超百米高低墩連續(xù)剛構(gòu)鐵路橋設(shè)計(jì)

賴小剛

（中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司重慶400023）

超百米高低墩連續(xù)剛構(gòu)鐵路橋設(shè)計(jì)

賴小剛

（中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司重慶400023）

文章針對敘大鐵路三槽灣特大橋主橋（68+128+68）的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，介紹了墩高超百米的高低墩剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)，分析計(jì)算了高低墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的靜力特性和主橋車橋動力響應(yīng)，對解決高低墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)時(shí)剛度差的問題，以及梁部應(yīng)力對高低墩的應(yīng)力分配問題作了合理的實(shí)踐，對山區(qū)鐵路高橋設(shè)計(jì)具有較高的參考價(jià)值。

鐵路；高低主墩；高墩大跨；連續(xù)剛構(gòu)；結(jié)構(gòu)計(jì)算和動力仿真分析

1 概述

三槽灣特大橋位于敘永至大村鐵路四川省古藺縣境內(nèi)，上跨頭道河，常年有水，測時(shí)水面寬大約12m，不通航，橋梁主要受地形控制設(shè)計(jì)。本橋位于R=800曲線和直線地段，主橋位于直線上，縱坡為平坡，單線。中心里程為DK47+450.7，孔跨式樣為15×32預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁+(68+128+68)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+2×32預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁，全長882.88mm，橋高143m，最大墩高104m。橋墩采用矩形實(shí)體墩和鋼筋混凝土矩形空心墩，T型橋臺，樁基礎(chǔ)。其主橋總體布置見圖1。

圖1 主橋總體布置圖

橋區(qū)地震動峰值加速度值為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期值為0.35s，基本的地震烈度為Ⅵ度。

2 橋梁孔跨方案比選

本橋跨越山區(qū)河流，橋高143m，主跨采用128m連續(xù)剛構(gòu)。

因兩岸地形高差較大，如采用主墩等高設(shè)計(jì)，則17號主墩將位于陡壁處，施工極為困難。根據(jù)地質(zhì)資料，本處陡壁為泥灰?guī)rW 3，節(jié)理發(fā)育，承載力較低為0.40MPa，且整體性、穩(wěn)定性都很差。由于17號墩承臺尺寸較大，開挖后將在靠山側(cè)形成高達(dá)35m以上的臨空面，無法徹底解決本處巖性極差的高邊坡防護(hù)問題，對主墩安全形成威脅。

經(jīng)仔細(xì)研究、綜合比選，決定將17號墩向大里程移動，避開陡壁。并在主跨采用高低墩搭配，16號墩高104m，17號墩高59m，很好的解決了主墩安全和陡壁開挖防護(hù)問題。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主梁構(gòu)造與節(jié)段劃分

梁體截面為單箱單室、直腹板、變截面箱梁。邊支座中心線至梁端0.7m，邊支座橫橋向中心距為5.7m;中跨中部18m梁段和邊跨端部13.7m梁段為等高梁段，梁高為4.4m；主墩處梁高為8.8m，其余梁段梁高按二次拋物線方程為Y=4. 4+X2/591.136(m)(X=0～51m)變化;箱梁頂板寬8.1m，箱寬6.4m;頂板厚52cm,底板厚42～90cm,腹板厚40～70cm。梁體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 梁體結(jié)構(gòu)圖

全梁懸灌節(jié)段長度分為3.0m、3.5m、4.0m，全橋共分為69個(gè)節(jié)段。

3.2 預(yù)應(yīng)力體系

梁體采用C55混凝土，考慮箱梁較高、較寬以及鐵路活載大等因素，通過計(jì)算，在梁體縱向、豎向、橫向均設(shè)預(yù)應(yīng)力，縱向按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。縱向采用12-7Φ5鋼絞線，豎向采用? 25mm的PSB830預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋，橫向采用高強(qiáng)度低松弛4-7Φ5鋼絞線。

3.3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連續(xù)剛構(gòu)主墩：16號、17號墩順橋向?qū)挾葹?m，墩身縱向內(nèi)外坡為1:0，壁厚1.3m，橫橋向?qū)挾葹?.6m，墩頂以下0～59m墩身橫向內(nèi)坡均為1:40，外坡為1:20。16號主墩高達(dá)104m，為了控制橫向剛度，在橋墩橫橋向內(nèi)、外坡在墩頂以下59m處設(shè)變坡：59m以下墩身橫向內(nèi)坡為1:60，外坡為1:15。

3.4 梁體結(jié)構(gòu)計(jì)算和結(jié)果

將連續(xù)剛構(gòu)按施工階段和運(yùn)營階段分為62個(gè)階段，對梁體內(nèi)力、截面應(yīng)力及變位按平面桿系進(jìn)行有限元分析計(jì)算，共劃分為82個(gè)節(jié)點(diǎn)，81個(gè)單元。在最不利荷載組合下，梁體主跨跨中最大正彎矩為61222kN-m,主跨支墩處最大負(fù)彎矩為261564kN-m。梁端最大支反力6525kN，最小支反力1294kN。運(yùn)營階段，箱體頂、底板最大壓應(yīng)力為12.8MPa，最小壓應(yīng)力為0.50MPa，截面均不出現(xiàn)拉應(yīng)力；施工階段最大壓應(yīng)力為11.0MPa。梁體跨中最大活載豎向撓度3.07cm（L/4169），邊跨跨中最大活載豎向撓度0.85cm，均小于容許值。

3.5 主橋橫向剛度計(jì)算

在主橋橫向剛度計(jì)算中考慮了主橋剛構(gòu)體系與32m簡支梁的共同作用，承臺和群樁基礎(chǔ)換算為墩底等效剛度，按有限元法，采用M IDAS程序計(jì)算主橋整體自振特性，其橫向第一振型自振周期T1＝1.538秒，主墩墩頂最大縱向位移3.18cm；連續(xù)剛構(gòu)梁橫向位移按列車橫向搖擺力和橫向風(fēng)力分別計(jì)算，橫向風(fēng)力控制，主跨跨中最大橫向位移1.91cm，墩頂最大橫向位移1.47cm，均小于容許值。

3.6 主橋車橋耦合動力仿真分析

一般情況下，連續(xù)剛構(gòu)的主橋墩設(shè)計(jì)為基本相同的墩高，本橋16號、17號兩個(gè)主墩高差達(dá)45m，剛度分配會有差異。因此對主橋進(jìn)行了詳細(xì)的車橋耦合動力仿真分析。

根據(jù)車橋耦合振動分析理論，運(yùn)用橋梁結(jié)構(gòu)動力分析程序BDAPV2.0，針對主橋（68+128+68）m連續(xù)剛構(gòu)橋，采用空間有限元建立全橋動力分析模型，對橋梁的空間自振特性進(jìn)行了計(jì)算；同時(shí)，對該橋梁方案在普通旅客列車和C70貨車作用下的車橋空間耦合振動進(jìn)行了分析。研究表明：

(1)主橋(68+128+68)m連續(xù)剛構(gòu)的1階橫向和豎向頻率分別為0.644Hz、0.566 Hz，振型圖見圖3、圖4。

圖3 第1階反對稱豎彎+縱漂f=0.566 Hz（立面圖）

圖4 第2階橫彎f=0.644 Hz（俯視圖）

(2)在普通旅客列車以速度60～100 km/h運(yùn)行時(shí)，主跨跨中豎向和橫向振動位移最大值分別為9.292mm、2.801mm，主跨跨中豎向和橫向振動加速度最大值分別為0.140m/s2和0.088 m/s2；墩頂橫向位移和加速度最大值分別為2.843mm和0.093m/s2。

在C70貨車組以速度50～80 km/h運(yùn)行時(shí)，主跨跨中豎向和橫向振動位移最大值分別為26.412mm、1.198mm，主跨跨中豎向和橫向振動加速度最大值分別為0.537m/s2和0.125m/s2；墩頂橫向位移和加速度最大值分別為1.479mm和0.162m/s2。

可見，在上述列車作用下，大橋(68+128+68)m連續(xù)剛構(gòu)的豎向振動位移和加速度均較小，滿足規(guī)范的要求。橋梁橫向振動位移和加速度以及橋墩橫向振動加速度均小于規(guī)范規(guī)定的限值，說明橋梁的動力性能良好。

(3)在普通旅客列車以速度60～100km/h范圍以及C70貨車組以速度50～80km/h范圍通過主橋時(shí)，機(jī)車（重車）與車輛（空車）的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi)，保證了列車的行車安全。

(4)在普通旅客列車以速度60～100km/h范圍通過大橋時(shí)，豎向和橫向舒適性均達(dá)到“優(yōu)”。在C70車組以速度50～80km/h范圍通過大橋時(shí)，豎向和橫向平穩(wěn)性均達(dá)到“優(yōu)”或“良”。

4 結(jié)語

隨著西部大開發(fā)的推進(jìn)，西南地區(qū)近年來鐵路建設(shè)發(fā)展迅速。由于西南山區(qū)地形起伏較大，在鐵路建設(shè)過程中必然會跨越崇山峻嶺和幽深峽谷，高墩、大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁越來越多。以往的大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)時(shí)，為了把應(yīng)力盡量平均分配到各墩，各個(gè)主墩的剛度不會相差太大，因此主墩基本等高或高差較小。但是在遇到主墩必須采用高差較大的高低墩時(shí)，對橋梁的空間自振特性和行車舒適度沒有較多的分析研究。本文對三槽灣特大橋——具有代表性西南山區(qū)高低墩鐵路橋梁的孔跨方案比選、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述分析，得出主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩高度均大于50m時(shí)，由于梁部和橋墩的剛度差較小，梁部由于溫度和混凝土收縮徐變等產(chǎn)生的應(yīng)力，對高低墩的應(yīng)力分配影響也較小。

（2）對主墩高差達(dá)45m的實(shí)際情況，采用高墩底部橫坡放緩和增加空心墩壁厚的措施，以加大高墩下部剛度。根據(jù)主橋車橋耦合動力仿真分析，結(jié)果表明橋梁的空間自振特性和行車舒適度良好，證明設(shè)計(jì)是科學(xué)合理的。

本橋的設(shè)計(jì)完成對同類型橋梁的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

責(zé)任編輯：李 紅

Design of Continuous Rigid-frame Railway Bridgesw ith Low Piersa Hundred PlusM eters High

Based on theprestressed concrete continuous rigid-frame of themain bridge（68+128+68）of Sancao Bay super large bridge over the Xuda railway,the author introduces the design of steelbridgew ith low piers a hundred plusmeters high and analyzes the static characteristics of such kind ofbridge and dynam ic responseofmain bridge.These can provide valuable references to solve the problem of stiffness difference in designing continuous rigid-frame bridgesw ith low piershigh and reasonably practice the beam stress thatdistributes the stress of low piers of a hundred plusmeters high.

railway;high low piers;high piersof largespan;continuous rigid-frame;structure calculation and dynamic simulation analysis

TU997

A

1671-9107（2012）05-0024-02

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.05.024

2012-04-10

賴小剛（1975-），四川南部人，本科，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。