高速鐵路T構(gòu)橋設(shè)計(jì)研究

0 引言

T構(gòu)橋是預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)的簡(jiǎn)稱，T構(gòu)橋梁部與橋墩固結(jié)，兩側(cè)梁端支承于橋墩之上，造型簡(jiǎn)潔美觀，能較好地適應(yīng)各種地形。隨著我國(guó)近年來(lái)高速鐵路的快速發(fā)展，T構(gòu)橋被廣泛應(yīng)用于跨越既有公路、鐵路、溝谷橋梁中。目前國(guó)內(nèi)、外應(yīng)用有很多大跨度T構(gòu)橋，日本的新干線上吾妻川橋采用了（110+110）mT構(gòu)橋，應(yīng)用于山谷地形；我國(guó)的宜萬(wàn)鐵路馬水河大橋采用了（116+116）mT構(gòu)橋，應(yīng)用于山谷地形。T構(gòu)橋跨越鐵路時(shí)，通常先采用鐵路旁現(xiàn)澆或懸灌、再采用水平轉(zhuǎn)體方案施工。橋梁施工遠(yuǎn)離既有線，減小對(duì)既有鐵路的運(yùn)營(yíng)干擾。

T構(gòu)橋主梁與橋墩固結(jié)，便于懸灌施工，省掉主墩大噸位支座，便于了后期維護(hù)。墩梁固結(jié)可減少T構(gòu)橋主梁彎矩，并且可較好控制主梁的應(yīng)力及豎向變形。

本文以某客運(yùn)專線不同跨度T構(gòu)橋?yàn)楸尘?，?duì)T構(gòu)橋梁部構(gòu)造、受力特點(diǎn)、梁體變形等方面進(jìn)行探討，并分析設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素。

1 設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)原則

某高速鐵路客運(yùn)專線設(shè)計(jì)時(shí)速250km/h，雙線，有砟軌道，ZK活載。該客運(yùn)專線跨越眾多既有鐵路、公路及河流，根據(jù)上跨構(gòu)筑物及場(chǎng)地建設(shè)條件，分別采用了多種跨度的T構(gòu)橋（見(jiàn)表1）。其中最小跨度為（48+48）mT構(gòu)，最大跨度為（88+88）mT構(gòu)。由表2可知本線T構(gòu)橋墩高普遍不高，且都為實(shí)體橋墩。施工方法均采用懸灌澆筑施工，部分T構(gòu)采用先懸灌施工后平面轉(zhuǎn)體施工的施工方式。

表2 不同跨度T構(gòu)基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)

T構(gòu)橋梁部采用C50混凝土，采用單箱單室變高度截面箱梁。各跨度T構(gòu)橋梁部支點(diǎn)高度如表1所示。由表1可知，中支點(diǎn)梁部高度的高跨比為1/9.14～1/8.63，邊支點(diǎn)梁部高度的高跨比為1/20.95～1/16.00。

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621—2014）7.3.2條規(guī)定，在ZK豎向靜活載的作用下，跨度不大于80m的T構(gòu)，豎向撓度應(yīng)不大于1.4×L/1400；跨度大于80m的T構(gòu)，豎向撓度應(yīng)不大于1.4×L/1000。梁端豎向轉(zhuǎn)角與相鄰兩孔梁間不應(yīng)大于2×10-3rad。

T構(gòu)橋設(shè)計(jì)荷載、荷載組合、主要設(shè)計(jì)指標(biāo)中設(shè)計(jì)安全系數(shù)及各階段應(yīng)力控制、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算參數(shù)、錨下控制應(yīng)力、梁體變形限值除靜活載作用下所引起的最大豎向撓度外均與預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁一樣。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型

本線（88+88）mT構(gòu)為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。梁全長(zhǎng)為176.5m，計(jì)算跨度為（87.5+87.5）m，邊支點(diǎn)梁高為4.2m，中支點(diǎn)梁高為10.2m，邊支座中心線至梁端0.75m。箱梁頂寬12.2m，箱梁底寬7.0m。頂板厚度54～79cm；底板厚度55～155cm，按圓曲線變化至中支點(diǎn)梁根部，中支點(diǎn)處加厚到243.5cm；腹板厚70～90～110～130cm，按折線變化。

以本線（88+88）mT構(gòu)橋?yàn)槔?，建立橋梁平面桿系有限元模型進(jìn)行分析。模型中，將樁土相互作用模擬樁基剛度，邊支點(diǎn)設(shè)置為活動(dòng)支座，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 （88+88）mT構(gòu)橋結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.2 計(jì)算分析

T構(gòu)橋縱向計(jì)算主要考慮恒載、預(yù)應(yīng)力、列車活載、列車制動(dòng)力、梁部及橋墩風(fēng)力、溫度力等荷載。荷載組合按照主力、主力+附加力最不利工況控制，在主力荷載工況下，主梁應(yīng)力、強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)剛度主要計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知，梁體應(yīng)力、強(qiáng)度和抗裂指標(biāo)滿足規(guī)范要求，梁部靜活載豎向撓度小于限值。隨著跨度的增加，T構(gòu)橋梁端豎向轉(zhuǎn)角逐漸增大，可見(jiàn)豎向轉(zhuǎn)角是影響T構(gòu)橋設(shè)計(jì)的重要因素。

表3 不同跨度T構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果

2.3 梁高分析

由表1可知，T構(gòu)橋的梁高與跨度基本成線性關(guān)系，中支點(diǎn)梁高的高跨比基本保持在1/9（約0.111）左右，邊支點(diǎn)梁高的高跨比與跨徑有一定關(guān)系。當(dāng)T構(gòu)橋的跨度小于80m時(shí)，邊支點(diǎn)的高跨比約為1/16（約0.0625），當(dāng)T構(gòu)橋的跨度大于等于80m時(shí)，邊支點(diǎn)的高跨比約為1/20（約0.05）。因此，小跨度T構(gòu)橋的邊支點(diǎn)梁高存在一定的優(yōu)化空間，大跨度T構(gòu)橋的梁高選取具有控制性的作用。

表1 不同跨度T構(gòu)梁部統(tǒng)計(jì)

2.4 梁端轉(zhuǎn)角、豎向撓度分析

以本線（88+88）mT構(gòu)橋的梁高變化作為研究對(duì)象，分析梁體高度對(duì)梁端豎向轉(zhuǎn)角、梁體豎向撓度的影響。本線（88+88）mT構(gòu)中支點(diǎn)梁高10.2m，邊支點(diǎn)梁高4.2m。

在保持橋墩及基礎(chǔ)不變的條件下，我們分兩種情況對(duì)梁體豎向轉(zhuǎn)角的影響進(jìn)行分析。第一種情況，我們同時(shí)增高或減小梁體的高度，第二種情況我們保持中支點(diǎn)梁高不變，僅增加或減少邊支點(diǎn)梁體的高度（梁底高度仍按圓曲線變化）。兩種情況下的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)表4。由表4可知，隨著梁高的增加，T構(gòu)橋的梁端轉(zhuǎn)角及梁體豎向撓度都有所減少。當(dāng)中支點(diǎn)梁高不變，邊支點(diǎn)梁高增加時(shí)，梁端豎向轉(zhuǎn)角明顯減小。由此可知，T構(gòu)橋邊支點(diǎn)的梁高，對(duì)T構(gòu)橋梁端豎向轉(zhuǎn)角的影響很大，如果需改善T構(gòu)橋梁端豎向轉(zhuǎn)角，可適當(dāng)增加T構(gòu)橋邊支點(diǎn)梁高。

表4 梁高變化對(duì)梁端豎向轉(zhuǎn)角、跨中豎向撓度的影響

2.5 橋墩形式

本線T構(gòu)橋橋墩普遍不高，多采用矩形實(shí)體墩。當(dāng)T構(gòu)橋位于河谷或有景觀要求時(shí)，也可采用圓端形橋墩或圓形墩，可根據(jù)墩高采用實(shí)體橋墩或空心橋墩。

T構(gòu)橋主墩剛度對(duì)橋梁豎向剛度具有影響，T構(gòu)橋的縱向剛度主要來(lái)自墩身的縱向抗推剛度。T構(gòu)橋的橫向剛度由墩身、基礎(chǔ)、梁體的橫向剛度共同決定。高速鐵路對(duì)于T構(gòu)橋墩梁共同受力結(jié)構(gòu)的主墩并沒(méi)有規(guī)定縱橫向剛度的具體數(shù)值，而是針對(duì)不同跨度、不同墩高、不同墩型、不同基礎(chǔ)的具體情況進(jìn)行計(jì)算，以滿足高速鐵路對(duì)T構(gòu)橋變形限值要求為準(zhǔn)。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

將T構(gòu)橋與同等跨度的連續(xù)梁橋梁部每延米混凝土指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果可見(jiàn)表5。T構(gòu)橋與連續(xù)梁橋的預(yù)應(yīng)力鋼絞線指標(biāo)一般為50kg/m3左右，鋼筋指標(biāo)一般為180 kg/m3左右。由表5可知，主跨48～88m的連續(xù)梁橋每延米混凝土指標(biāo)在11.0～16.9m3/m，跨度48～88m的T構(gòu)橋每延米混凝土指標(biāo)在15.0～25.0m3/m。同等跨度條件下，T構(gòu)橋的每延米混凝土指標(biāo)明顯高于連續(xù)梁橋每延米混凝土指標(biāo)。隨著跨度的增大，T構(gòu)橋的每延米混凝土指標(biāo)增加的也越明顯。由此可見(jiàn)，當(dāng)T構(gòu)橋的跨度在80m以下時(shí)，每延米混凝土指標(biāo)較為合理，經(jīng)濟(jì)性較好，當(dāng)T構(gòu)橋的跨度大于80m時(shí)，T構(gòu)橋的混凝土指標(biāo)增長(zhǎng)較大，經(jīng)濟(jì)性較差。

表5 不同跨度T構(gòu)橋、連續(xù)梁橋指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比某高速鐵路客運(yùn)專線T構(gòu)橋的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、主要技術(shù)參數(shù)、工程數(shù)量等數(shù)據(jù)，得出下列結(jié)論：

①T構(gòu)橋梁體結(jié)構(gòu)高度與跨度基本呈現(xiàn)線性相關(guān)，中支點(diǎn)處梁高與跨度之比為1/9、邊支點(diǎn)處梁高與跨度之比為1/16取值較為合理。

②邊支點(diǎn)梁端豎向轉(zhuǎn)角受梁高影響較大，通過(guò)增加梁高尤其是邊支點(diǎn)梁高，可有效控制T構(gòu)橋梁端豎向轉(zhuǎn)角。

③T構(gòu)橋跨度選取不宜過(guò)大，最好應(yīng)用在80m以下跨度，經(jīng)濟(jì)效果更好。

④T構(gòu)橋中墩作為T構(gòu)橋共同受力結(jié)構(gòu)，應(yīng)結(jié)合橋梁跨度、墩高等建設(shè)條件，選取合適的墩型及基礎(chǔ)尺寸，以滿足T構(gòu)橋變形限值的要求。