m。連續剛構橋梁、墩剛性連接，內力分配與梁部和下部結構相互間的結構剛度有關，梁部與下部結構合適的剛度比既能滿足全橋的縱向剛度，又能改善梁體內力分布，而且梁體的收縮、徐變及溫度應力與剛構墩柱的抗推剛度也直接相關，因此有必要仔細研究墩型及布置形式。鑒于本橋橋墩較高，墩柱抗推剛度較小，同時墩身截面需保持足夠的整體抗彎剛度來保持全橋的整體穩定，經雙臂墩、矩形空心墩方案比選，剛構主墩最終選用矩形空心墩。墩頂截面橫橋向寬7.4 m，縱橋向寬6 m，墩頂2 m高墩身為直線實體段，以下墩身橫向放坡，外坡率30∶1，內坡率40∶1，縱向不放坡，空心墩頂縱橋向壁厚70 cm，橫橋向壁厚80 cm。主墩頂部與箱梁底板設置進人洞，方便檢查人員由梁內進入空心墩。

主墩基礎為鉆孔樁，按行列式布置，兩個主墩均采用15根φ2.0 m的樁身，樁中心距縱向5.6 m，橫向4.8 m。承臺平面尺寸為14.4 m(縱向)×21.6 m(橫向)×4 m(高度)。

3 結構分析

3.1 靜力分析

該橋縱向計算考慮了樁基礎與地基相互作用對上部結構的影響，計算過程中，根據等剛度原則將群樁基礎模擬成雙短柱，做到換算前后兩種結構在單位力作用下位移和轉角一致。結構縱向靜力計算采用橋梁平面桿系程序BSAS4.26，分別進行了施工階段和運營階段的計算。施工階段考慮了掛籃移動不同步、混凝土澆筑不對稱等原因產生不平衡重力，體系轉換，風力，合龍預頂推力等工況;運營階段考慮了基礎不均勻沉降，箱梁不均勻升降溫、體系整體升降溫及活載等作用。

1)主梁整體剛度控制

豎向靜活載作用下，邊跨位移為5.89 mm，為跨度的1/9 100，滿足規范要求的≤1/800，中跨位移為15.98 mm，為跨度的1/5 632，滿足規范要求的≤1/ 700。中活載作用下梁端轉角0.43%，滿足規范要求的≤3‰。

2)截面應力及強度安全系數

截面應力及強度安全系數檢算結果見表1，均滿足現行規范要求。

表1 主梁截面檢算結果

3.2 全橋結構抗震性能研究

3.2.1 地震動輸入

本橋位于Ⅶ度地震區，橋址處為Ⅱ類場地。動峰值加速度Ag=0.32g(相當于設防烈度為Ⅶ度的罕遇地震)，場地特征周期Tg=0.45 s，按照《鐵路工程抗震設計規范》生成反應譜曲線，進而擬合3條人工加速度時程波(圖4)。由圖4可知，3條人工波與設計反應譜的頻譜特性較為一致。

圖4 設計強度地震反應譜與人工地震波頻譜特性比較

3.2.2 模型建立

抗震分析采用有限元法，在SAP2000V14分析程序中建立空間動力分析模型。全橋模型采用了96個單元，119個節點。根據連續剛構橋的結構特點建立三維有限元動力分析模型，橋墩、主梁均采用空間梁單元，二期恒載采用梁單元分布荷載模擬，主梁和主墩采用主從約束進行模擬，承臺模擬為質點，承臺底與地基固結進行模擬。

3.3.3 動力特性分析及抗震性能研究

分析和認識橋梁結構的動力特性是進行橋梁結構抗震性能分析的基礎和重要環節，為此，首先對剛構橋進行了動力特性分析。表2給出了前5階自由振動的周期、頻率及振型特征。

表2 動力特性描述

采用纖維單元，對各關鍵截面進行劃分，利用實際的截面配筋和混凝土應力—應變關系，進行彎矩—曲率分析(考慮響應軸力)，得到各關鍵截面的等效屈服彎矩。采用時程分析計算的罕遇地震作用下地震響應及采用纖維截面計算得到的抗彎能力匯總在表3，4中。

表3 罕遇地震作用下地震響應及抗震性能(縱橋向輸入)

表4 罕遇地震作用下地震響應及抗震性能(橫橋向輸入)

由表3、表4可以看到，本大橋在地震作用下墩底截面較墩頂截面更容易受到損傷。在多遇地震作用下，各橋墩墩底及墩頂截面均未進入屈服，結構處于彈性工作狀態，達到預計的性能目標。在罕遇地震作用下，橫橋向地震輸入下25#橋墩墩底截面屈服;其余各橋墩墩底和墩頂截面均未進入屈服，結構處于彈性工作狀態。在縱橋向地震輸入下各橋墩墩底截面均進入屈服，需要合理配置塑性區域的鋼筋以保證橋墩的轉動能力。

4 高墩大跨連續剛構設計關鍵技術

4.1 主梁抗裂措施

實際工程經驗表明，連續剛構在中跨L/4至支點易因主拉應力過大發生腹板斜裂縫病害;而降低主拉應力可以從增加截面縱向正應力、豎向正應力和降低截面剪應力著手。本橋設計過程中，通過配置足夠的縱向鋼束提高梁體縱向正應力，通過腹板束下彎錨固并設置豎向預應力增加梁體豎向正應力;主梁梁底采用1.8次拋物線，相對于2次拋物線L/4跨處梁高增加15 cm，有效降低截面剪應力。以上措施使得主梁截面主拉應力得到很好的控制，計算表明截面最大主拉應力主力組合時－1.8 MPa，主力+附加力組合時為－2.17 MPa，混凝土開裂的安全儲備充足。

4.2 兩個主墩高不一致對于梁內力的影響

本橋兩個主墩高度分別為53 m和72 m，高度比1∶1.36。墩身高度不一致將導致主梁左右兩部分內力分布不對稱，影響大時可導致左右兩部分構造不一致。本橋箱梁主要內力計算結果見表5。由表中數據可以看出，左右邊跨中主力加附加力組合彎矩相差5%，其余截面在各類荷載及組合工況下，彎矩相差均低于3%;可見本橋墩身不等高對于梁部內力有一定影響，但影響較小，梁部結構左右兩部分構造仍可以按對稱布置。

表5 箱梁主要內力計算結果kN·m

4.3 墩身內力調整

剛構連續梁合龍后，由于混凝土材料的收縮徐變，環境溫度的降低等原因會導致墩身，特別是墩底截面后期彎矩顯著增大。在中跨合龍前應通過勁性骨架對主梁施加一對反向的頂推力，并永存于梁體內，以有效降低墩身及基礎后期的水平力和彎矩，改善墩身和基礎的受力效果。頂推力的大小應可以抵消恒載、活載、收縮徐變在墩身外側產生的不對稱彎矩。頂推力的確定可以分兩步進行;第一，使頂推力產生的遠離跨中的位移與收縮徐變等值;第二，若以上方法所確定的頂推力不足以平衡墩身兩側產生的不均衡彎矩，則進一步增加頂推力。圖5以24#主墩為例，按上述原則計算墩身彎矩內力，圖5(a)使頂推力產生的位移與收縮徐變等值，墩身內外側彎矩遠遠沒有達到平衡;圖5(b)施加的頂推力達到1 900 kN，墩身內外側彎矩基本平衡，本橋最終設計頂推力為1 900 kN。頂推施工過程中，應嚴格觀察墩頂位移和頂推力大小的協調匹配，分批施加。

圖5 24號墩身內力包絡(單位:kN·m)

5 結語

1)連續剛構梁橋具有結構整體受力性能好、養護工程量少、行車平順等優點，當線路跨越峽谷地帶時，連續剛構橋梁剛勁挺拔，能夠更好地與橋址環境融為一體。

2)連續剛構橋梁整體性好，抗震和抗扭性能更為出色，在高烈度地震區高橋選型中是非常具有競爭力的橋型。連續剛構橋梁墩梁固結不僅有利于懸臂施工，且可以避免大型支座的使用及其養護、維修、更換。

3)連續剛構橋在罕遇地震作用下，橋墩墩底進入屈服，應關注墩底延性設計，需要合理配置塑性區域的鋼筋以保證橋墩的轉動能力。

4)連續剛構設計關鍵技術的研究是為了保證橋梁使用的耐久性，提高橋梁可靠度，使橋梁設計更為合理可靠。本橋設計研究為同類型橋梁設計提供有益的技術支持。

［1］馬寶林.高墩大跨連續剛構橋［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］范立礎.橋梁工程［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］蘇青青，王海良.邊中跨比對大跨度連續剛構橋徐變變形影響分析［J］.鐵道建筑，2012(10):1-3.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］中華人民共和國建設部.GB 50111—2006鐵路工程抗震設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2009.

(責任審編孟慶伶)

U442.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.03

1003-1995(2015)06-0010-04

2015-03-05;

2015-04-08

徐斌(1982—)，男，江蘇宿遷人，工程師。