西平铁路(54+3×90+54) m刚构-连续梁设计

杨正华

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 工程概况

西平线漠谷河2号大桥位于陕西乾县乾陵水库上游库尾处,该水库位于乾县县城西北约5 km,漠谷河中游响石潭处。桥址区为“U”形河道冲沟,两岸为黄土斜坡,自然坡度25°～35°,地貌上属黄土残塬区,塬面经受强烈剥蚀,地形起伏较大,桥梁跨越漠谷河河谷,西安台侧岸坡较缓,沟谷内及左岸岸坡较陡处采用90 m跨度跨越。

地质调查及钻孔揭示,主要地层为第四系更新统冲积黏质黄土、第四系上中更新统风积黏质黄土、第四系中更新统冲积粉质黏土和细圆砾土、粗圆砾土、卵石土,第四系下更新统粉质黏土,底部为奥陶系中统灰岩。土壤最大冻结深度100 cm,地震动峰值加速度为0.10g,地震反应谱特征周期为0.45 s。

由于线路跨越河谷,桥梁孔跨布置受线路控制,必须采用大跨高墩的方案。本桥桥高达70 m,若采用常规连续梁方案则固定墩为满足刚度要求将体形巨大,经济美观性较差,经综合比较,该桥最终采用3-32 m简支梁+(54+3×90+54) m刚构连续梁。主桥布置见图1。

图1 漠谷河2号大桥主桥立面布置(单位：cm)

2 主要技术标准

(1)铁路等级：国铁Ⅰ级

(2)正线数目：单线

(3)设计行车速度：120 km/h

(4)平面：直线

(5)线路纵坡：13‰

(6)设计荷载：中活载

(7)地震烈度：7度

3 结构设计

3.1 上部结构设计

主梁梁体采用变高度变截面预应力混凝土连续箱梁,一联总长379.5 m,边支座中心至梁端距离0.75 m,计算跨度为(54+3×90+54) m,梁截面采用单箱单室,边支点及跨中梁高4.0 m,中支点梁高7.0 m,梁底变化段采用1.8次抛物线。箱梁顶宽7.5 m,底宽5.0 m,顶板厚0.36 m,底板厚0.40～1.0 m,腹板厚0.45～0.90 m,支座中心横向间距中支点为4.6 m,边支点为3.2 m,连续梁中支点处箱梁梁底加宽至6.4 m,刚构墩墩顶箱梁底加宽至7.4 m。

全联在刚构墩顶、中支点和边支点处设置8道横隔板,横隔板均设置过人洞,刚构墩顶处箱梁隔板厚1.2 m,其余中横隔板厚2.0 m,边横隔板厚1.5 m。箱梁两侧腹板与顶底板相交处均采用圆弧倒角过渡。

梁段划分以T构为中心,两侧对称为宜,悬臂浇筑时能保证梁体稳定,但本桥由于西安侧边跨合龙段附近桥面较高,不能采用支架施工,故而相对于中跨而言,边跨存在超打梁段。具体梁段划分为：两侧T构靠近边跨划分为11个梁段,靠近中跨划分为10个梁段。其余每个临时T构两侧均划分为10个梁段。连续墩两中支点墩顶梁段为0′号段,与墩顶临时支座固结,形成临时T构。刚构墩墩顶梁段为0号梁段。0、0′号梁段长11.0 m,1、1′梁段长3.0 m,2、2′、11′梁段长3.5 m,3～10号梁段长4.0 m,3′～10′号梁段长4.0 m,11、12′号梁段为合龙段,长为2.0 m,13′号梁段为边跨现浇段,梁长为5.25 m。其中采用挂篮施工时最重梁段为3号梁段,重约1 510 kN。梁体构造见图2，主梁半支点、半跨中截面见图3。

图2 梁体构造(单位：cm)

图3 主梁半支点、半跨中横截面(单位：cm)

梁体设计为纵、竖双向预应力体系,纵向按全预应力构件设计。纵向预应力钢束采用高强度低松弛钢绞线,标准强度fpk=1 860 MPa,其中腹板束采用12-7φ5 mm钢绞线,其余采用15-7φ5 mm钢绞线,均选用内径φ90 mm塑料波纹管成孔,OVM系列锚具。竖向预应力筋采用φ25 mm精轧螺纹钢筋,标准强度fpk=830 MPa,采用JLM-25型锚具。

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纵向预应力钢束配置为：刚构墩处梁顶板钢束为26束,腹板钢束为24束；连续梁墩处梁顶板钢束为28束,腹板钢束为24束；边跨顶板钢束为4束,主跨和次边跨顶板钢束为4束,主跨底板钢束为17束,次边跨底板为16束,边跨底板为12束。

3.2 下部结构设计

3.2.1 桥墩设计

刚构墩与主梁固结,桥墩纵横向刚度不仅影响着墩顶位移和截面强度,而且对主梁内力影响较大,因此选择合适的墩梁刚度比至关重要。刚构墩设计时要充分考虑混凝土的收缩徐变、温度变化和制动力的影响,桥墩要能适应上述因素产生的位移变化,降低次内力的影响,同时又要满足施工、运营对稳定性的要求,保证列车运行的平稳舒适。

本桥最大墩高近70 m,为满足刚构墩刚度要求,其横截面采用抗扭性能好,抗推能力强的矩形箱形截面。通过计算比较分析,在墩顶处沿桥纵向墩顶宽6 m,壁厚0.7 m；沿桥横向墩顶宽7.4 m,壁厚0.8 m。纵向采用直坡,横向在箱梁底面以下2 m处放坡,外坡30∶1,内坡40∶1。考虑固端干扰力的影响,墩顶设2 m实体段,墩底设4 m实体段。箱梁底面下5 m范围内采用C50混凝土,其余采用C40混凝土,墩身全高范围内添加聚丙烯纤维。同时为维护及检修的需要,在刚构墩墩顶和箱梁底板设置直径为0.8 m的进人洞。刚构墩立面、侧面见图4。

图4 刚构墩立面、侧面(单位cm)

3、7号墩在墩顶处沿桥纵向墩顶宽5 m,壁厚0.6 m；沿桥横向墩顶宽7.4 m,壁厚0.65 m。纵向采用直坡,横向在顶帽下缘2.5 m处放坡,外坡45∶1,内坡65∶1。

4号墩在墩顶处沿桥纵向墩顶宽6 m,壁厚0.7 m；沿桥横向墩顶宽7.4 m,壁厚0.8 m。纵向采用直坡,横向在顶帽下缘2.5 m处放坡,外坡30∶1,内坡40∶1。

3.2.2 基础设计

4 主桥结构计算

4.1 上部结构纵向整体静力计算

4.1.1 计算模型和施工阶段划分

结构纵向计算采用西南交大bsas平面有限元程序,按照实际的施工顺序进行结构的离散,共分为187个单元,其中桥面梁单元132个,刚构墩39个单元,188个节点。5、6号刚构墩群桩基础按照刚度等效的原则模拟成双柱式基础,双柱之间采用刚性杆件将桩顶连接,形状如“π”形结构,刚构墩与主梁单元采用主从连接。

计算中考虑的施工方法为分别以4个T构为支撑,向两侧对称悬臂施工,直至浇筑完10、10′号梁段,中跨合龙,然后次边跨合龙,施工边跨超打段11′梁段,进而支架施工边跨现浇段,最后合龙边跨,完成全桥施工。全桥共分为53个施工阶段,施工过程考虑自重、预应力、挂篮、悬臂段不平衡重、体系转换、风力等工况；运营阶段考虑了基础不均匀沉降0.01 m。考虑当地的气象特征,合龙温度按10 ℃考虑,温度荷载包括整体升温 16.3 ℃、降温17 ℃、桥面板非均匀升温5 ℃,活载和地震力等。

4.1.2 主要计算结果

(1)刚度控制指标

①竖向静活载作用下位移：计算结果边跨最大竖向位移-7.22 mm,为跨度的1/7 479,中跨竖向最大位移-19.9 mm,为跨度的1/4 523。

②徐变变形：设计二期恒载上桥时间按60 d计算,考虑收缩徐变的影响后,理论计算残余徐变拱度值为2.6 mm。

(2)结构静力计算结果见表1。

表1 主梁结构静力计算结果

4.2 箱梁横向静力计算

箱梁横向计算时将箱梁横向简化为带刚性支承的框架结构,支承点位于两腹板下,沿桥纵向取单位米长,桥梁纵向活载影响分布宽度按照《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)4.3.4条办理。计算荷载包括恒载、活载、温度变化等作用。横向升降温按以下情况考虑,取最不利情况进行横向设计,升温按箱身外部一侧腹板升温10 ℃,顶板和另侧腹板升温5 ℃,箱身内部及底板温度不变计算；降温按箱梁内外温差10 ℃计算。

4.3 结构整体动力计算

采用Midas软件中的梁单元建立全桥空间有限元模型,进行空间动力分析。其中刚构墩与主梁单元采用刚臂连接；连续梁桥墩与主梁采用主从连接,根据支座布置形式采用相应的约束；墩底按照刚度等效的原则采用6个方向的弹簧刚度模拟土的约束作用,动力计算结果见表2。

表2 全桥动力计算结果

5 结语

刚构-连续梁结构体系综合了刚构和连续梁的优点,中跨梁体受固定墩的约束,与连续梁相比,连续刚构中的固定墩可以消减支点处梁体内力峰值,降低梁高,使得梁部轻巧、经济；刚构连续梁体系整体性好、抗震、抗扭性能好,结构受力合理；同时还节省大吨位支座,减少支座养护工作量,且施工稳定性好,避免梁部浇筑时较为复杂的墩梁临时固结措施。本文结合漠谷河2号大桥主桥刚构-连续梁工程实例,介绍了该桥的主要设计参数、计算方法和注意事项,结果表明各项指标满足规范要求。

[1] 中华人民共和国铁道部.TBl0002.3—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．

[2] 中华人民共和国铁道部.TBl0002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社,2005．

[3] 中华人民共和国建设部.GB50111—2006 铁路工程抗震设计规范[S].北京：中国计划出版社,2009.

[4] 王文涛.刚构-连续组合梁桥[M].北京：人民交通出版社,1997.

[5] 宋韬彬.主跨220 m刚构-连续组合梁桥设计[J].铁道标准设计,2009(3)：29-32.

[6] 王淑敏.客运专线(48+3×80+48) m刚构-连续组合梁桥刚构桥墩设计研究[J].铁道标准设计,2007(2)：47-49.

[7] 钱枫.马坡洛河特大桥刚构连续梁设计[J].铁道标准设计,2010(6)：87-89.

[8] 陈自华.厦门市大嶝大桥连续刚构的计算和施工[J].中国市政工程,2007(3)：50-51.

[9] 吴根存.铁路高墩大跨刚构-连续组合梁桥设计[J].铁道标准设计,2007(2)：100-102.

[10] 金莉.石太客运专线(48+80+48) m预应力混凝土连续刚构桥设计[J].铁道标准设计,2007(2)：72-75.