高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

徐斌

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

徐斌

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

依托蘭州至合作鐵路泄湖峽大夏河特大橋主橋(54+90+54)m連續(xù)剛構(gòu)，采用有限元方法建模計(jì)算，對全橋結(jié)構(gòu)動力特性、抗震性能進(jìn)行了研究，并從主梁抗裂措施、主墩不等高對于梁部內(nèi)力的影響、主墩墩身內(nèi)力調(diào)整三個方面詳細(xì)論述了單線高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)。分析結(jié)果表明:罕遇地震作用下，需合理配置塑性區(qū)域的鋼筋以保證橋墩的轉(zhuǎn)動能力;連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)為防止箱梁開裂，降低運(yùn)營階段墩身彎矩提供了可靠保證。

鐵路橋梁 連續(xù)剛構(gòu) 高墩大跨 設(shè)計(jì) 關(guān)鍵技術(shù)

1 工程概況

蘭州至合作鐵路泄湖峽大夏河特大橋，位于甘肅省臨夏回族自治州以北13 km處，橋梁全長1 936 m，為單線鐵路橋梁。主橋?yàn)榭缭酱笙暮佣O(shè)，設(shè)計(jì)為一聯(lián)(54+90+54)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，最大墩高72 m。因橋梁較高，設(shè)計(jì)采用懸臂灌注法施工。0號段及邊跨現(xiàn)澆段托架設(shè)于墩身上，先合龍中跨，超打一個梁段后，再合龍邊跨。主橋位于直線上，線路縱坡12‰，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)速160 km/h，軌道結(jié)構(gòu)為有砟軌道，設(shè)計(jì)活載為中—活載，設(shè)計(jì)洪水頻率為100年一遇，主橋立面布置圖見圖1。

圖1 主橋立面布置(單位:cm)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨度為(53.6+90+53.6)m，支座中心線至梁端0.75 m，結(jié)構(gòu)聯(lián)長199.5 m。中支點(diǎn)梁高7.0 m，跨中及邊跨直線段梁高4.0 m，梁高沿縱向按1.8次拋物線變化。截面采用單箱單室直腹板形式。箱梁頂寬7.5 m，底寬5.0 m，頂板厚度除支點(diǎn)外均為36 cm。腹板厚跨中至支點(diǎn)為45～90 cm，底板厚跨中至支點(diǎn)為40～90 cm。每個中支點(diǎn)對應(yīng)墩身外側(cè)設(shè)置兩道橫隔板，每個邊支點(diǎn)各設(shè)置一道橫隔板，全聯(lián)共設(shè)置6個橫隔板，橫隔板均設(shè)置過人洞共檢查人員通過，箱梁頂面按兩側(cè)排水設(shè)計(jì)。主梁橫斷面見圖2。

圖2 主梁(半支點(diǎn)半跨中)橫斷面(單位:cm)

2.2 主梁預(yù)應(yīng)力體系

主梁按縱向、豎向兩向預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計(jì)，縱向采用全預(yù)應(yīng)力理論。頂板縱向鋼束采用15-7φ5鋼絞線，其中中支點(diǎn)頂板束錨下張拉控制應(yīng)力為1 209 MPa，邊跨及中跨頂板合龍束錨下張拉控制應(yīng)力為1 302 MPa;腹板縱向下彎鋼束采用12-7φ5鋼絞線，錨下張拉控制應(yīng)力為1 302 MPa;邊跨底板縱向鋼束采用12-7φ5鋼絞線，錨下張拉控制應(yīng)力為1 264.8 MPa;中跨底板縱向鋼束采用15-7φ5鋼絞線，錨下張拉控制應(yīng)力為1 302 MPa。鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，均為雙端張拉，采用OVM系列錨具。豎向預(yù)應(yīng)力采用φ25 mm PSB 830精軋螺紋鋼筋，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=830 MPa，均為單端張拉，采用JLM-25型錨具。主梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束布置見圖3。

圖3 1/2主梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束布置(單位:cm)

2.3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

受橋址峽谷地形限制，23#墩位于大夏河右側(cè)岸上，24#墩位于河谷灘地上，兩墩高分別為53，72 m。連續(xù)剛構(gòu)橋梁、墩剛性連接，內(nèi)力分配與梁部和下部結(jié)構(gòu)相互間的結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)，梁部與下部結(jié)構(gòu)合適的剛度比既能滿足全橋的縱向剛度，又能改善梁體內(nèi)力分布，而且梁體的收縮、徐變及溫度應(yīng)力與剛構(gòu)墩柱的抗推剛度也直接相關(guān)，因此有必要仔細(xì)研究墩型及布置形式。鑒于本橋橋墩較高，墩柱抗推剛度較小，同時(shí)墩身截面需保持足夠的整體抗彎剛度來保持全橋的整體穩(wěn)定，經(jīng)雙臂墩、矩形空心墩方案比選，剛構(gòu)主墩最終選用矩形空心墩。墩頂截面橫橋向?qū)?.4 m，縱橋向?qū)? m，墩頂2 m高墩身為直線實(shí)體段，以下墩身橫向放坡，外坡率30∶1，內(nèi)坡率40∶1，縱向不放坡，空心墩頂縱橋向壁厚70 cm，橫橋向壁厚80 cm。主墩頂部與箱梁底板設(shè)置進(jìn)人洞，方便檢查人員由梁內(nèi)進(jìn)入空心墩。

主墩基礎(chǔ)為鉆孔樁，按行列式布置，兩個主墩均采用15根φ2.0 m的樁身，樁中心距縱向5.6 m，橫向4.8 m。承臺平面尺寸為14.4 m(縱向)×21.6 m(橫向)×4 m(高度)。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 靜力分析

該橋縱向計(jì)算考慮了樁基礎(chǔ)與地基相互作用對上部結(jié)構(gòu)的影響，計(jì)算過程中，根據(jù)等剛度原則將群樁基礎(chǔ)模擬成雙短柱，做到換算前后兩種結(jié)構(gòu)在單位力作用下位移和轉(zhuǎn)角一致。結(jié)構(gòu)縱向靜力計(jì)算采用橋梁平面桿系程序BSAS4.26，分別進(jìn)行了施工階段和運(yùn)營階段的計(jì)算。施工階段考慮了掛籃移動不同步、混凝土澆筑不對稱等原因產(chǎn)生不平衡重力，體系轉(zhuǎn)換，風(fēng)力，合龍預(yù)頂推力等工況;運(yùn)營階段考慮了基礎(chǔ)不均勻沉降，箱梁不均勻升降溫、體系整體升降溫及活載等作用。

1)主梁整體剛度控制

豎向靜活載作用下，邊跨位移為5.89 mm，為跨度的1/9 100，滿足規(guī)范要求的≤1/800，中跨位移為15.98 mm，為跨度的1/5 632，滿足規(guī)范要求的≤1/ 700。中活載作用下梁端轉(zhuǎn)角0.43%，滿足規(guī)范要求的≤3‰。

2)截面應(yīng)力及強(qiáng)度安全系數(shù)

截面應(yīng)力及強(qiáng)度安全系數(shù)檢算結(jié)果見表1，均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表1 主梁截面檢算結(jié)果

3.2 全橋結(jié)構(gòu)抗震性能研究

3.2.1 地震動輸入

本橋位于Ⅶ度地震區(qū)，橋址處為Ⅱ類場地。動峰值加速度Ag=0.32g(相當(dāng)于設(shè)防烈度為Ⅶ度的罕遇地震)，場地特征周期Tg=0.45 s，按照《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》生成反應(yīng)譜曲線，進(jìn)而擬合3條人工加速度時(shí)程波(圖4)。由圖4可知，3條人工波與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的頻譜特性較為一致。

圖4 設(shè)計(jì)強(qiáng)度地震反應(yīng)譜與人工地震波頻譜特性比較

3.2.2 模型建立

抗震分析采用有限元法，在SAP2000V14分析程序中建立空間動力分析模型。全橋模型采用了96個單元，119個節(jié)點(diǎn)。根據(jù)連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立三維有限元動力分析模型，橋墩、主梁均采用空間梁單元，二期恒載采用梁單元分布荷載模擬，主梁和主墩采用主從約束進(jìn)行模擬，承臺模擬為質(zhì)點(diǎn)，承臺底與地基固結(jié)進(jìn)行模擬。

3.3.3 動力特性分析及抗震性能研究

分析和認(rèn)識橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性是進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能分析的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié)，為此，首先對剛構(gòu)橋進(jìn)行了動力特性分析。表2給出了前5階自由振動的周期、頻率及振型特征。

表2 動力特性描述

采用纖維單元，對各關(guān)鍵截面進(jìn)行劃分，利用實(shí)際的截面配筋和混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，進(jìn)行彎矩—曲率分析(考慮響應(yīng)軸力)，得到各關(guān)鍵截面的等效屈服彎矩。采用時(shí)程分析計(jì)算的罕遇地震作用下地震響應(yīng)及采用纖維截面計(jì)算得到的抗彎能力匯總在表3，4中。

表3 罕遇地震作用下地震響應(yīng)及抗震性能(縱橋向輸入)

表4 罕遇地震作用下地震響應(yīng)及抗震性能(橫橋向輸入)

由表3、表4可以看到，本大橋在地震作用下墩底截面較墩頂截面更容易受到損傷。在多遇地震作用下，各橋墩墩底及墩頂截面均未進(jìn)入屈服，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，達(dá)到預(yù)計(jì)的性能目標(biāo)。在罕遇地震作用下，橫橋向地震輸入下25#橋墩墩底截面屈服;其余各橋墩墩底和墩頂截面均未進(jìn)入屈服，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。在縱橋向地震輸入下各橋墩墩底截面均進(jìn)入屈服，需要合理配置塑性區(qū)域的鋼筋以保證橋墩的轉(zhuǎn)動能力。

4 高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 主梁抗裂措施

實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表明，連續(xù)剛構(gòu)在中跨L/4至支點(diǎn)易因主拉應(yīng)力過大發(fā)生腹板斜裂縫病害;而降低主拉應(yīng)力可以從增加截面縱向正應(yīng)力、豎向正應(yīng)力和降低截面剪應(yīng)力著手。本橋設(shè)計(jì)過程中，通過配置足夠的縱向鋼束提高梁體縱向正應(yīng)力，通過腹板束下彎錨固并設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力增加梁體豎向正應(yīng)力;主梁梁底采用1.8次拋物線，相對于2次拋物線L/4跨處梁高增加15 cm，有效降低截面剪應(yīng)力。以上措施使得主梁截面主拉應(yīng)力得到很好的控制，計(jì)算表明截面最大主拉應(yīng)力主力組合時(shí)－1.8 MPa，主力+附加力組合時(shí)為－2.17 MPa，混凝土開裂的安全儲備充足。

4.2 兩個主墩高不一致對于梁內(nèi)力的影響

本橋兩個主墩高度分別為53 m和72 m，高度比1∶1.36。墩身高度不一致將導(dǎo)致主梁左右兩部分內(nèi)力分布不對稱，影響大時(shí)可導(dǎo)致左右兩部分構(gòu)造不一致。本橋箱梁主要內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表5。由表中數(shù)據(jù)可以看出，左右邊跨中主力加附加力組合彎矩相差5%，其余截面在各類荷載及組合工況下，彎矩相差均低于3%;可見本橋墩身不等高對于梁部內(nèi)力有一定影響，但影響較小，梁部結(jié)構(gòu)左右兩部分構(gòu)造仍可以按對稱布置。

表5 箱梁主要內(nèi)力計(jì)算結(jié)果kN·m

4.3 墩身內(nèi)力調(diào)整

剛構(gòu)連續(xù)梁合龍后，由于混凝土材料的收縮徐變，環(huán)境溫度的降低等原因會導(dǎo)致墩身，特別是墩底截面后期彎矩顯著增大。在中跨合龍前應(yīng)通過勁性骨架對主梁施加一對反向的頂推力，并永存于梁體內(nèi)，以有效降低墩身及基礎(chǔ)后期的水平力和彎矩，改善墩身和基礎(chǔ)的受力效果。頂推力的大小應(yīng)可以抵消恒載、活載、收縮徐變在墩身外側(cè)產(chǎn)生的不對稱彎矩。頂推力的確定可以分兩步進(jìn)行;第一，使頂推力產(chǎn)生的遠(yuǎn)離跨中的位移與收縮徐變等值;第二，若以上方法所確定的頂推力不足以平衡墩身兩側(cè)產(chǎn)生的不均衡彎矩，則進(jìn)一步增加頂推力。圖5以24#主墩為例，按上述原則計(jì)算墩身彎矩內(nèi)力，圖5(a)使頂推力產(chǎn)生的位移與收縮徐變等值，墩身內(nèi)外側(cè)彎矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到平衡;圖5(b)施加的頂推力達(dá)到1 900 kN，墩身內(nèi)外側(cè)彎矩基本平衡，本橋最終設(shè)計(jì)頂推力為1 900 kN。頂推施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格觀察墩頂位移和頂推力大小的協(xié)調(diào)匹配，分批施加。

圖5 24號墩身內(nèi)力包絡(luò)(單位:kN·m)

5 結(jié)語

1)連續(xù)剛構(gòu)梁橋具有結(jié)構(gòu)整體受力性能好、養(yǎng)護(hù)工程量少、行車平順等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)線路跨越峽谷地帶時(shí)，連續(xù)剛構(gòu)橋梁剛勁挺拔，能夠更好地與橋址環(huán)境融為一體。

2)連續(xù)剛構(gòu)橋梁整體性好，抗震和抗扭性能更為出色，在高烈度地震區(qū)高橋選型中是非常具有競爭力的橋型。連續(xù)剛構(gòu)橋梁墩梁固結(jié)不僅有利于懸臂施工，且可以避免大型支座的使用及其養(yǎng)護(hù)、維修、更換。

3)連續(xù)剛構(gòu)橋在罕遇地震作用下，橋墩墩底進(jìn)入屈服，應(yīng)關(guān)注墩底延性設(shè)計(jì)，需要合理配置塑性區(qū)域的鋼筋以保證橋墩的轉(zhuǎn)動能力。

4)連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的研究是為了保證橋梁使用的耐久性，提高橋梁可靠度，使橋梁設(shè)計(jì)更為合理可靠。本橋設(shè)計(jì)研究為同類型橋梁設(shè)計(jì)提供有益的技術(shù)支持。

［1］馬寶林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］范立礎(chǔ).橋梁工程［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［3］蘇青青，王海良.邊中跨比對大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋徐變變形影響分析［J］.鐵道建筑，2012(10):1-3.

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

［6］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50111—2006鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2009.

(責(zé)任審編孟慶伶)

U442.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.03

1003-1995(2015)06-0010-04

2015-03-05;

2015-04-08

徐斌(1982—)，男，江蘇宿遷人，工程師。