重载铁路高墩大跨刚构连续梁桥设计研究

李伟龙

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 研究背景

重载铁路具有轴重大、牵引质量大、运量大的技术特点[1]。随着我国的经济发展，对运输的需求不断提高，运能大、效率高、运输成本低的重载铁路得到广泛关注。目前我国已建成并运营的重载铁路有大秦铁路、朔黄铁路、山西中南部铁路等[2]。

受沿线地形和运输特点的影响，重载铁路不可避免要穿越山区沟谷，因此高墩大跨的结构形式被广泛采用[3]。目前国内已建成的高墩大跨刚构连续梁已比较常见，但是重载铁路设计较少，特别是桥高大于110 m的刚构连续梁结构更为罕见，如山西中南部重载铁路(70+3×120+70) m刚构连续梁[4]，桥高为90 m。随着跨度、墩高、联长的增加，刚构连续梁的刚臂墩个数、合龙顺序、中跨合龙顶推力的选取以及结构稳定性等成为设计的难点。

2 项目概况

新建神木至瓦塘重载铁路永兴沟特大桥位于黄土梁峁区，属于山区桥梁，主桥采用(66.75+4×115+66.75) m预应力混凝土刚构连续梁，联长593.5 m，主桥布置如图1所示。本线的技术标准和主梁的主要设计参数见表1。

图1 主桥孔跨立面布置(单位：cm)

表1 主桥主要设计参数

3 关键参数比选

3.1 结构形式的比选

国内外大量桥梁的使用经验表明，桥梁的耐久性对桥梁的安全性和经济性起着决定作用[5]，经济合理性应当使建造费用与使用期内的检查维修费之和达到最小[6]。针对该桥的特点，对几种常用结构形式的桥梁进行了详细对比，见表2。

表2 结构形式比选

大跨刚构连续梁的主要优点在于：节省了大吨位支座和运营期间检查维修方面的麻烦[7]，同时节省了桥墩和基础工程，墩梁固结更利于悬灌施工，对于连续且有较高墩的结构适用性好[8]。因此，经综合经济、技术和运维比较，本桥主桥采用刚构连续梁结构形式。

3.2 刚臂墩个数比选

主桥有5个主墩，受制动力、温度、收缩徐变的作用，墩与梁固结数不同时，墩、梁的受力差异较大[9]，所以设计时对不同刚臂墩个数下的结构进行计算分析。为保证结构的对称性，分别对中间3个刚臂墩和中间1个刚臂墩两种结构进行计算，选取了降温、制动力及收缩徐变作用下刚臂墩及主梁的最大内力，主要计算结果见表3。

表3 墩梁固结数不同时结构计算结果 kN·m

由计算结果可以看出，无论是刚臂墩还是梁部，采用3个刚臂墩均比采用1个刚臂墩受力更为合理，因此主桥确定采用3个刚臂墩的刚构连续梁结构形式。

3.3 合龙顺序比选

根据本桥的特点，提出两种可行的合龙方案[10]。方案Ⅰ：中跨→次中跨→边跨；方案Ⅱ：次中跨→中跨→边跨。针对这两种合龙方案，对桥梁的竖向挠度、支座位移及刚臂墩内力进行计算[11]，主要计算结果分别见表4、表5、图2。

表4 不同合龙方案结构计算结果 kN·m

表5 不同合龙方案支座偏移量

图2 不同合龙方案主梁挠度

成桥状态时，方案Ⅰ工况下刚臂墩的最大弯矩为253 730 kN·m，方案Ⅱ工况下为206 315 kN·m，方案Ⅰ较方案Ⅱ大23%；方案Ⅰ工况下主梁挠度、支座纵向位移均较方案Ⅱ大。经综合分析，本桥合理的合龙顺序应为方案Ⅱ，即先合龙刚构-连续跨，再合龙刚构跨，最后合龙边跨。

3.4 中跨合龙顶推力比选

刚构连续梁结构，由于墩梁固结，随着混凝土收缩徐变的发生，刚臂墩的墩底会产生次内力[12]。为了改善主梁与刚臂墩的受力，合龙时一般会施加一组合龙顶推力[13]，使桥墩预先承受反向弯矩，以减小合龙温差、混凝土收缩徐变等因素产生的次内力[14]。表6为不同合龙顶推力作用下刚臂墩的内力。

表6 不同合龙顶推力作用下刚臂墩内力计算结果

由计算结果可以看出，在一定范围内，随着顶推力的增大，刚臂墩预先承受的弯矩逐渐增大，收缩徐变完成后的弯矩逐渐减小，活载产生的最大弯矩为173 083 kN·m。为了使刚臂墩在施工及运营阶段主力作用下的弯矩比较均匀且比较小，本桥合龙顶推力采用3 000 kN。

4 主梁静力计算

主梁截面形式为单箱单室直腹板，梁体混凝土采用C55高性能混凝土，梁高按二次抛物线变化，中支点处梁高9.0 m，边支点和跨中位置梁高5.0 m。箱梁顶宽13.9 m，顶板厚连续梁跨0.40～1.2 m，连续刚构跨0.4～1.7 m；底宽7.5 m，与墩顶等宽，底板厚0.5～2 m；腹板厚0.5～1.5 m。

4.1 运营阶段结构计算

全桥静力分析时，取主力和主+附两种工况分别按照最不利组合进行检算[15]，表7给出了主梁控制性截面的计算结果。

表7 主梁结构静力计算结果

4.2 主梁挠度、预拱度及支座预偏量

在ZH(z=1.2)静活载作用下，主梁的跨中最大挠度为41.6 mm，挠跨比为1/2 764.4，梁端转角为0.80‰，摇摆力作用下的最大横向位移为0.95 mm，横向风荷载作用下的最大位移为16 mm，计算结果均满足规范限值的要求。

根据规范要求，需对主梁设置预拱度[16]，预拱度为恒载产生的挠度加1/2静活载产生的挠度。

为了平衡梁体在张拉预应力、混凝土的收缩徐变及升降温作用所产生的纵向位移，滑动支座处均应设置水平预偏量[17]，表8为本桥的支座安装顺桥向水平预偏量(合龙温度取15 ℃)。

表8 支座安装预偏量

5 结构稳定性计算

主桥9号～11号刚臂墩采用矩形空心桥墩，壁厚为100 cm，纵向为直坡，横向自箱梁底面以下3 m处至63 m处采用外坡30∶1、内坡70∶1的坡率，箱梁底面以下63 m处至承台顶采用外坡15∶1、内坡70∶1的坡率，桥墩横桥向呈“扫把”形状。高墩大跨刚构连续桥，在施工阶段中最高墩的最大悬臂状态以及运营状态下的稳定性往往对于结构来讲至关重要[18]。

5.1 单墩稳定性分析

本桥主桥采用悬灌法施工，主墩的最大悬臂长度为52.2 m，取11号墩为研究对象，荷载包括：(1)恒载(悬臂自重偏差5%)；(2)一侧挂篮跌落，考虑挂篮动力系数；(3)施工机具的不均匀堆放；(4)梁段浇筑不同步引起的偏差；(5)桥墩顺、横向风荷载；(6)温度梯度升、降温；(7)整体升、降温。分别取以上荷载的最不利工况组合进行分析[19]。图3给出了115 m高主墩最大悬臂模型下的一阶失稳模态。

图3 115 m高主墩最大悬臂一阶失稳模态

单墩前10阶稳定性计算所得特征值见表9。

表9 桥墩稳定性特征值计算结果

5.2 运营阶段稳定性分析

对成桥阶段进行稳定性分析，荷载类型主要包括：(1)自重；(2)二期；(3)车道荷载；(4)制动力；(5)整体升、降温；(6)温度梯度升、降温；(7)纵、横向风荷载。分别取这些荷载的最不利工况组合进行分析[20]。图4给出了运营阶段全桥模型下的一阶失稳模态。

图4 运营阶段一阶失稳模态

全桥前10阶稳定性计算所得特征值见表10。

表10 全桥稳定性特征值计算结果

由计算可知，本桥在施工及运营阶段均具有良好的稳定性。

6 刚臂墩地震作用分析

主桥位于6度(Ag=0.05g)区，选取最高墩11号墩的地震作用计算结果进行分析，计算结果见表11。

表11 地震作用计算结果

地震作用下刚臂墩的钢筋及混凝土应力均满足规范要求，且与主力、主+附作用下刚臂墩中钢筋的最大应力σs=225 MPa，混凝土最大应力σc=10.6 MPa相比，本桥地震作用不控制桥墩的设计。

7 结语

随着国家经济的发展需要，重载铁路的修建越来越多。重载铁路高墩、大跨刚构连续梁桥设计中关键参数的选取对设计的成败至关重要。依托重载铁路神瓦铁路永兴沟特大桥主桥的设计，通过一系列研究分析，结论如下。

(1)该桥主桥采用中间3个刚臂墩的结构形式较为合理，采用先合龙刚构连续跨，再合龙刚构跨，最后合龙边跨的合龙顺序，可有效改善成桥后梁部和桥墩结构受力。

(2)合理的顶推力对改善刚构连续梁运营阶段桥墩内力至关重要。

(3)通过计算主桥的静力计算结果均满足规范要求，主桥在施工阶段及运营阶段均有良好的稳定性以及本桥的设计不受地震作用控制。

该桥9号、10号主墩基础施工已于2019年9月完成，计划于2022年3月底完工。

该桥的设计建成将为今后类似工程设计和施工积累了有益经验，具有一定的参考价值。