蘭合鐵路劉家峽黃河特大橋主橋設(shè)計分析

王克輝

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

蘭合鐵路劉家峽黃河特大橋主橋設(shè)計分析

王克輝

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

劉家峽黃河特大橋是新建鐵路蘭州至合作線重點工程之一,該橋位于高烈度地震區(qū),主橋采用(100+180+100)m連續(xù)剛構(gòu),有效解決了跨越黃河和公路立交問題,另外該橋橋高105m,是一典型的高墩大跨結(jié)構(gòu),增加了橋梁設(shè)計和施工控制的難度。概要介紹主橋梁部及主墩構(gòu)造尺寸,依照劃分的施工階段進(jìn)行靜力計算,動力計算包括抗震設(shè)防水準(zhǔn)及地震輸入的確定、動力計算模型確定與結(jié)構(gòu)動力特性分析,確定抗震性能目標(biāo)與驗算原則,對關(guān)鍵截面進(jìn)行了纖維單元劃分并進(jìn)行地震響應(yīng)及反應(yīng)譜分析。計算結(jié)果顯示該橋均能符合規(guī)范相關(guān)要求。

鐵路橋梁；高墩大跨；連續(xù)剛構(gòu)；設(shè)計

1 工程概況

劉家峽黃河特大橋位于黃河峽谷區(qū)段。橋址處地形狹窄，黃河溝谷呈典型的“V”字形溝谷。擬建橋位區(qū)域河流兩岸的陡立坡面基巖裸露，在黃河右岸峽谷區(qū)段陡坡頂部地形相對平緩，局部發(fā)育有深切的溝谷，在黃河的左岸地形起伏較大，坡頂為黃土丘陵，坡面渾圓。擬建橋位位于蘭州市永靖縣城邊緣，為跨越劉家峽水庫下游黃河而設(shè)，交通較便利。地震基本烈度八度(峰值加速度值0.2g，反應(yīng)譜特征周期0.45 s)。線路采用國鐵Ⅰ級，單線橋梁，全橋鋪設(shè)無縫線路[1]。

2 橋梁孔跨及主跨方案的確定

控制主跨的主要因素為跨越劉家峽水庫下游黃河，水庫下游水流流速非常大，且黃河兩岸均有道路，為了一跨跨越黃河及兩岸道路，主跨跨度最終確定為(100+180+100) m。全橋受地形及立交控制，橋梁孔跨布置采用3-24 m+8-32 m+(100+180+100)連續(xù)剛構(gòu)+13-32 m+1-24 m簡支T梁，橋梁全長1 179.93 m[2]。主跨立面見圖1。

圖1 主跨立面(單位：cm)

3 主跨(100+180+100) m連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計

3.1 梁部輪廓及構(gòu)造(圖2)

主梁采用連續(xù)剛構(gòu)，計算跨度為(100+180+100) m，采用單箱單室，變高度變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，中支點處梁高13.0 m，高跨比為1∶13.8，跨中及邊跨梁端處梁高6.8 m，高跨比為1∶26.5，梁體下緣除中跨合龍段2 m長及邊跨端部12.2 m梁段為等高直線段外，其余按二次拋物線變化，二次拋物線方程為y=6.2x2/842+6.8(x=0～84 m)。梁頂?shù)理牟蹖?.9 m，人行道寬每側(cè)2.05 m，箱梁頂寬9.0 m；箱寬8.0 m，寬跨比為1∶22.5，支座處截面加寬至9.0 m。箱梁中心位置頂板厚45～70 cm，中支點頂板加厚至100 cm，跨中底板厚60 cm，支點處150 cm，跨中腹板厚65 cm，支點處120 cm。箱內(nèi)頂板處設(shè)120 cm×40 cm梗脅，底板處設(shè)40 cm×40 cm梗脅。全梁在中支點處設(shè)置厚180 cm橫隔墻，邊支座處設(shè)200 cm厚橫隔墻，共4道橫隔板，橫隔板開孔洞供人行通過。腹板設(shè)φ10 cm通風(fēng)孔[3]。

圖2 1/2支點和跨中構(gòu)造斷面(單位：cm)

3.2 主橋橋墩擬定

該橋雖位于峽谷風(fēng)口區(qū)，但總體區(qū)域風(fēng)壓并不大，基本風(fēng)壓W0=500 Pa，厚壁空心墩能以較少的材料獲得較大的截面慣性矩，充分發(fā)揮材料性能，且為方便施工，主橋12、13號墩墩身采用鋼筋混凝土矩形厚壁空心墩。12、13號主墩墩頂縱橫向尺寸為10 m×9 m，墩身縱向直坡，橫向放坡。墩壁縱向等厚為1.2 m，橫向外坡坡度為20∶1，內(nèi)坡坡度為30∶1，墩壁橫向變厚度，墩徑最薄處為1.2 m，上、下段實體段高度分別為3.0 m和5.0 m，最高墩高92 m。11號邊墩采用鋼筋混凝土矩形實體墩，14號邊墩采用鋼筋混凝土矩形空心墩，橋墩具體尺寸根據(jù)計算的預(yù)偏心結(jié)合支座進(jìn)行擬定。

3.3 梁底曲線對比

梁底采用二次拋物線和1.8次拋物線進(jìn)行了各截面處梁高的對比，發(fā)現(xiàn)在跨中的1/4～1/5的截面處，2次拋物線和1.8次拋物線截面高相差最大，梁高相差最大24 cm，考慮到總的梁體截面均較高，最低梁高已達(dá)680 cm，24 cm的差別與梁高差別加大，影響不明顯，同時從節(jié)約混凝土等方面綜合考慮決定本次設(shè)計采用二次拋物線。

3.4 材料選擇

箱梁梁體采用C55混凝土，混凝土彈性模量3.60×104MPa，極限抗壓強度37.0 MPa，極限抗拉強度3.30 MPa，容重26.5 kN/m3。橋墩采用C40混凝土，混凝土彈性模量3.40×104MPa，極限抗壓強度27.0 MPa，極限抗拉強度2.70 MPa[4]。

3.5 結(jié)構(gòu)計算3.5.1 計算參數(shù)及荷載

環(huán)境相對濕度70%；恒載包括結(jié)構(gòu)自重、預(yù)加應(yīng)力、混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)變位影響力等；二期恒載根據(jù)計算采用97 kN/m；活載采用中-活載，單線加載，設(shè)計活載動力系數(shù)1.074；溫度力升溫按25 ℃計算，降溫按25 ℃(不含混凝土收縮徐變影響)計算。橋面板升溫根據(jù)鐵路規(guī)范取5 ℃。主墩左右日照溫差采用±5 ℃?；炷辆€膨脹系數(shù)為1.0×10-5；橋墩臺基礎(chǔ)不均勻沉降值取2 cm；施工掛籃重力按1 600 kN計算，合龍吊架重550 kN；地震基本烈度8度[5]。

荷載組合根據(jù)相關(guān)規(guī)范分別按主力組合和主力+附加力組合進(jìn)行組合驗算，并對特殊荷載按規(guī)范進(jìn)行組合驗算。

3.5.2 結(jié)構(gòu)靜力計算

(1)總體平面桿系模型：采用西南交大編制的《橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)》(BSAS)程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行施工階段和運營階段的縱向平面靜力分析計算。全橋共分為127個梁單元，其中橋梁梁體108個單元，橋墩19個單元，主墩基礎(chǔ)采用固結(jié)，主墩與梁體采用主從約束。結(jié)合施工流程，共劃分為79個施工階段，第79階段為運營階段。結(jié)構(gòu)模型如圖3所示[6]。

主要靜力計算結(jié)果：主梁采用C55混凝土，其中心受壓混凝土容許應(yīng)力為14.8 MPa，彎曲受壓及偏心受壓限值為18.5 MPa，主拉應(yīng)力(有箍筋時)限值為2.97 MPa。計算中，壓應(yīng)力控制值為15 MPa，主拉應(yīng)力盡量控制在2 MPa以內(nèi)[7]。運營階段彎矩包絡(luò)圖如圖4所示，運營階段剪力包絡(luò)圖如圖5所示。具體數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示，其各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

圖3 剛構(gòu)橋有限元計算簡圖

圖4 運營階段彎矩包絡(luò)圖(主+附)(單位：kN·m)

運營階段主力容許值主+附容許值施工階段計算值容許值上緣最大應(yīng)力/MPa12.2118.514.2920.35運營荷載作用下預(yù)應(yīng)力鋼束最大應(yīng)力比0.584≤0.6上緣最小應(yīng)力/MPa1.1300.430靜活載中跨豎向最大撓度/cm1.5≤21.1下緣最大應(yīng)力/MPa12.8518.513.7120.35靜活載邊跨豎向最大撓度/cm1.3≤11下緣最小應(yīng)力/MPa2.9902.010施工階段上緣最大應(yīng)力/MPa12.08≤22最大主應(yīng)力/MPa14.9122.2215.8322.2施工階段下緣最大應(yīng)力/MPa12.77最小主應(yīng)力/MPa-1.893.3-2.563.3施工階段上緣最小應(yīng)力/MPa1.26≤-1.8強度安全系數(shù)2.322.22.222施工階段下緣最小應(yīng)力/MPa-0.54

圖5 運營階段剪力包絡(luò)圖(主+附)(單位：kN)

(2)橫向計算

主要用于箱梁橫向環(huán)框靜力計算。順橋向截取1.0 m長度，分箱梁施工、橫向預(yù)應(yīng)力束張拉、二期恒載施工及運營4個階段計算。[8]計算分別按照箱梁自重、橋面二期恒載、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、活載、箱梁內(nèi)外溫差等荷載進(jìn)行荷載組合驗算。根據(jù)計算結(jié)果，頂板底配筋10-φ25 mm，其余配筋均按10-φ20 mm，滿足規(guī)范要求，不需要配頂板預(yù)應(yīng)力束[9]。

3.5.3 結(jié)構(gòu)動力計算

該橋進(jìn)行線性動力反應(yīng)分析的有限元模型如圖6所示?？拐鸱治霾捎糜邢迒卧椒?，在SAP2000V14分析程序中建立空間動力分析模型。有限元計算模型均以順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。各單元局部坐標(biāo)系以單元軸向為1軸(從I節(jié)點指向J節(jié)點)，3軸保持水平且垂直于1軸，2軸按右手螺旋準(zhǔn)則確定。全橋模型采用了134個單元，145個節(jié)點[10]。

圖6 (100+180+100) m SAP2000有限元模型

建模時，根據(jù)連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)特點建立三維有限元動力分析模型，橋墩、主梁均采用空間的梁單元，其中主梁采用單主梁式模型，二期恒載采用梁單元分布荷載模擬，在動力分析中，利用SAP2000的定義質(zhì)量源的方法將二期恒載的分布荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點質(zhì)量，承臺模擬為質(zhì)點；主梁和主墩采用主從約束進(jìn)行模擬，墩底采用固結(jié)進(jìn)行模擬[11]。

表2給出了前10階自由振動的周期、頻率及振型特征。

表2 動力特性描述

3.5.4 結(jié)構(gòu)抗震性能分析

(1)抗震性能目標(biāo)及檢算準(zhǔn)則

該橋各部分具體的性能目標(biāo)及檢算準(zhǔn)則見表3。

表3 抗震性能目標(biāo)及檢算準(zhǔn)則

注：1.表中M按恒載和地震作用最不利組合計算；2.Meq—截面相應(yīng)于最不利軸力時等效抗彎強度。

(2)多遇及罕遇地震作用下的驗算

經(jīng)過計算在多遇地震下順橋向及橫橋向主墩及邊墩均未達(dá)到屈服狀態(tài)；在罕遇地震順橋向12號主墩進(jìn)入屈服，進(jìn)行合理配置塑性區(qū)域的鋼筋以保證橋墩的轉(zhuǎn)動能力；其他橋墩在順橋向及橫橋向均未達(dá)到屈服。

4 結(jié)語

連續(xù)剛構(gòu)橋外形輕巧，橋下凈空大，視野開闊，順橋向和橫橋向抗推剛度大，能有效地減小溫度、混凝土收縮、徐變的影響，且抗震性能好，施工方便，在鐵路橋梁中被廣泛應(yīng)用。劉家峽黃河特大橋充分利用這些優(yōu)點，結(jié)合現(xiàn)場地形、地質(zhì)、施工等條件，對主橋進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計，經(jīng)過上述分析可知主橋各項指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，保證了橋梁在施工過程和以后運營的安全。

[1]中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.蘭州至合作鐵路劉家峽黃河特大橋施工文件[Z].西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2014.

[2]中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司.蘭州至合作鐵路初步設(shè)計文件[Z].西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2014.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—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.

[4]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[5]中華人民共和國鐵道部.GB 50111.1—2006鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范(2009版)[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[6]強士中.橋梁工程[M].2版.北京：高等教育出版社，2011.

[7]趙建昌.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[8]趙會東.鐵路高墩大跨剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007(2):35-38.

[9]劉宗峰.拉日鐵路雅魯藏布江3號特大橋設(shè)計分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(10):41-44.

[10]楊建良.山西中南部鐵路(70+3×120+70) m剛構(gòu)連續(xù)梁設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2014(8):42-45.

[11]張揚.高墩大跨剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋的設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2012(4):45-47.

[12]左家強.2-100 m鐵路雙線預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(11):43-45.

Design Analysis of Liujiaxia Yellow River Main Bridge on Lanzhou-Hezuo Railway

WANG Ke-hui

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

The Liujiaxia Yellow River Bridge is one of the key projects of newly built railway from Lanzhou to Hezuo. It is located in high seismic intensity region. The main bridge is (100+180+100)m of continuous rigid frame to cross the Yellow River and highway interchange. The height of the pier is 105m, so the bridge has the typical characteristics of high pier and long-span, which add more difficulties in bridge design and construction control. This paper introduces the girder of main bridge and main pier size and conducts static calculation according to the construction phase. The Dynamic calculation includes the determination of earthquake fortification standard and earthquake input, determination of dynamic calculation model and the analysis of dynamic behavior of structure, the determination of anti-seismic performance target and verification principle. Fibrous unit division is made and seismic response and response spectrum analysis is carried out. The results show that the bridge meets relevant requirements of the code.

Railway bridge; High pier and long span; Continuous rigid frame; Design

2014-12-27；

2015-02-02

王克輝(1970—)，男，高級工程師，1996年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院系橋梁工程專業(yè)，工程學(xué)士，E-mail：TYYQSWKHBGJ@163.com。

1004-2954(2015)08-0088-04

U442.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.019