西平鐵路(54+3×90+54) m剛構(gòu)-連續(xù)梁設(shè)計

楊正華

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

1 工程概況

西平線漠谷河2號大橋位于陜西乾縣乾陵水庫上游庫尾處,該水庫位于乾縣縣城西北約5 km,漠谷河中游響石潭處。橋址區(qū)為“U”形河道沖溝,兩岸為黃土斜坡,自然坡度25°～35°,地貌上屬黃土殘塬區(qū),塬面經(jīng)受強烈剝蝕,地形起伏較大,橋梁跨越漠谷河河谷,西安臺側(cè)岸坡較緩,溝谷內(nèi)及左岸岸坡較陡處采用90 m跨度跨越。

地質(zhì)調(diào)查及鉆孔揭示,主要地層為第四系更新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土、第四系上中更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土、第四系中更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土和細圓礫土、粗圓礫土、卵石土,第四系下更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土,底部為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r。土壤最大凍結(jié)深度100 cm,地震動峰值加速度為0.10g,地震反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

由于線路跨越河谷,橋梁孔跨布置受線路控制,必須采用大跨高墩的方案。本橋橋高達70 m,若采用常規(guī)連續(xù)梁方案則固定墩為滿足剛度要求將體形巨大,經(jīng)濟美觀性較差,經(jīng)綜合比較,該橋最終采用3-32 m簡支梁+(54+3×90+54) m剛構(gòu)連續(xù)梁。主橋布置見圖1。

圖1 漠谷河2號大橋主橋立面布置(單位：cm)

2 主要技術(shù)標準

(1)鐵路等級：國鐵Ⅰ級

(2)正線數(shù)目：單線

(3)設(shè)計行車速度：120 km/h

(4)平面：直線

(5)線路縱坡：13‰

(6)設(shè)計荷載：中活載

(7)地震烈度：7度

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

主梁梁體采用變高度變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,一聯(lián)總長379.5 m,邊支座中心至梁端距離0.75 m,計算跨度為(54+3×90+54) m,梁截面采用單箱單室,邊支點及跨中梁高4.0 m,中支點梁高7.0 m,梁底變化段采用1.8次拋物線。箱梁頂寬7.5 m,底寬5.0 m,頂板厚0.36 m,底板厚0.40～1.0 m,腹板厚0.45～0.90 m,支座中心橫向間距中支點為4.6 m,邊支點為3.2 m,連續(xù)梁中支點處箱梁梁底加寬至6.4 m,剛構(gòu)墩墩頂箱梁底加寬至7.4 m。

全聯(lián)在剛構(gòu)墩頂、中支點和邊支點處設(shè)置8道橫隔板,橫隔板均設(shè)置過人洞,剛構(gòu)墩頂處箱梁隔板厚1.2 m,其余中橫隔板厚2.0 m,邊橫隔板厚1.5 m。箱梁兩側(cè)腹板與頂?shù)装逑嘟惶幘捎脠A弧倒角過渡。

梁段劃分以T構(gòu)為中心,兩側(cè)對稱為宜,懸臂澆筑時能保證梁體穩(wěn)定,但本橋由于西安側(cè)邊跨合龍段附近橋面較高,不能采用支架施工,故而相對于中跨而言,邊跨存在超打梁段。具體梁段劃分為：兩側(cè)T構(gòu)靠近邊跨劃分為11個梁段,靠近中跨劃分為10個梁段。其余每個臨時T構(gòu)兩側(cè)均劃分為10個梁段。連續(xù)墩兩中支點墩頂梁段為0′號段,與墩頂臨時支座固結(jié),形成臨時T構(gòu)。剛構(gòu)墩墩頂梁段為0號梁段。0、0′號梁段長11.0 m,1、1′梁段長3.0 m,2、2′、11′梁段長3.5 m,3～10號梁段長4.0 m,3′～10′號梁段長4.0 m,11、12′號梁段為合龍段,長為2.0 m,13′號梁段為邊跨現(xiàn)澆段,梁長為5.25 m。其中采用掛籃施工時最重梁段為3號梁段,重約1 510 kN。梁體構(gòu)造見圖2，主梁半支點、半跨中截面見圖3。

圖2 梁體構(gòu)造(單位：cm)

圖3 主梁半支點、半跨中橫截面(單位：cm)

梁體設(shè)計為縱、豎雙向預(yù)應(yīng)力體系,縱向按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計?？v向預(yù)應(yīng)力鋼束采用高強度低松弛鋼絞線,標準強度fpk=1 860 MPa,其中腹板束采用12-7φ5 mm鋼絞線,其余采用15-7φ5 mm鋼絞線,均選用內(nèi)徑φ90 mm塑料波紋管成孔,OVM系列錨具。豎向預(yù)應(yīng)力筋采用φ25 mm精軋螺紋鋼筋,標準強度fpk=830 MPa,采用JLM-25型錨具。

（3）足球課教學(xué)應(yīng)轉(zhuǎn)向?qū)W生體育能力、習(xí)慣和終身意識的培養(yǎng)，課程設(shè)置應(yīng)以學(xué)生需要為依據(jù)，重視過程與方法，重視學(xué)生的情感、態(tài)度與價值觀，保證學(xué)生的主體。教學(xué)內(nèi)容、方法的選擇要人性化，以滿足大學(xué)生身心健康發(fā)展、主體性體現(xiàn)為原則。

縱向預(yù)應(yīng)力鋼束配置為：剛構(gòu)墩處梁頂板鋼束為26束,腹板鋼束為24束；連續(xù)梁墩處梁頂板鋼束為28束,腹板鋼束為24束；邊跨頂板鋼束為4束,主跨和次邊跨頂板鋼束為4束,主跨底板鋼束為17束,次邊跨底板為16束,邊跨底板為12束。

3.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1 橋墩設(shè)計

剛構(gòu)墩與主梁固結(jié),橋墩縱橫向剛度不僅影響著墩頂位移和截面強度,而且對主梁內(nèi)力影響較大,因此選擇合適的墩梁剛度比至關(guān)重要。剛構(gòu)墩設(shè)計時要充分考慮混凝土的收縮徐變、溫度變化和制動力的影響,橋墩要能適應(yīng)上述因素產(chǎn)生的位移變化,降低次內(nèi)力的影響,同時又要滿足施工、運營對穩(wěn)定性的要求,保證列車運行的平穩(wěn)舒適。

本橋最大墩高近70 m,為滿足剛構(gòu)墩剛度要求,其橫截面采用抗扭性能好,抗推能力強的矩形箱形截面。通過計算比較分析,在墩頂處沿橋縱向墩頂寬6 m,壁厚0.7 m；沿橋橫向墩頂寬7.4 m,壁厚0.8 m?？v向采用直坡,橫向在箱梁底面以下2 m處放坡,外坡30∶1,內(nèi)坡40∶1。考慮固端干擾力的影響,墩頂設(shè)2 m實體段,墩底設(shè)4 m實體段。箱梁底面下5 m范圍內(nèi)采用C50混凝土,其余采用C40混凝土,墩身全高范圍內(nèi)添加聚丙烯纖維。同時為維護及檢修的需要,在剛構(gòu)墩墩頂和箱梁底板設(shè)置直徑為0.8 m的進人洞。剛構(gòu)墩立面、側(cè)面見圖4。

圖4 剛構(gòu)墩立面、側(cè)面(單位cm)

3、7號墩在墩頂處沿橋縱向墩頂寬5 m,壁厚0.6 m；沿橋橫向墩頂寬7.4 m,壁厚0.65 m?？v向采用直坡,橫向在頂帽下緣2.5 m處放坡,外坡45∶1,內(nèi)坡65∶1。

4號墩在墩頂處沿橋縱向墩頂寬6 m,壁厚0.7 m；沿橋橫向墩頂寬7.4 m,壁厚0.8 m?？v向采用直坡,橫向在頂帽下緣2.5 m處放坡,外坡30∶1,內(nèi)坡40∶1。

3.2.2 基礎(chǔ)設(shè)計

4 主橋結(jié)構(gòu)計算

4.1 上部結(jié)構(gòu)縱向整體靜力計算

4.1.1 計算模型和施工階段劃分

結(jié)構(gòu)縱向計算采用西南交大bsas平面有限元程序,按照實際的施工順序進行結(jié)構(gòu)的離散,共分為187個單元,其中橋面梁單元132個,剛構(gòu)墩39個單元,188個節(jié)點。5、6號剛構(gòu)墩群樁基礎(chǔ)按照剛度等效的原則模擬成雙柱式基礎(chǔ),雙柱之間采用剛性桿件將樁頂連接,形狀如“π”形結(jié)構(gòu),剛構(gòu)墩與主梁單元采用主從連接。

計算中考慮的施工方法為分別以4個T構(gòu)為支撐,向兩側(cè)對稱懸臂施工,直至澆筑完10、10′號梁段,中跨合龍,然后次邊跨合龍,施工邊跨超打段11′梁段,進而支架施工邊跨現(xiàn)澆段,最后合龍邊跨,完成全橋施工。全橋共分為53個施工階段,施工過程考慮自重、預(yù)應(yīng)力、掛籃、懸臂段不平衡重、體系轉(zhuǎn)換、風(fēng)力等工況；運營階段考慮了基礎(chǔ)不均勻沉降0.01 m?？紤]當?shù)氐臍庀筇卣?合龍溫度按10 ℃考慮,溫度荷載包括整體升溫 16.3 ℃、降溫17 ℃、橋面板非均勻升溫5 ℃,活載和地震力等。

4.1.2 主要計算結(jié)果

(1)剛度控制指標

①豎向靜活載作用下位移：計算結(jié)果邊跨最大豎向位移-7.22 mm,為跨度的1/7 479,中跨豎向最大位移-19.9 mm,為跨度的1/4 523。

②徐變變形：設(shè)計二期恒載上橋時間按60 d計算,考慮收縮徐變的影響后,理論計算殘余徐變拱度值為2.6 mm。

(2)結(jié)構(gòu)靜力計算結(jié)果見表1。

表1 主梁結(jié)構(gòu)靜力計算結(jié)果

4.2 箱梁橫向靜力計算

箱梁橫向計算時將箱梁橫向簡化為帶剛性支承的框架結(jié)構(gòu),支承點位于兩腹板下,沿橋縱向取單位米長,橋梁縱向活載影響分布寬度按照《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)4.3.4條辦理。計算荷載包括恒載、活載、溫度變化等作用。橫向升降溫按以下情況考慮,取最不利情況進行橫向設(shè)計,升溫按箱身外部一側(cè)腹板升溫10 ℃,頂板和另側(cè)腹板升溫5 ℃,箱身內(nèi)部及底板溫度不變計算；降溫按箱梁內(nèi)外溫差10 ℃計算。

4.3 結(jié)構(gòu)整體動力計算

采用Midas軟件中的梁單元建立全橋空間有限元模型,進行空間動力分析。其中剛構(gòu)墩與主梁單元采用剛臂連接；連續(xù)梁橋墩與主梁采用主從連接,根據(jù)支座布置形式采用相應(yīng)的約束；墩底按照剛度等效的原則采用6個方向的彈簧剛度模擬土的約束作用,動力計算結(jié)果見表2。

表2 全橋動力計算結(jié)果

5 結(jié)語

剛構(gòu)-連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系綜合了剛構(gòu)和連續(xù)梁的優(yōu)點,中跨梁體受固定墩的約束,與連續(xù)梁相比,連續(xù)剛構(gòu)中的固定墩可以消減支點處梁體內(nèi)力峰值,降低梁高,使得梁部輕巧、經(jīng)濟；剛構(gòu)連續(xù)梁體系整體性好、抗震、抗扭性能好,結(jié)構(gòu)受力合理；同時還節(jié)省大噸位支座,減少支座養(yǎng)護工作量,且施工穩(wěn)定性好,避免梁部澆筑時較為復(fù)雜的墩梁臨時固結(jié)措施。本文結(jié)合漠谷河2號大橋主橋剛構(gòu)-連續(xù)梁工程實例,介紹了該橋的主要設(shè)計參數(shù)、計算方法和注意事項,結(jié)果表明各項指標滿足規(guī)范要求。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TBl0002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2005．

[2] 中華人民共和國鐵道部.TBl0002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2005．

[3] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50111—2006 鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社,2009.

[4] 王文濤.剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋[M].北京：人民交通出版社,1997.

[5] 宋韜彬.主跨220 m剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋設(shè)計[J].鐵道標準設(shè)計,2009(3)：29-32.

[6] 王淑敏.客運專線(48+3×80+48) m剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋剛構(gòu)橋墩設(shè)計研究[J].鐵道標準設(shè)計,2007(2)：47-49.

[7] 錢楓.馬坡洛河特大橋剛構(gòu)連續(xù)梁設(shè)計[J].鐵道標準設(shè)計,2010(6)：87-89.

[8] 陳自華.廈門市大嶝大橋連續(xù)剛構(gòu)的計算和施工[J].中國市政工程,2007(3)：50-51.

[9] 吳根存.鐵路高墩大跨剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋設(shè)計[J].鐵道標準設(shè)計,2007(2)：100-102.

[10] 金莉.石太客運專線(48+80+48) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計[J].鐵道標準設(shè)計,2007(2)：72-75.