鄭萬高鐵桂花村雙線特大橋設(shè)計(jì)

任儉飛

中鐵二院重慶公司 重慶 400023

正文：

1、工程概述

桂花村雙線特大橋鄭州端通過路基接巫山車站，萬州端通過陡坡路基接桂花村雙線大橋，全長(zhǎng)726.450m，最大橋高118.6m，最大墩高110.56m。橋址處屬剝蝕丘陵地貌，地形起伏大，整體地勢(shì)南高北低。地面高程為135～420m，最大高差達(dá)290m，自然坡度25～50°，部分為陡坎地形。地面多為旱地、灌木及樹林，無公路通達(dá)，交通不便。上覆第四系全新統(tǒng)溶洞充填物、滑坡堆積碎塊石土、崩坡積層碎石土、坡殘積）粉質(zhì)黏土等，下伏三疊系中統(tǒng)巴東組二段（T2b2）泥巖夾砂巖，巴東組一段（T2b1）泥灰?guī)r、白云巖夾泥巖，以及三疊系下統(tǒng)嘉陵江組四段（T1j4）鹽溶角礫巖夾白云巖、泥灰?guī)r。褶曲構(gòu)造發(fā)育，主要發(fā)育有區(qū)域性的巫山向斜，在其北翼發(fā)育桃子坪背斜、東坪壩向斜等次級(jí)褶曲。地震動(dòng)峰值加速度值為，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期值為0.35s。

橋址范圍地表水系為大寧河，為長(zhǎng)江支流，常年流水，地形陡峻，地表水不發(fā)育。根據(jù)橋梁范圍的地層巖性和地下水賦存特征，地下水有基巖裂隙水、第四系孔隙水、喀斯特裂隙水。各類型地下水均接受大氣降雨補(bǔ)給，向大寧河排泄。通航水域。不良地質(zhì)為喀斯特、順層、滑坡、巖堆，未見特殊巖土。年日平均氣溫18.3°，年平均降雨量1041mm。

2、橋式方案

該橋設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度350km/h，ZK活載，雙線，正線線間距為5.0m，CRISⅠ型雙塊式，重型軌(60kg/m)，線路平面位于直線上，縱坡為0。橋址處地形起伏大，為山區(qū)典型U形谷地。為降低橋梁總造價(jià)、施工難度，經(jīng)綜合比選，采用32簡(jiǎn)支梁+2×39T構(gòu)+(44+6×80+44)剛構(gòu)-連續(xù)組合梁+32簡(jiǎn)支梁橋式方案，橋梁中心里程是D1K663+913，橋梁長(zhǎng)度為726.450m，最大墩高達(dá)85m。除1號(hào)橋墩采用矩形實(shí)體墩外，該橋其余橋墩采用矩形空心墩；橋臺(tái)采用空心臺(tái)，橋梁基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。

山區(qū)典型U形谷地，墩高普遍較大，墩體及基礎(chǔ)工程量所占比重較大。這種情況下，適當(dāng)增加跨度、聯(lián)長(zhǎng)，減少高墩個(gè)數(shù)可起到節(jié)約工程量的作用。經(jīng)綜合經(jīng)濟(jì)比選，采用6孔主跨80m的多孔布置橋式方案，主橋梁長(zhǎng)達(dá)到569.55m。為控制縱向荷載引起的主梁縱向位移，需提高下部結(jié)構(gòu)縱向剛度。墩梁固結(jié)的連續(xù)剛構(gòu)形式與采用連續(xù)梁橋的方案相比，前者更合理、經(jīng)濟(jì)，固該橋方案采用多個(gè)剛構(gòu)主墩形式。7個(gè)主墩(4號(hào)～10號(hào))墩高分別為70 m、85 m、84m、62m、38m、76m、48m，主橋墩高不對(duì)稱，為優(yōu)化主梁、橋墩受力，剛構(gòu)墩設(shè)置于偏向墩高更大區(qū)域，5、6、7號(hào)墩采用剛構(gòu)墩形式。大里程溫度跨長(zhǎng)達(dá)到325m，小里程溫度跨長(zhǎng)達(dá)到284m，大里程設(shè)置軌道伸縮調(diào)節(jié)器。

由于本橋?yàn)楦叨铡⒋罂纭㈤L(zhǎng)聯(lián)剛構(gòu)，在長(zhǎng)期荷載作用下由混凝土收縮、徐變和設(shè)計(jì)合龍溫度與實(shí)際合龍溫度溫差引起的水平位移，引起主墩附加彎矩，影響主墩變形，影響主梁相關(guān)部位的應(yīng)力。為此，本橋決定在5～7號(hào)墩之間進(jìn)行頂推合龍。主橋總體布置見圖一。

圖一 桂花村雙線特大橋立面布置圖

全橋體量協(xié)調(diào)，美觀大方，梁部線形流暢，與環(huán)境協(xié)調(diào)；結(jié)構(gòu)剛度大，梁部變形和緩，滿足高速旅客列車舒適性要求；設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)均成熟，后期養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)便，工程造價(jià)較低。

3、主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1、主梁構(gòu)造

梁體截面為單箱單室、變高度、變截面箱梁，底板、腹板、頂板局部向內(nèi)側(cè)加厚，都按折線變化。全聯(lián)在端支點(diǎn)、中墩頂處設(shè)置橫隔板，橫隔板設(shè)有孔洞，供檢查人員通過。橋面寬度：防護(hù)墻內(nèi)側(cè)凈寬9.0m，橋梁寬度12.6m，橋梁建筑總寬度為12.9m。梁體全長(zhǎng)569.5m，計(jì)算跨度為（44+6×80+44）m，主墩截面中心線處梁高度6.635m，跨中10m直線段及邊跨9.75m直線段截面中心線處梁高度為3.835m；梁底下緣按二次拋物線變化。箱底寬度為6.7m，頂板厚度為40cm，底板厚度為42～80cm，腹板厚度為40～80cm，腹板按折線變化，底板厚度按二次拋物線變化。梁端支座橫向中心距為5.6m，中支座橫向中心距為5.9m。

3.2、預(yù)應(yīng)力體系

主梁按縱向全預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。頂板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用13-15.2鋼絞線，腹板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用12-15.2鋼絞線，底板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用15/17-15.2鋼絞線，縱向預(yù)應(yīng)力金屬波紋管成孔，波紋管內(nèi)徑90mm。高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，fpk=1860MPa。

4、下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1、主墩構(gòu)造

5～7號(hào)剛構(gòu)主墩采用C40鋼筋混凝土矩形空心墩。墩身頂部順橋向長(zhǎng)度為7.0m，橫向?qū)挾葹?.3 m（含墩頂兩側(cè)局部加寬0.3m），縱向壁厚為1.0m、橫向壁厚為1.1m；縱向內(nèi)、外坡度是1:0，為滿足全橋結(jié)構(gòu)橫向剛度和主橋上下部結(jié)構(gòu)的傳力要求，主墩采用橫向內(nèi)坡度60:1，橫向外坡30:1。墩頂為墩梁固結(jié)的聯(lián)結(jié)形式，墩梁結(jié)合部設(shè)計(jì)為2個(gè)矩形箱體的正交：縱向兩墩壁上延至箱體內(nèi)成為兩橫隔板，橫向兩墩壁與腹板聯(lián)結(jié)。梁體的各種力通過橫隔板和腹板傳遞至空心墩柱的四壁。

其余主墩墩頂采用縱向活動(dòng)支座和多向活動(dòng)支座，放松縱向位移，控制橫向和豎向位移。既保證在縱向荷載作用下主梁自由伸縮，也保證主梁橫向和豎向穩(wěn)定。梁體在此處為連續(xù)結(jié)構(gòu)，與支座中心對(duì)應(yīng)處設(shè)橫隔板，將傳遞至此的梁體豎向力通過橫向2個(gè)支座向下部結(jié)構(gòu)傳遞。采用C40鋼筋混凝土矩形空心墩。4、9號(hào)墩墩頸縱向長(zhǎng)7.0m，橫向?qū)?0.0 m，縱向壁厚1.2m、橫向壁厚0.8m；8、10號(hào)墩墩頸縱向長(zhǎng)度為6.0m，橫向?qū)挾葹?0.0 m，縱向壁厚為1.0m、橫向壁厚度為0.8m。墩身縱向內(nèi)、外坡度是1:0，橫向內(nèi)坡度是60:1，橫向外坡是30:1。在墩身內(nèi)部及外面設(shè)置檢查設(shè)備（檢查梯，檢查洞，檢查平臺(tái)等）。

4.2、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

主橋橋址處基巖是泥巖夾砂巖、泥灰?guī)r、白云巖夾泥巖、鹽溶角礫巖夾白云巖、泥灰?guī)r。覆蓋土層為碎石土、碎塊石土，層厚度為0.5～8m，中風(fēng)化層厚度范圍為4～39m。根據(jù)巖土參數(shù)、地質(zhì)情況，主墩分別采用端承樁、摩擦樁基礎(chǔ)。最大樁基采用20根直徑1.8m樁基。

5、結(jié)構(gòu)計(jì)算

5.1 荷載組合

恒載組合 恒載+沉降

主力組合 恒載組合+活載+搖擺力

主力+橫向附加力1 主力+整體升溫(降溫)+梁體橫風(fēng)+列車橫風(fēng)+日照

主力+橫向附加力2 主力+整體升溫(降溫)+梁體橫風(fēng)+列車橫風(fēng)+寒潮

主力+縱向附加力1 主力+整體升溫(降溫)+制動(dòng)力+日照

主力+縱向附加力2 主力+整體升溫(降溫)+制動(dòng)力+寒潮

5.2 主要計(jì)算結(jié)果

1）計(jì)算程序：MIDAS/civil

2）剛構(gòu)-連續(xù)組合梁進(jìn)行有限元分析計(jì)算，分別按各施工階段和運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行內(nèi)力分析和應(yīng)力計(jì)算，并進(jìn)行了截面強(qiáng)度檢算。計(jì)算結(jié)果如下。

主梁檢算匯總表

主梁跨中豎向位移L/2675，滿足規(guī)范不大于L/1727的要求。梁體橫向位移為L(zhǎng)/6837，滿足規(guī)范不大于L/4000的要求。在列車豎向靜活載作用下，梁端豎向轉(zhuǎn)角0.4，滿足規(guī)范不大于1的要求；在列車荷載、搖擺力、風(fēng)荷載、溫度作用下，梁端水平轉(zhuǎn)角0.16，滿足規(guī)范不大于1的要求。跨中豎向殘余變形8.4mm，滿足規(guī)范不大于16mm的要求。橋墩鋼筋最大壓應(yīng)力69.2MPa，最大拉應(yīng)力184.4MPa，橋墩混凝土最大壓應(yīng)力8.7MPa，最大裂縫寬度為0.14mm，均滿足要求。

6、梁部施工順序

連續(xù)梁采用輕型掛籃分段懸臂灌筑施工，分別在4～10號(hào)墩墩頂立模灌筑0號(hào)梁段，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值的95%、彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值的100%且不少于5天的齡期后方可張拉0號(hào)梁段預(yù)應(yīng)力。在0號(hào)梁段安裝掛籃，分別在掛籃上對(duì)稱向兩側(cè)順序灌筑各梁段，移動(dòng)掛籃，灌筑下一個(gè)梁段，直到形成7個(gè)T構(gòu)。利用掛籃做主跨二、主跨三的合龍支架，安裝合龍段體外支撐并焊接好合龍段內(nèi)的勁型骨架，在一天溫度最低時(shí)段灌筑主跨二、主跨三合龍段10b、10c號(hào)梁塊；然后利用掛籃做主跨一、主跨四、主跨六的合龍支架，安裝合龍段體外支撐并焊接好合龍段內(nèi)的勁型骨架，在一天溫度最低時(shí)段灌筑主跨一合龍段10a號(hào)梁塊、主跨四10d梁塊、主跨六10f梁塊；再在3號(hào)、11號(hào)墩臺(tái)旁設(shè)置托架并進(jìn)行預(yù)壓，利用托架，立模灌筑端塊10a、10g號(hào)節(jié)段混凝土；最后利用掛籃做主跨五的合龍支架，安裝合龍段體外支撐并焊接好合龍段內(nèi)的勁型骨架，在一天溫度最低時(shí)段灌筑主跨五合龍段10e號(hào)梁塊，實(shí)現(xiàn)全橋合龍。施工橋面附屬設(shè)施，進(jìn)行變形觀察，滿足無砟軌道鋪設(shè)要求時(shí)，方可進(jìn)行橋面安裝和軌道鋪設(shè)，完成全橋施工。

7、結(jié)語

桂花村雙線特大橋?yàn)猷嵢f高鐵的重點(diǎn)控制工程，本橋設(shè)計(jì)集高墩、長(zhǎng)聯(lián)、大型集群樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)于一身。本橋的設(shè)計(jì)是已有鐵路科技成果的成功應(yīng)用和推廣，通過本橋的設(shè)計(jì)，為今后高鐵高墩、大跨度橋梁的設(shè)計(jì)提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。