烏蘇通溝大橋設計

寧未華（中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，陜西西安 710043）

1 橋址自然概況

烏蘇通溝大橋所跨烏蘇通溝河發(fā)源于中天山深處的烏斯墩山區(qū)，溝槽大部分處于高山區(qū)，山大溝深，支溝發(fā)育，河溝蜿蜒曲折，河槽狹小迂回，長年流水，流域呈羽毛狀，流出溝口后逐漸變?yōu)楦瓯趯挏\性河流，最后匯入阿拉溝。橋址上下游河道基本順直，主河槽寬約35m 左右，流水基本通暢，河槽穩(wěn)定，上下游接卡口并有小支流匯入。橋址處涉及地層主要為：第四系全新統(tǒng)洪積粗圓礫土、卵石土、漂石土，第四系上更新統(tǒng)洪積細圓礫土、卵石土，志留系下統(tǒng)片巖夾變質砂巖。依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306－2001，該工程所屬區(qū)地震動峰值加速度為0.10g,動反應譜特征周期為0.35s。

2 工程概述

烏蘇通溝大橋為南疆吐庫二線跨越烏蘇通溝及順接隧道而設，小里程側接長度為8.8km的伯信特隧道，大里程側接長度為22.5km的中天山隧道，橋隧直接相連。伯信特及中天山均采用無碴軌道道床，考慮道床形式的統(tǒng)一及運營后的維修養(yǎng)護方便，烏蘇通溝大橋最終采用無碴軌道箱梁。因中天山隧道需采用TBM 掘進機施工，線路在此處由一次雙線分開為兩條單線并行，故烏蘇通溝大橋由左、右兩座單線大橋組成，左線孔跨布置為：6 孔32m 預應力混凝土簡支箱梁，全長207.4m；右線孔跨布置為：5 孔32m 預應力混凝土簡支箱梁，全長174.3m。

3 梁部構造設計及采用荷載

箱梁為單箱單室直腹板箱形截面，梁端頂、底板局部向內側加厚，腹板在梁端分別向內、外側加厚，防撞墻內側凈寬4.4m，橋上人行道欄桿內側凈寬6.5m，橋面板寬度為6.8m，橋梁建筑總寬為6.8m。梁長為32.6m，計算跨徑為31.5m，梁高為3.0m，頂板厚30～50cm，底板厚30～60cm，腹板厚30～90cm，橫向支座中心距為2.7m。箱梁橫斷面布置示意圖詳見圖1。荷載包括梁體自重、附屬設備重（鋼軌、扣件、軌枕、軌道板、底座、防水層、保護層、人行道欄桿、人行道緣石、人行道步板、防撞墻、電力電纜及電纜槽、通訊信號電纜及電纜槽，合計85.8kN/m）、中活載、離心力、搖擺力、風力、溫度力、列車脫軌荷載、地震力。分別按主力、主力+附加力進行組合，取最不利組合進行設計，并對特殊荷載進行檢算。

圖1 箱梁橫斷面布置示意圖（單位：cm）

4 梁部計算

4.1 按箱梁全寬計算

施工階段最大拉應力=-0.91MPa（支承中心線截面上緣）

施工階段最大壓應力=11.41MPa（跨中偏1.8 米和3.8m的兩截面下緣）

上緣最大應力=6.74MPa

上緣最小應力=0.65MPa

下緣最大應力=8.07MPa

下緣最小應力=1.93MPa

最大剪應力=1.94MPa 箍筋間距=0.20m

上緣抗裂安全系數(shù)最小值=5.29

下緣抗裂安全系數(shù)最小值=1.55

最大主應力=6.83MPa

最小主應力=-1.15MPa

正截面強度最小比值

(承載能力/內力絕對值)=2.21

鋼束最大應力比=0.593

張拉鋼束完成60 天后上二期恒載78kN/m 到10000天時變形值為0.02358-0.01761=5.97mm。

張拉鋼束完成60 天后上二期恒載85.8kN/m 到10000天時變形值為0.022-0.01688=5.12mm。

4.2 考慮剪力滯效應，頂板按5.4m 寬計算

施工階段最大拉應力=-1.17MPa（支承中心線截面上緣）

施工階段最大壓應力=11.71MPa（跨中偏1.8 米的截面下緣）

上緣最大應力=6.84MPa,

上緣最小應力=0.42MPa

下緣最大應力=8.20MPa,

下緣最小應力=1.98MPa

最大剪應力=1.93MPa,箍筋間距=0.20

上緣抗裂安全系數(shù)最小值=3.46MPa,下緣抗裂安全系數(shù)最小值=1.54MPa

最大主應力=7.12MPa,

最小主應力=-1.15MPa

正截面強度最小比值

(承載能力/內力絕對值)=2.22

鋼束最大應力比=0.594

張拉鋼束完成60 天后上二期恒載78kN/m 到10000 天時變形值為0.0244906-0.0181776=6.31mm。

張拉鋼束完成60 天后上二期恒載85.8kN/m 到10000天時變形值為0.0241672-0.0194364=4.73mm。

跨中豎向位移＝-0.7467E-02/1.195121951＝-6.25mm ≈L/5040

梁端轉角＝-0.7619E-03/1.195121951 ＝-0.638E-03

反 拱（0.0 2 4 1 6 7 2-0.0 1 9 8 0 8 4）+0.0198084/0.8-0.00625/2 ＝25.99mm?？?慮張拉時混凝土彈性模量只達到設計的80%。

4.3 安全系數(shù)及各階段應力限值

安全系數(shù)及各階段應力限值見表1。

4.4 計算結論

恒載作用下產生的上拱度為29.12mm；靜活載撓度為6.25mm，為計算跨度1/5040，小于計算跨徑的1/1500；為保證線路在運營狀態(tài)下的平順性，梁體應預設反拱。理論計算跨中反拱值為26.0mm，其他位置應按二次拋物線過渡。實際施工中反拱的設置應根據(jù)具體情況，充分考慮收縮徐變的影響以及預計二期恒載上橋的時間確定。本次設計二期恒載上橋時間為預應力鋼束張拉完成后60 天，理論計算殘余徐變拱度值為4.73mm，小于10mm。鋪設無縫軌道應在終張拉60 天后方可進行，同時橋上附屬設施（二期恒載）宜在鋪設無碴軌道前完成。

表1 安全系數(shù)及各階段應力限值表

梁體因混凝土干燥收縮、徐變及預應力作用下的固定支座端上緣變形量為-7.4mm，固定支座端下緣變形量為0.3mm；活動支座端上緣變形量為-20.5mm，固定支座端下緣變形量為-28.2mm；活動支座上板預設27.9mm的縱向預偏心，向梁端方向預偏。

靜活載作用下梁端轉角0.000638，小于0.001rad，結構橫向自振頻率為11.67Hz，大于55/L；橫向風力+搖擺力+離心力作用下橫向位移為0.251mm，約為計算跨徑的1/125500，小于計算跨徑的1/4000。

5 下部構造設計

橋墩采用單線實體圓端形橋墩，T 形和挖方內橋臺。因橋位處多為卵石土地層，基本承載力較好，橋墩基礎采用挖井基礎。烏蘇通溝主河槽位于大里程側山體坡腳下，位于主河槽內的墩身基礎深度應考慮水流沖刷的影響，同時由于施工期間需要將河道改移至1～2 號墩之間，1、2 號墩基礎深度設計時考慮了施工期間洪水的沖刷。

中天山隧道施工采用的施工方法是TBM 掘進機掘進施工，受場地條件限制，需要在烏蘇通溝大橋的2 號墩至大里程側橋臺臺尾之間修筑大型的TBM組裝平臺，左右線 2 號墩均位于平臺填方邊坡內，故2 號墩身及基礎設計過程中還需要考慮填土壓力。

6 橋梁施工方案

烏蘇通溝大橋位于伯信特隧道及中天山特長隧道之間，橋隧相連。由于中天山特長隧道進口采用TBM 掘進施工方案，因此需在烏蘇通溝大橋橋址處設置大型的TBM組裝平臺。綜合考慮施工期間橋下排洪、施工安全等因素，確定采用以下施工方案：

1)TBM組裝平臺填筑前，先期施工烏蘇通溝大橋墩臺及基礎。

2)待墩臺及基礎施工完畢后，在烏蘇通溝大橋大里程側進行填土，作為TBM組裝平臺。在填土坡腳處，修建進入溝內的施工便道。位于橋墩四周的填土須對稱、均勻、分層填筑，以免產生偏壓，造成橋墩結構的破壞。

3)在主河槽范圍內，利用先期修建的橋墩并增設臨時支墩，架設軍便梁，作為出碴通道。

4)中天山隧道貫通后，利用填筑好的TBM組裝平臺及便橋進行烏蘇通溝大橋箱梁的現(xiàn)澆施工。

5)大橋梁體施工完工后，清除橋下填土，恢復既有河道；清除橋墩周圍填土時注意對稱均勻開挖，防止橋墩偏壓。

7 結束語

隨著我國鐵路建設的飛速發(fā)展，無碴軌道箱梁的采用在鐵路橋梁的設計中越來越普遍，該類梁型的設計重點是控制梁體在設計荷載下的變形。烏蘇通溝大橋屬于典型的橋隧相連工程，其設計采用的無碴軌道箱梁技術及后續(xù)的施工方案已在南疆吐庫二線的建設中順利實施，為今后我國同類型鐵路橋梁的建設積累了寶貴的設計及施工經驗。

[1]劉建瑞.中國交通運輸協(xié)會城市軌道交通專業(yè)委員會首屆中青年專家論文集《無碴軌道預應力混凝土梁設計》

[2]范立礎.橋梁工程，北京：人民交通出版社，1993.

[3]TB10002.3-2005.鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規(guī)范，北京：中國鐵道出版社，2005.