高烈度區高速鐵路大跨度梁拱組合橋設計

張 揚

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 概述

梁拱組合結構以其跨越能力大、跨徑適應能力強、外形美觀等優點備受橋梁工程師的青睞，近年來被廣泛應用于高速鐵路橋梁中[1-3]。如京滬高速鐵路鎮江京杭運河特大橋為(90+180+90) m預應力混凝土連續梁-拱橋，京津城際跨四環線為(60+128+60) m預應力連續梁-拱橋。梁拱組合結構利用主梁承受彎矩和拉力，拱肋承受軸壓力，通過調整吊桿張拉力使主梁呈最優受力狀態。這種橋式結構不僅有效降低了主梁支點負彎矩和剪力的峰值，達到減小主梁截面高度、結構輕型化的目的，還有效增大了混凝土梁橋的跨越能力，克服了拱橋對地基要求高的缺點。

隨著高速鐵路的迅猛發展，線路穿越高烈度地區不可避免，但我國現行公路及鐵路橋梁抗震設計規范對此類橋梁結構在地震高烈度區的適用性尚無具體規定。因此，有必要對高烈度區連續梁拱橋進行抗震及減隔震設計研究，對制定相應的抗震措施，保證橋梁的安全具有重要意義。以徐宿淮鹽鐵路徐洪河特大橋(100+200+100) m連續梁拱組合結構橋梁為研究對象，對該橋整體力學性能、工后續變變形、地震反應分析等設計難點進行深入研究。

2 工程概況

徐宿淮鹽鐵路徐洪河特大橋位于江蘇省宿遷市，處于郯廬斷裂帶影響范圍內，橋址區緊鄰徐沙河沙集船閘，船閘集農田灌溉、交通航運、泄洪功能為一體。為滿足徐沙河Ⅲ級航道通航要求，并減少對既有沙集船閘的影響，決定采用(100+200+100) m連續梁-拱跨越徐沙河。橋梁立面布置見圖1。

圖1 徐洪河特大橋立面布置(單位：cm)

本橋主要技術標準如下。

(1)線路情況：客運專線，雙線線間距為4.6 m，設計時速250 km，主橋平面位于直線段，立面為平坡。

(2)軌道類型：有砟軌道。

(3)設計活載：ZK活載。

(4)通航標準：規劃通航等級為Ⅲ級，航道立交要求凈寬70 m，凈高7.5 m。

(5)地震烈度：根據徐洪河特大橋場地地震安全性評價結果，50年超越概率10%情況下(設計地震)最大地震動峰值加速度為0.34g，地震動反應譜周期為0.75 s。

3 結構構造

3.1 主梁構造

主梁采用單箱雙室、變高度、變截面預應力混凝土結構。邊跨和跨中直線段梁高6.0 m，中支點處梁高12.0 m，梁底下緣按圓曲線變化；箱梁頂寬14.2 m，底寬12.0 m，在中支座處20 m范圍內頂寬加寬至17.2 m，底寬加寬至15.2 m。主梁頂板厚43～56 cm，底板厚40～110 cm，按圓曲線變化至中支點梁根部，頂板及底板均在隔墻位置加厚。箱梁采用直腹板形式，腹板厚度為40～55～70 cm，按折線變化。全橋共設5道橫隔梁，邊支點隔墻厚1.8 m，中支點隔墻厚4.0 m，跨中隔墻厚0.8 m。主梁于吊桿處共設置20道吊點橫梁，吊點橫梁高分別為1.4 m和1.6 m，厚0.4 m。主梁支點及跨中截面構造如圖2。

主梁共分91個梁段，梁拱結合部0號梁段長20.0 m，中跨合龍梁段長3.0 m，邊跨直線段長6.9 m，其余梁段長分為3.5 m、4.0 m、4.5 m、2.75 m。中支點及邊支點部分梁段采用支架現澆法施工，其余梁段均采用掛籃懸臂澆筑施工。

圖2 主梁斷面構造(單位：cm)

3.2 縱向預應力體系

主梁設縱、橫、豎三向預應力體系，縱向預應力采用19-φj15.2 mm和15-φj15.2 mm兩種規格鋼絞線，均采用兩端張拉方式。橫向預應力采用5-φj15.24 mm鋼絞線，順橋向間距0.5 cm，采用單端交錯張拉方式。豎向預應力設計為φ32 mm的高強精軋螺紋鋼，順橋向間距一般為0.5 m，采用二次張拉工藝。

3.3 拱肋構造

拱肋采用鋼管混凝土結構，計算跨度為200 m，設計矢高為40.0 m，矢跨比為1/5，拱軸線采用二次拋物線，設計拱軸線方程為y=-1/250x2+0.8x。拱肋采用啞鈴形結構，該截面具有足夠的縱、橫向剛度，且構造簡單、施工方便。拱管直徑為1.2 m，管壁厚24 mm(并拱腳附近局部加厚)，拱管內灌注C55補償收縮混凝土。上下拱管之間設置腹腔，腹腔寬0.80 m，壁厚20 mm。兩榀拱肋中心距為13.0 m，拱肋之間采用桁架式橫撐，各橫撐由4根φ600×14 mm主鋼管和32根φ300×12 mm連接鋼管組成，鋼管為空鋼管，內部不填充混凝土。全橋共設置10道橫撐，橫撐間距為18 m，拱肋及橫撐斷面如圖3。

圖3 拱肋和橫撐斷面布置(單位：cm)

3.4 吊桿

全橋共設置20組雙吊桿，順橋向間距為9.0 m，吊桿采用PES(FD)7-61型低應力防腐拉索，外套復合不銹鋼管，配套使用冷鑄鐓頭錨。吊桿上端穿過拱肋，錨于拱肋上緣張拉底座，下端錨于吊點翼緣與腹板相交處固定底座。吊桿索采用箱外“牛腿”的錨固形式。

3.5 支座體系

主梁采用雙曲面球形摩擦擺支座，各支點橫向設置2個支座，邊支座噸位12 500 kN，中支座噸位140 000 kN，支座橫向間距為10.0 m。

3.6 下部結構設計

該橋主墩基礎具有深基坑、超長群樁的特點，施工中采用雙臂鋼圍堰并設內支撐。兩主墩均采用圓端形實體墩，主墩高9.0 m，順橋向長6.6 m，橫橋向長19.4 m，上承臺尺寸(順橋向×橫橋向×厚度)為10.0 m×20.6 m×2.5 m，中承臺尺寸為15.0 m×22.6 m×2.5 m，下承臺尺寸為24.2 m×29.4 m×4.0 m。主墩基礎設計為30根φ2.0 m鉆孔灌注樁，樁長90 m。交接墩墩高10.4 m，墩身順橋向長4.5 m，橫橋向長15.0 m，單層承臺尺寸為10.6 m×18.6 m×3.5 m，交接墩采用15根φ1.5 m鉆孔灌注樁，樁長59 m。

4 主橋結構計算

4.1 主梁靜力計算

靜力計算軟件為橋梁博士，全橋共劃分210個單元，根據擬定施工方法和步驟，按照平面桿系結構進行整體分析。計算模型考慮了鋼管混凝土實際形成過程，鋼管部分先期架設并參與受力，管內混凝土達到強度后再參與受力。拱肋內混凝土形成整體后，安裝吊桿，根據計算確定吊桿合理張拉順序和張拉力。每對雙吊桿初張力為100 kN，橋面系施工完畢后，調整吊桿索力至580～700 kN。

主梁按全預應力構件設計，呈全截面受壓狀態。ZK靜活載作用下，梁端最大轉角為0.640‰，“ZK靜活載+0.5倍溫度”作用下，主梁跨中最大撓度為48.4 mm，撓跨比為1/4611。全橋升溫25 ℃時，主梁梁端的縱向變形為75.25 mm、25.23 mm，主跨跨中最大上撓0.29 mm，拱頂上撓10.1 mm，主梁強度、剛度滿足規范要求。

4.2 徐變變形分析

隨著時間的增長，大跨度預應力混凝土結構會產生持續變形，徐變變形引起結構內力重分布，進而造成橋梁幾何線形的改變，給高速鐵路軌道平順性帶來不利影響。本橋主跨達200 m，通過采取以下措施盡量減小徐變變形[4-5]。

(1)適當延長加載齡期

在主梁懸臂澆筑施工時，混凝土加載齡期越大，則徐變終極值越小；隨著混凝土齡期的增長，其彈性模量也相應提高，彈性變形減小。在不影響工期的前提下，合理的施加預應力時間，是控制徐變變形的重要因素。本橋設計時懸灌澆筑段混凝土加載齡期要求強度、彈模達到設計值的100%，并不小于7d。

(2)控制主梁恒載應力

混凝土梁的徐變與恒載作用下主梁上、下緣正應力差值有關，差值越大，后期徐變變形也越大。本橋預應力鋼束布置時，在充分考慮張拉錨固等構造要求下，最大化增加預應力鋼束偏心距，使二期恒載鋪設完成后，梁體截面上下緣應力差控制在3.5 MPa左右。

(3)合理的剛度取值

根據線性徐變理論，徐變上拱的大小與施加預應力時梁體的彈性模量有關，偏低的彈性模量會引起較大的徐變上拱，實際施工時，應保證混凝土強度、彈模均達到設計要求。另外，適當加大高跨比也可以提高設計剛度。徐洪河(100+200+100) m連續梁-拱設計時，梁體中支點和跨中高度分別采用12.0 m和6.0 m，通過適當加大梁高的方式，限制了主梁跨中截面下緣預壓應力水平，控制徐變變形。

本橋設計時，對混凝土收縮徐變的計算統一按照初應變原理采用增量理論計算， 徐變系數按照橋博士計算程序自動計算。二期恒載加載時間按照180 d計，成橋1 500 d、10年、35年后，主梁徐變變形對比見表1。

表1 主梁徐變變形結果

一般情況下，混凝土收縮徐變終極時間大多在3～5年，本橋徐變終極時間按照10年考慮。成橋10年主梁后期徐變變形邊、中跨差值最大分別為-7.1 mm和17.6 mm。

4.3 拱肋檢算

在拱肋未灌注混凝土前，主拱肋及橫向聯結系為完全的鋼結構，應按鋼結構要求進行驗算；拱肋灌注混凝土以后及在橋梁的長期運營階段，為鋼管混凝土結構。運營階段拱肋鋼管最大壓應力為149 MPa，管內混凝土局部出現拉應力為0.719 MPa。拱肋縱向穩定系數為6.67，拱肋橫向穩定系數為5.59，整體穩定性滿足規范要求。

4.4 吊桿計算

主力作用下，吊桿最大應力為299 MPa，安全系數為5.58；“主力+附加力”作用下，吊桿最大應力為333 MPa，安全系數為5.02?；钶d作用下，吊桿最大應力變幅為125 MPa。

4.5 車橋動力分析

對徐洪河特大橋進行車橋耦合動力仿真分析，在動車組客車CRH2、CRH3以160～300 km/h速度通過時，橋梁結構豎向最大位移為7.52 mm，橫向最大位移為0.62 mm，最大動力響應均小于規范限值；車輛的脫軌系數、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標亦均在限值以內；動車和拖車的豎向、橫向舒適性均達到“優”。

5 抗震計算分析

5.1 自振特性分析

動力及抗震計算采用有限元分析軟件MIDAS Civil進行，全橋共計682個節點、622個單元，梁及拱肋采用空間梁單元，吊桿采用空間桁架單元。根據有限元模型，對該橋進行了自振特性及屈曲模態分析[6-8]，并且以此為基礎進行結構地震響應計算，空間計算模型如圖4。

圖4 主橋空間計算模型

本橋成橋狀態動力特性見表2，本橋第一階振型為拱面外彎曲，可見鋼管拱橋的面外剛度相對較小，易發生面外失穩；本橋第一階屈曲模態為拱肋橫向對稱彎曲。

表2 成橋狀態結構動力特性

5.2 抗震計算

橋址區場地50年超越概率63.2%(多遇地震)、50 年超越概率10%(設計地震)、50年超越概率2%(罕遇地震)的地震動參數取值見表3。由于屬于典型高烈度地區，應根據場地安評報告進行抗震設計。抗震驗算時，采用梁單元模擬主梁、墩柱、承臺，采用6個自由度的彈簧剛度矩陣模擬樁基與土的相互作用，采用6彈簧單元模擬樁基礎，彈簧剛度數值根據“m”法確定。

表3 徐宿淮鹽跨徐沙河場地水平向設計地震動參數

采用反應譜法計算多遇地震下結構響應，設計地震動加速度反應譜計算公式為

Sa(T)=Amaxβ(T)

(1)

(2)

式(1)和式(2)中，Amax為設計地震動峰值加速度，β(T)為設計地震動加速度放大系數反應譜，T為反應譜周期，βm為放大系數反應譜最大值，T1為第一拐點周期，Tg為反應譜特征周期，式中各參數按表3取值。設計采用雙曲面摩擦擺支座，該支座設置剪切銷，剪切銷強度按1.05倍多遇地震水平剪力控制，多遇地震作用下墩底內力見表4[9-10]。

表4 多遇地震作用下墩底內力

在罕遇地震作用下，墩身和基礎需要承擔很大的水平力，為保證橋梁的正常運營，采用雙曲面球形減隔震支座對橋梁結構進行減隔震[11-12]。建立本橋的非線性動力分析模型，并考慮雙曲面減隔震支座減震效應，在設計地震和罕遇地震作用下進行減隔震分析。時程分析時，采用摩擦擺單元模擬雙曲面球型減隔震支座[13-16]，考慮地震作用下活動支座滑動摩擦效應和雙曲面減隔震支座的非線性，減隔震支座計算參數見表5。

表5 雙曲面摩擦擺支座計算參數

設計地震作用下，各墩支座順橋向和橫向橋位移最大為27 cm。罕遇地震作用下，采用普通支座固定墩最大縱向彎矩為1 783 093 kN·m，采用減隔震支座后，中間墩最大彎矩為517 097 kN·m，減震率達71%，可見雙曲面球形減隔震支座具有較好的減震效果。

6 結語

以徐宿淮鹽線徐洪河特大橋(100+200+100) m連續梁拱為研究背景，對其進行深入分析，得出以下結論。

(1)在設計大跨度預應力混凝土連續梁拱橋時，可以通過適當加大梁體截面尺寸、增加預應力鋼束偏心距、選擇合理混凝土加載齡期、保證施工時混凝土彈性模量等措施有效控制梁體徐變變形。

(2)采用雙曲面摩擦擺支座可以延長結構周期，有效削弱地震力作用，優化制動墩設計。