閩江特大橋高墩大跨剛構連續橋設計

章開東

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 工程概況

閩江特大橋位于福建省南平市延平區境內。橋位處跨越峰福鐵路，閩江和朱熹路；橋梁與峰福鐵路夾角為85°，與朱熹路夾角114°，與閩江夾角112°。橋址上游流域面積42 320 km2，設計洪水頻率為1/100，設計流量為33 200 m3/s，設計水位為73.87 m，設計流速為3.3 m/s。

橋位所在河段規劃為IV級航道，2×500 t級頂推船隊作為閩江干流通航船型，最高通航水位為69.02 m，最低通航水位為57.02 m。為了滿足單孔雙向通航150 m的要求，閩江特大橋主橋孔跨采用（118+216+138+83）m雙線剛構連續梁。

經地質鉆探，橋址區的巖土層主要有：第四系人工填土層、第四系全新統沖洪積層卵石土、第四系殘坡積層粉質黏土、燕山早期第二次侵入花崗閃長巖構成。綜合分析，地基穩定性較好。

閩江特大橋為Ⅰ級雙線鐵路有碴軌道橋，客貨共線，列車設計行車速度為200 km/h。孔跨布置為:（1×32+2×24+7×32）m單線簡支T梁+（2×32+2×24+2×32）m雙線簡支 T梁 +1×（118+216+138+83）m雙線剛構連續梁。主橋位于直線上，線間距為4.4 m，主橋位于平坡上，見圖1所示。

圖1 主橋孔跨布置圖

2 剛構連續梁上部結構設計

2.1 主要計算參數

（1）線路等級：200 km/h雙線有砟軌道。

（2）設計活載：中活載。

（3）體系溫差：升溫25℃，降溫20℃。

（4）日照溫差：按規范不考慮沿梁高方向的溫差荷載[1,2]。

（5）支座不均勻沉降：2mm。

2.2 主梁構造

主梁采用（118.85+216+138+83.85）m預應力混凝土剛構連續梁，截面形式為單箱單室直腹板[3]梁體混凝土采用C55高性能混凝土[4]。梁高按圓曲線變化，中支點處梁高16.5 m（高跨比1/13.1）,邊支點和跨中位置梁高7.5 m（高跨比1/28.8）。箱梁頂寬12.0 m，底寬9.2 m，箱梁底寬在邊支點處局部加寬至10.2 m。主梁橫截面見圖2所示.

圖2 主梁橫截面圖

2.3 主梁平面靜力計算

將主橋的整個施工過程模擬為79個施工階段，利用橋梁結構分析系統BSASV4.33，對結構在自重、預應力、臨時施工荷載、活載、支座不均勻沉降等荷載工況下進行平面靜力分析。按照最不利組合進行檢算，主梁控制截面計算結果見表1所列。由表1可知，主梁各截面應力均能滿足相關現行規范的要求。

表1 主梁控制截面計算結果一覽表

利用“橋梁博士”軟件建立單箱單室箱梁節段有限元模型，對箱梁在自重、二期荷載、特種荷載、溫度變化、收縮徐變等荷載工況下，進行截面橫向受力分析計算。計算結果表明，箱梁截面橫向受力滿足相關現行規范的要求。

2.4 主梁撓度、預拱度及支座預偏量

在活載作用下，主梁最大撓度值-61.62 mm，為跨度的1/3505.4

根據相關規范要求對主梁設置反向預拱度。反向預拱度值為恒載與1/2活載所產生的撓度之和。

為了補償結構在溫度變化、混凝土收縮、徐變及合龍后張拉鋼束所引起的水平位移，各活動支座處均設置順橋向水平預偏值。表2為合龍溫度按16℃計算的支座安裝預偏量，施工時應按實際合龍溫度進行調整。

表2 支座安裝預偏量一覽表

3 剛構連續梁下部結構設計

剛構連續梁16號、19號橋墩采用圓端形空心橋墩，17號、18號墩采用雙柱式矩形薄壁墩，1號～19號墩高為 61 m、64.5 m、64.5 m、53 m，龍巖臺臺高11 m。

17號、18號剛構墩采用雙柱式矩形薄壁墩，縱向寬度2.5 m，墩底30 m范圍內加寬至3.5 m，兩柱中心距8.7 m。橫向寬度11.2 m，在墩底4 m范圍內漸變至14.2 m，雙壁之間在距墩底15 m處設一道2.5 m×11.2 m的系梁。

剛構連續梁16號～19號墩、龍巖臺均采用群樁基礎，按柱樁設計，16號墩采用11×Φ2.0 m樁基礎，17號、18號墩采用24×Φ2.5 m樁基礎，19號墩采用10×Φ2.5 m樁基礎，龍巖臺采用1 2×Φ1.5 m樁基礎，樁長10～18 m。橋墩及基礎計算結果均滿足相關現行設計規范要求。

4 剛構連續梁抗震設計

主橋按6度（設計地震Ag=0.05 g）設防進行抗震設計。利用有限元軟件Midas Civil建立有限元模型，分別采用反應譜法和時程分析法計算結構的地震響應，計算工況見表3所列。

從目前的地震區剛構橋梁的破壞分析，對于雙肢薄壁墩連續剛構來說，其最不利截面一般出現在墩頂、墩底截面。為此，重點分析了雙肢薄壁墩墩頂、墩底截面的內力和位移。橋墩混凝土及鋼筋應力水平均在規范允許范圍內，計算結果見表4所列。

5 剛構連續梁車橋耦合動力響應分析

5.1 橋梁空間振動分析模型

對全橋所有構件及樁基礎均采用空間梁單元建立空間振動分析模型[5,6]，樁基礎采用m法考慮樁土共同作用。分析模型確定后，就可由動力學勢能駐值原理及形成矩陣的“對號入座”法則，建立橋梁剛度、質量、阻尼等矩陣，模型見圖3所示。

表3 抗震計算工況一覽表

5.2 橋梁動力特性計算結果

根據橋梁空間振動分析模型，對其自振特性進行了計算與分析，前10階自振頻率及振型主要特點見表5所列。

5.3 車橋耦合動力響應分析結果

根據前述計算模型與計算原理，對閩江特大橋（118+216+138+83）m剛構連續梁橋分析模型分別計算了當2種車型（C70貨車、CRH2客車）通過橋梁時的車橋系統空間動力響應。計算工況為：C70貨車分別以車速60～140 k m/h，CRH2客車分別以車速120～240 km/h單線或雙線對開通過橋梁。橋梁車橋耦合動力響應計算結果表明：在所有計算工況下，（1）橋梁動力響應均滿足要求，各車的車體豎、橫向振動加速度滿足限值要求；（2）列車行車安全性滿足要求；（3）貨車的行車平穩性達到“良好”標準以上，客車的乘坐舒適度也均達到“良好”標準以上。

表4 關鍵截面內力表及計算結果一覽表

圖3 模型單元劃分示意圖

表5 前10階自振頻率及振型主要特點一覽表

6 結語

高墩大跨剛構連續梁具有整體性好、梁縫少、支座少、縱向變形約束小、抗震性能好、軌道平順度高等優點，有利于高速行車，是非常適合于200 km/h客貨共線的一種橋梁結構形式，在國內廣泛應用。閩江特大橋主橋剛構連續梁具有“高墩、大跨、長聯”的特點。該橋的設計為今后高墩、大跨度鐵路預應力剛構連續梁結構的設計積累了有益的經驗，對同類橋梁設計有一定的參考價值。該橋16號、18號、1 9號主墩樁基已于2 0 1 5年2月完成，目前正在施工17號墩樁基和1 6號、18號、19號墩墩身部分，計劃于2017年3月底完成梁部懸臂現澆施工。

[1]TB 10002.1-2005,鐵路橋涵設計基本規范[S].

[2]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].

[3]馮鵬程.連續鋼構橋設計關鍵技術問題的探討[J].橋梁建設,2009,(4):46-49.

[4]TB 10005-2010,鐵路混凝土結構耐久性設計規范[S].

[5]曾慶元，郭向榮.列車橋梁時變系統振動分析理論與應用[M].北京：中國鐵道出版社,1999.

[6]方淑君,李德建,曾慶元.三線鐵路預應力連續梁橋列車-橋梁時變系統空間振動分析[J].中南大學學報.