高墩大跨连续刚构桥的设计及关键技术研究

徐斌

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

高墩大跨连续刚构桥的设计及关键技术研究

徐斌

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

依托兰州至合作铁路泄湖峡大夏河特大桥主桥(54+90+54)m连续刚构，采用有限元方法建模计算，对全桥结构动力特性、抗震性能进行了研究，并从主梁抗裂措施、主墩不等高对于梁部内力的影响、主墩墩身内力调整三个方面详细论述了单线高墩大跨连续刚构设计关键技术。分析结果表明:罕遇地震作用下，需合理配置塑性区域的钢筋以保证桥墩的转动能力;连续刚构设计关键技术为防止箱梁开裂，降低运营阶段墩身弯矩提供了可靠保证。

铁路桥梁 连续刚构 高墩大跨 设计 关键技术

1 工程概况

兰州至合作铁路泄湖峡大夏河特大桥，位于甘肃省临夏回族自治州以北13 km处，桥梁全长1 936 m，为单线铁路桥梁。主桥为跨越大夏河而设，设计为一联(54+90+54)m预应力混凝土连续刚构，最大墩高72 m。因桥梁较高，设计采用悬臂灌注法施工。0号段及边跨现浇段托架设于墩身上，先合龙中跨，超打一个梁段后，再合龙边跨。主桥位于直线上，线路纵坡12‰，桥梁设计时速160 km/h，轨道结构为有砟轨道，设计活载为中—活载，设计洪水频率为100年一遇，主桥立面布置图见图1。

图1 主桥立面布置(单位:cm)

2 结构设计

2.1 主梁结构设计

主梁采用预应力混凝土连续箱梁结构，计算跨度为(53.6+90+53.6)m，支座中心线至梁端0.75 m，结构联长199.5 m。中支点梁高7.0 m，跨中及边跨直线段梁高4.0 m，梁高沿纵向按1.8次抛物线变化。截面采用单箱单室直腹板形式。箱梁顶宽7.5 m，底宽5.0 m，顶板厚度除支点外均为36 cm。腹板厚跨中至支点为45～90 cm，底板厚跨中至支点为40～90 cm。每个中支点对应墩身外侧设置两道横隔板，每个边支点各设置一道横隔板，全联共设置6个横隔板，横隔板均设置过人洞共检查人员通过，箱梁顶面按两侧排水设计。主梁横断面见图2。

图2 主梁(半支点半跨中)横断面(单位:cm)

2.2 主梁预应力体系

主梁按纵向、竖向两向预应力体系设计，纵向采用全预应力理论。顶板纵向钢束采用15-7φ5钢绞线，其中中支点顶板束锚下张拉控制应力为1 209 MPa，边跨及中跨顶板合龙束锚下张拉控制应力为1 302 MPa;腹板纵向下弯钢束采用12-7φ5钢绞线，锚下张拉控制应力为1 302 MPa;边跨底板纵向钢束采用12-7φ5钢绞线，锚下张拉控制应力为1 264.8 MPa;中跨底板纵向钢束采用15-7φ5钢绞线，锚下张拉控制应力为1 302 MPa。钢绞线抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，均为双端张拉，采用OVM系列锚具。竖向预应力采用φ25 mm PSB 830精轧螺纹钢筋，抗拉强度标准值fpk=830 MPa，均为单端张拉，采用JLM-25型锚具。主梁纵向预应力钢束布置见图3。

图3 1/2主梁纵向预应力钢束布置(单位:cm)

2.3 下部结构设计

受桥址峡谷地形限制，23#墩位于大夏河右侧岸上，24#墩位于河谷滩地上，两墩高分别为53，72 m。连续刚构桥梁、墩刚性连接，内力分配与梁部和下部结构相互间的结构刚度有关，梁部与下部结构合适的刚度比既能满足全桥的纵向刚度，又能改善梁体内力分布，而且梁体的收缩、徐变及温度应力与刚构墩柱的抗推刚度也直接相关，因此有必要仔细研究墩型及布置形式。鉴于本桥桥墩较高，墩柱抗推刚度较小，同时墩身截面需保持足够的整体抗弯刚度来保持全桥的整体稳定，经双臂墩、矩形空心墩方案比选，刚构主墩最终选用矩形空心墩。墩顶截面横桥向宽7.4 m，纵桥向宽6 m，墩顶2 m高墩身为直线实体段，以下墩身横向放坡，外坡率30∶1，内坡率40∶1，纵向不放坡，空心墩顶纵桥向壁厚70 cm，横桥向壁厚80 cm。主墩顶部与箱梁底板设置进人洞，方便检查人员由梁内进入空心墩。

主墩基础为钻孔桩，按行列式布置，两个主墩均采用15根φ2.0 m的桩身，桩中心距纵向5.6 m，横向4.8 m。承台平面尺寸为14.4 m(纵向)×21.6 m(横向)×4 m(高度)。

3 结构分析

3.1 静力分析

该桥纵向计算考虑了桩基础与地基相互作用对上部结构的影响，计算过程中，根据等刚度原则将群桩基础模拟成双短柱，做到换算前后两种结构在单位力作用下位移和转角一致。结构纵向静力计算采用桥梁平面杆系程序BSAS4.26，分别进行了施工阶段和运营阶段的计算。施工阶段考虑了挂篮移动不同步、混凝土浇筑不对称等原因产生不平衡重力，体系转换，风力，合龙预顶推力等工况;运营阶段考虑了基础不均匀沉降，箱梁不均匀升降温、体系整体升降温及活载等作用。

1)主梁整体刚度控制

竖向静活载作用下，边跨位移为5.89 mm，为跨度的1/9 100，满足规范要求的≤1/800，中跨位移为15.98 mm，为跨度的1/5 632，满足规范要求的≤1/ 700。中活载作用下梁端转角0.43%，满足规范要求的≤3‰。

2)截面应力及强度安全系数

截面应力及强度安全系数检算结果见表1，均满足现行规范要求。

表1 主梁截面检算结果

3.2 全桥结构抗震性能研究

3.2.1 地震动输入

本桥位于Ⅶ度地震区，桥址处为Ⅱ类场地。动峰值加速度Ag=0.32g(相当于设防烈度为Ⅶ度的罕遇地震)，场地特征周期Tg=0.45 s，按照《铁路工程抗震设计规范》生成反应谱曲线，进而拟合3条人工加速度时程波(图4)。由图4可知，3条人工波与设计反应谱的频谱特性较为一致。

图4 设计强度地震反应谱与人工地震波频谱特性比较

3.2.2 模型建立

抗震分析采用有限元法，在SAP2000V14分析程序中建立空间动力分析模型。全桥模型采用了96个单元，119个节点。根据连续刚构桥的结构特点建立三维有限元动力分析模型，桥墩、主梁均采用空间梁单元，二期恒载采用梁单元分布荷载模拟，主梁和主墩采用主从约束进行模拟，承台模拟为质点，承台底与地基固结进行模拟。

3.3.3 动力特性分析及抗震性能研究

分析和认识桥梁结构的动力特性是进行桥梁结构抗震性能分析的基础和重要环节，为此，首先对刚构桥进行了动力特性分析。表2给出了前5阶自由振动的周期、频率及振型特征。

表2 动力特性描述

采用纤维单元，对各关键截面进行划分，利用实际的截面配筋和混凝土应力—应变关系，进行弯矩—曲率分析(考虑响应轴力)，得到各关键截面的等效屈服弯矩。采用时程分析计算的罕遇地震作用下地震响应及采用纤维截面计算得到的抗弯能力汇总在表3，4中。

表3 罕遇地震作用下地震响应及抗震性能(纵桥向输入)

表4 罕遇地震作用下地震响应及抗震性能(横桥向输入)

由表3、表4可以看到，本大桥在地震作用下墩底截面较墩顶截面更容易受到损伤。在多遇地震作用下，各桥墩墩底及墩顶截面均未进入屈服，结构处于弹性工作状态，达到预计的性能目标。在罕遇地震作用下，横桥向地震输入下25#桥墩墩底截面屈服;其余各桥墩墩底和墩顶截面均未进入屈服，结构处于弹性工作状态。在纵桥向地震输入下各桥墩墩底截面均进入屈服，需要合理配置塑性区域的钢筋以保证桥墩的转动能力。

4 高墩大跨连续刚构设计关键技术

4.1 主梁抗裂措施

实际工程经验表明，连续刚构在中跨L/4至支点易因主拉应力过大发生腹板斜裂缝病害;而降低主拉应力可以从增加截面纵向正应力、竖向正应力和降低截面剪应力着手。本桥设计过程中，通过配置足够的纵向钢束提高梁体纵向正应力，通过腹板束下弯锚固并设置竖向预应力增加梁体竖向正应力;主梁梁底采用1.8次抛物线，相对于2次抛物线L/4跨处梁高增加15 cm，有效降低截面剪应力。以上措施使得主梁截面主拉应力得到很好的控制，计算表明截面最大主拉应力主力组合时－1.8 MPa，主力+附加力组合时为－2.17 MPa，混凝土开裂的安全储备充足。

4.2 两个主墩高不一致对于梁内力的影响

本桥两个主墩高度分别为53 m和72 m，高度比1∶1.36。墩身高度不一致将导致主梁左右两部分内力分布不对称，影响大时可导致左右两部分构造不一致。本桥箱梁主要内力计算结果见表5。由表中数据可以看出，左右边跨中主力加附加力组合弯矩相差5%，其余截面在各类荷载及组合工况下，弯矩相差均低于3%;可见本桥墩身不等高对于梁部内力有一定影响，但影响较小，梁部结构左右两部分构造仍可以按对称布置。

表5 箱梁主要内力计算结果kN·m

4.3 墩身内力调整

刚构连续梁合龙后，由于混凝土材料的收缩徐变，环境温度的降低等原因会导致墩身，特别是墩底截面后期弯矩显著增大。在中跨合龙前应通过劲性骨架对主梁施加一对反向的顶推力，并永存于梁体内，以有效降低墩身及基础后期的水平力和弯矩，改善墩身和基础的受力效果。顶推力的大小应可以抵消恒载、活载、收缩徐变在墩身外侧产生的不对称弯矩。顶推力的确定可以分两步进行;第一，使顶推力产生的远离跨中的位移与收缩徐变等值;第二，若以上方法所确定的顶推力不足以平衡墩身两侧产生的不均衡弯矩，则进一步增加顶推力。图5以24#主墩为例，按上述原则计算墩身弯矩内力，图5(a)使顶推力产生的位移与收缩徐变等值，墩身内外侧弯矩远远没有达到平衡;图5(b)施加的顶推力达到1 900 kN，墩身内外侧弯矩基本平衡，本桥最终设计顶推力为1 900 kN。顶推施工过程中，应严格观察墩顶位移和顶推力大小的协调匹配，分批施加。

图5 24号墩身内力包络(单位:kN·m)

5 结语

1)连续刚构梁桥具有结构整体受力性能好、养护工程量少、行车平顺等优点，当线路跨越峡谷地带时，连续刚构桥梁刚劲挺拔，能够更好地与桥址环境融为一体。

2)连续刚构桥梁整体性好，抗震和抗扭性能更为出色，在高烈度地震区高桥选型中是非常具有竞争力的桥型。连续刚构桥梁墩梁固结不仅有利于悬臂施工，且可以避免大型支座的使用及其养护、维修、更换。

3)连续刚构桥在罕遇地震作用下，桥墩墩底进入屈服，应关注墩底延性设计，需要合理配置塑性区域的钢筋以保证桥墩的转动能力。

4)连续刚构设计关键技术的研究是为了保证桥梁使用的耐久性，提高桥梁可靠度，使桥梁设计更为合理可靠。本桥设计研究为同类型桥梁设计提供有益的技术支持。

［1］马宝林.高墩大跨连续刚构桥［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］范立础.桥梁工程［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］苏青青，王海良.边中跨比对大跨度连续刚构桥徐变变形影响分析［J］.铁道建筑，2012(10):1-3.

［4］中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［5］中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［6］中华人民共和国建设部.GB 50111—2006铁路工程抗震设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2009.

(责任审编孟庆伶)

U442.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.03

1003-1995(2015)06-0010-04

2015-03-05;

2015-04-08

徐斌(1982—)，男，江苏宿迁人，工程师。