城際鐵路長聯大跨高墩剛構-連續組合梁橋設計分析

劉騫儒

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043）

1 工程概況及主要設計技術標準

一城際鐵路特大橋位于我國西北部，橋位處線路與主河槽夾角約90°，河道順直，河槽寬約150 m，常年流水。兩岸岸坡自然坡度約30o，溝谷呈梯形，溝床縱坡較陡。主溝相對高差50～115 m，順線路方向溝寬約700 m。兩岸黃土山坡，植被良好。兩岸地層構造主要為第四系全新統洪積黏質黃土、細圓礫土、崩積塊石土；下伏二疊系上統泥巖、砂巖。

主要設計技術標準如下：

1）線路標準：雙線城際鐵路，直線。

2）速度目標值：250 km∕h。

3）設計活載：ZK荷載。

4）橋面二期恒載：175 kN∕m。

5）主體結構設計使用年限：100年。

6）環境作用等級：T2。

2 方案比選

考慮本橋的地理環境及防洪要求，制定了3 個孔跨布置方案進行比選（表1）。經綜合對比，方案3以明顯優勢入選，其橋型布置見圖1。橋墩采用鉆孔灌注樁基礎，固結墩采用雙薄壁墩，主橋下部結構較柔，整體剛度較空心墩小［1］。

表1 孔跨布置方案比選

圖1 方案3橋型布置（單位：cm）

3 主梁結構設計及分析

大跨度連續剛構橋主梁一般采用變截面箱梁，梁高和梁底曲線的選擇對橋梁整體受力、上部結構的工程量及外形美觀都至關重要。

本橋采用單箱單室直腹板截面梁，支點及跨中處梁體橫斷面見圖2。參考既有連續剛構橋設計參數［2-3］，取箱梁頂寬12.2 m，底寬7.2 m，單側懸臂長2.5 m，懸臂端部、根部分別厚35，85 cm。中墩及次邊墩（2#—6#墩）墩頂處箱梁高取10.5 m，腹板厚100 cm，底板厚150 cm，頂板厚109 cm；邊墩（1#，7#墩）墩頂及跨中處梁高取5.5 m，腹板厚50 cm，底板厚50 cm，頂板厚54 cm。頂板設120 cm×40 cm梗肋，底板設40 cm×40 cm 梗肋。主跨徑小于150 m 的橋梁梁高曲線指數一般為1.8～2.0。本橋梁底曲線選用1.8 次拋物線，提高1∕4跨徑處的梁高以增強抗主拉應力能力。

圖2 支點及跨中處梁體橫斷面（單位：cm）

為增強梁體抗扭能力、約束截面畸變和扭轉變形并利于上部荷載向墩頂傳遞，在支點及跨中處設置橫隔墻。1#和7#邊墩墩頂各設置1道，厚1.8 m；2#中墩墩頂設置1道，厚3 m；3#—6#中墩對應剛構墩墩壁上各設置2 道，厚2.5 m；次邊跨跨中和中跨跨中各設置1 道，厚0.5 m。各橫隔墻上均設置2.5 m×1.5 m的過人洞。為減小箱梁內外溫差，在腹板上順橋向每隔4 m設置1個直徑10 cm 的通風孔［4-5］。為避免箱梁內及梁頂積水，在箱梁內部底板最低處設置直徑16 cm 的泄水孔，在箱梁頂面懸臂根部順橋向設置直徑12.5 cm 的橋面排水管，間距均為4 m。

懸臂施工的箱梁梁段不宜太長，以免梁段過重；也不宜太短，以免工序過于繁復。本橋按施工順序劃分21 種梁段，其中最重的掛籃施工梁段為梁段④，質量約250 t。梁體縱立面及梁段劃分見圖3。

圖3 梁體縱立面及梁段劃分（單位：cm）

4 下部結構設計及分析

4.1 動力特性計算模型

利用MIDAS∕Civil 軟件建立主橋計算模型進行動力特性計算（圖4）。承臺底節點采用彈性連接模擬樁基礎。彈性連接單元共有6 個參數，即3 個軸向位移剛度和3 個沿軸旋轉的轉角剛度［6］。根據TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》［7］選取參數及公式進行計算，確定橋墩的設計方案。

圖4 主橋計算模型

4.2 橋墩設計及分析

本橋剛構墩采用雙薄壁墩，與梁體固結。橋墩混凝土收縮、徐變、溫度應力均會影響梁體內力［8］。在墩身壁厚相同的條件下，對中墩固結方式設計了2 種方案：3#—5#墩3 墩固結、3#—6#墩4 墩固結。對比2 種固結方式下的橋梁結構自振特性（表2），發現4墩固結時全橋縱向自振周期比3 墩固結時明顯減小，具有地震力作用下縱向位移小、橋梁整體剛度大等優勢，故采用4墩固結方案。

連續剛構梁與固結墩的彎矩分配取決于二者的剛度比，橋梁結構在常規荷載及地震力作用下的內力也與橋墩剛度密切相關。因此，進行橋墩設計時既要滿足列車運行時橋墩的剛度要求，又要避免墩身剛度過大導致墩身內力增大。

表2 2種固結方式下橋梁結構自振特性對比

3#—6#墩4 墩固結，均為雙薄壁墩，其壁厚可選2.2 m 或2.5 m。對比2 種壁厚下橋梁結構自振特性，見表3。可知，墩身壁厚宜選擇2.5 m。

表3 2種壁厚下橋梁結構自振特性對比

設置橫系梁可改善懸臂施工和成橋階段橋梁的自振特性，提高橋墩穩定性。實際工程中，成橋后橫系梁在溫度、活載、多遇地震等作用下受力偏大，并非橫系梁越多、尺寸越大越有益，須合理選擇橫系梁布置方案。

根據工程實際，設計了3 種橫系梁設置方案：①4個固結墩各設1道橫系梁；②3#—5#墩各設2道、6#墩設1 道橫系梁；③3#，4#墩各設3 道、5#墩設2 道、6#墩設1道橫系梁。3種方案下橋梁結構自振特性對比見表4。可知，宜選方案③。

表4 3種橫系梁設置方案下橋梁結構自振特性對比

對橋墩設計方案進行優化，見表5。考慮2#墩為非固結墩且高度僅8 m，改用圓端型實體墩；考慮6#墩高度僅53 m，為控制其剛度，墩身壁厚改為2.2 m。

本橋3#，4#橋墩設計最為典型，見圖5。

表5 橋墩設計方案

圖5 3#，4#橋墩立面（單位：cm）

4.3 承臺及樁基

大跨剛構-連續組合梁A 形高墩的承臺常采用分離式和整體式2 種。分離式承臺需在2 個分離的承臺間設置系梁并張拉系梁橫向預應力鋼束，工序繁瑣，且當樁基根數較多時不便于樁基布置。故本橋承臺采用整體式承臺，樁基直徑為1.8 m。其中尺寸最大的3#，4#墩承臺為21 m×39 m×5 m，采用45根樁基。

5 主橋結構靜力計算分析

5.1 縱向計算分析

采用西南交通大學橋梁系開發的BSAS Pro 2017橋梁結構分析軟件進行結構靜力計算，恒載、活載、附加力等均按規范取值［4-5］。

通過靜力計算，對箱梁各參數進行驗算。以固結墩的墩身壁厚為例，計算2 種壁厚的梁體和橋墩在恒載作用下的內力（彎矩），見表6。可見，選用2.5 m 壁厚能更好地滿足結構受力及列車運行要求。

橋梁施工的合龍順序有2 種備選方案：邊跨→次邊跨→中跨；次邊跨→邊跨→中跨。通過縱向計算，2 種順序合龍時的梁體內力相近。試算主力工況下施加不同合龍頂推力時固結墩墩底彎矩，見表7。可知，施加6 000 kN 頂推力能有效調整墩身內力，使各墩底正、負彎矩分布更均勻，受力更合理。為了更便于施工，最終確定采用次邊跨→邊跨→中跨的合龍順序，并在中跨合龍時施加6 000 kN的頂推力［9］。

表6 2種壁厚下橋梁結構內力（彎矩） kN·m

表7 主力工況下施加不同合龍頂推力時固結墩墩底彎矩

通過靜力計算，本橋各項指標均滿足TB 10092—2017要求。梁體上下緣壓應力最大值為20.4 MPa，最小值為0.7 MPa，均未出現拉應力；梁端轉角0.7%；邊跨的靜活載撓度為-16 mm，中跨為-48 mm。

5.2 橫向計算分析

利用MIDAS∕Civil進行箱梁橫向環框計算，將箱梁橫截面簡化成邊界條件為一般支承的框架結構，支承點位于兩腹板下。順橋向取1 m 寬，橋梁縱向活載影響寬度按TB 10002—2017 的4.3.5 條選取［10］。建立計算模型見圖6。考慮恒載、活載、溫度等作用，取最不利組合進行箱梁橫截面的配筋計算。為方便施工，本橋橫向按普通鋼筋混凝土構件設計。

圖6 橫向環框計算模型

6 結語

1）通過方案比選，確定了西北一城際鐵路特大橋選用（80+4×144+80）m 剛構-連續組合梁的結構設計方案。該方案經濟合理，兼具連續梁和連續剛構的優點，減少了大型橋梁支座和養護費用，降低了橋墩和基礎的工程量。

2）考慮橋梁整體受力、上部結構的工程量及外形美觀等因素，選用單箱單室直腹板截面梁，確定了箱梁尺寸，設置了橫隔墻、通風孔、泄水孔及排水管等，并按施工順序劃分了21種梁段以便于施工。

3）利用MIDAS∕Civil軟件建立主橋計算模型，進行動力特性計算，分別對比不同固結方式、橋墩墩身壁厚、橫系梁設置方案下橋梁的自振特性，得出最優橋墩設計方案，即：3#—6#墩4 墩固結，均采用雙薄壁墩，橫向為A 形，設置1～3 道橫系梁；3#—5#墩墩身壁厚為2.5 m，6#墩為2.2 m。

4）通過主橋結構靜力計算驗證橋梁設計方案的合理性，確定了次邊跨→邊跨→中跨的合龍順序，并在中跨合龍時施加6 000 kN 頂推力。箱梁縱向計算及橫向環框計算表明，本橋采用的雙薄壁剛構墩在最不利荷載工況下能夠滿足結構的安全使用要求。