京滬高速鐵路北京特大橋跨西黃右線空間剛架結(jié)構(gòu)分析

王昌鵬

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

1 概述

京滬高速鐵路北京特大橋位于北京市大興區(qū),橋梁全橋長 48 150.57m。主要跨越西黃右線、京山五線、青源路等主要公路及鐵路。為不影響既有線的運(yùn)營行車,線路在 DIK16+700.33～DIK16+791.68段采用空間剛架跨越西黃右線鐵路。空間剛架橋跨范圍內(nèi),鐵路位于半徑為 4 000m圓曲線上,京滬高速鐵路與西黃右線鐵路斜交角度僅為 13°33′,其布置形式見圖1。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)鐵路等級:高速鐵路;

(2)正線數(shù)目:雙線,線間距 5.0m;

(3)設(shè)計(jì)速度:350 km/h;初期運(yùn)行速度 300 km/h;

(4)曲線半徑:4 000m;

(5)建筑限界:西黃右線要求凈高 7.5m;

(6)設(shè)計(jì)荷載:ZK荷載;

(7)地震烈度:基本地震烈度 8度,場地類別為Ⅲ類,地震動(dòng)峰加速度為 0.2g。

圖1 空間剛架布置(單位:cm)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡介

2.1 空間剛架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

空間剛架結(jié)構(gòu)是通過橫梁與邊墻的剛性連接,邊墻與承臺及樁基與承臺的固結(jié)形成橫梁、邊墻及樁基承臺的共同作用,而形成空間無底板的空間門式剛架結(jié)構(gòu)。通過邊墻承受負(fù)彎矩進(jìn)一步降低了橫梁跨中正彎矩,從而降低了橫梁跨中截面的建筑高度,爭取了較大的凈空。邊墻、承臺樁基礎(chǔ)與既有線平行且連續(xù)設(shè)置、邊墻的掏空處理及邊墻間無底板設(shè)計(jì)等措施減少了施工期間與既有線的干擾,保證了既有線的正常行車,并使既有線在成橋后獲得很好的采光,改善了運(yùn)營條件,同時(shí)具有一定的景觀效果。

2.2 橫梁

橫梁采用型鋼混凝土結(jié)合梁。鋼筋混凝土梁內(nèi)設(shè)兩片工字型鋼骨架,工字型鋼與混凝土整體形成厚腹板工字形梁體。梁內(nèi)普通鋼筋穿過鋼板,實(shí)現(xiàn)混凝土與工字型鋼的共同作用。每片型鋼混凝土梁截面寬2.75m,懸臂翼緣板長 0.6m,厚度 0.2m,跨中處梁高1.25m,支點(diǎn)處加高至 1.75m。工字型鋼采用鋼板焊接而成,上下翼緣寬度 0.8m,腹板高 1.01～1.51 m,鋼板厚度 16mm。為保證邊墻與既有鐵路線平行,橫梁跨度順橋向由 14.6m漸變至 24.2m。橫梁與門形邊墻通過事先預(yù)埋邊墻內(nèi)的型鋼與預(yù)制橫梁內(nèi)的伸出型鋼焊接,實(shí)現(xiàn)橫梁與邊墻的剛性連接。橫梁跨中截面如圖2所示。

圖2 橫梁跨中截面(單位:cm)

2.3 門形剛架邊墻及基礎(chǔ)

門形剛架邊墻厚 2.0m,墻高 14.75m,順橋每節(jié)長度 5～16.5m,節(jié)間設(shè) 3 cm的沉降縫。為節(jié)約材料,減輕結(jié)構(gòu)自重,同時(shí)讓既有線獲得良好的采光條件,邊墻中間掏空成拱形。拱形結(jié)構(gòu)半徑 5.25m,拱頂至墻頂 2m。邊墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),墻內(nèi)鋼筋向上和向下分別深入梁體和承臺。

門形剛架邊墻基礎(chǔ)采用連續(xù)的剛性承臺與單排樁構(gòu)成的空間剛架結(jié)構(gòu)。承臺寬 2.5m,高 2.5 m,承臺頂面與地面基本平齊。下設(shè)單排 φ150 cm樁基,樁長41m,樁間距 4m。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 有限元模型的建立

采用通用軟件 MIDAS建立橋梁的空間有限元分析模型。采用空間梁單元及相應(yīng)參數(shù)來對橫梁、邊墻及承臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散。橫梁與邊墻按剛性連接進(jìn)行約束,邊墻與承臺固結(jié)形成門式剛架,樁基按等剛度彈簧模擬進(jìn)行彈性支承約束,其他構(gòu)件采用共節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束。計(jì)算模型分為 557個(gè)節(jié)點(diǎn),662個(gè)單元。所建立的橋梁分析模型見圖3。

活載加載按作用于橫梁處的實(shí)際作用位置進(jìn)行施加。橫梁按工字型鋼混凝土組合截面建模,程序中按《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[4]采用等效截面剛度,進(jìn)行截面內(nèi)力及應(yīng)力分析,其余均以實(shí)際截面建模。

梁部的整體計(jì)算考慮了以下各種計(jì)算內(nèi)力及其組合:自重、二期恒載、施工恒載、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、活載、溫度力、基礎(chǔ)不均勻沉降。

圖3 空間計(jì)算模型

3.2 靜力計(jì)算

(1)橫梁及掏空處邊墻

由于梁體數(shù)目較多,且各梁斷面尺寸及配筋情況基本相同,因此本次分析只給出最控制的橫梁的內(nèi)力分布?？刂平孛嬉妶D4,計(jì)算結(jié)果見表1、表2。

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表2 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

(2)邊墻及承臺

計(jì)算簡圖見圖5,計(jì)算結(jié)果見表3、表4。

圖5 剛架縱向計(jì)算簡圖(立柱及承臺)

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表4 強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

(3)基礎(chǔ)

樁基礎(chǔ)采用“m”法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表5、表6。

表5 承臺頂內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

表6 樁基驗(yàn)算結(jié)果

從上述計(jì)算結(jié)果看橫梁最不利情況發(fā)生在橫梁與邊墻連接處,邊墻最不利情況發(fā)生在開孔最大處。

3.3 結(jié)構(gòu)的剛度指標(biāo)

由于本橋?yàn)?SRC結(jié)構(gòu),混凝土開裂后截面的剛度必然會(huì)明顯降低,因此設(shè)計(jì)中在計(jì)算結(jié)構(gòu)變形時(shí),對相應(yīng)的剛度進(jìn)行了折減,按《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[4]最大撓度應(yīng)按荷載短期效應(yīng)組合并考慮荷載長期效應(yīng)組合影響的長期剛度進(jìn)行計(jì)算,取其剛度折減值計(jì)算列車靜活載產(chǎn)生的撓度值和溫度引起的撓度值,按《暫行規(guī)定》[2]最不利組合為 0.004 6m,撓跨比為 1/2 739＜1/1 300,滿足規(guī)范限值。

由列車活載作用下梁體扭轉(zhuǎn)引起的軌面不平順值最大為 0.7mm,滿足規(guī)范限值。

由列車搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度力作用下的最大水平撓度為 0.0022m,撓跨比為 1/5 272＜1/4 000。滿足規(guī)范要求。

3.4 地震力及結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

由于本結(jié)構(gòu)位于 8度震區(qū),應(yīng)考慮地震力作用。結(jié)構(gòu)的地震作用采用地震反映譜理論計(jì)算,利用 MIDAS軟件對空間剛架進(jìn)行地震力及動(dòng)力特性分析,共計(jì)算順橋向及橫橋向兩個(gè)方向,取其控制者,地震力計(jì)算結(jié)果見表1及表3。從表中計(jì)算結(jié)果看地震力引起的橫梁及邊墻內(nèi)力不控制設(shè)計(jì)。

橋梁的固有頻率是促使橋梁動(dòng)力系數(shù)出現(xiàn)峰值的根本原因。峰值的出現(xiàn)意味著共振,橋梁將發(fā)生劇烈的振動(dòng),從而影響軌道的不平順性及乘車的舒適性。本結(jié)構(gòu)的前五階自振頻率如表7所示。

表7 結(jié)構(gòu)自振特性

從表7的計(jì)算結(jié)果得出,結(jié)構(gòu)第一階豎向自振頻率為 11.815Hz,滿足《暫行規(guī)定》[2]的要求。同時(shí)在所有計(jì)算的高速客車和中速客車工況下,橋梁豎、橫向振動(dòng)加速度滿足限值要求,列車的輪重減載率和脫軌系數(shù)小于限值,行車安全性滿足要求,動(dòng)車和拖車的豎、橫向舒適度均滿足要求。

4 結(jié) 語

高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高,行車密度大,養(yǎng)護(hù)維修時(shí)間短,需要足夠的抗彎、抗扭剛度,足夠的穩(wěn)定性和耐久性,對噪聲、車橋振動(dòng)方面的要求都高于普通橋梁。對于小角度跨越多條鐵路(公路)的工點(diǎn),主要體現(xiàn)在縱橫向跨度大,一般大跨度結(jié)構(gòu)不能滿足要求。空間剛架結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)相比具有跨越能力強(qiáng)、整體剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、動(dòng)力性能好并能充分發(fā)揮混凝土及鋼材的各自特性及建筑高度低、橋跨布置容易等優(yōu)點(diǎn)。因此,在交叉角度小、橋下凈空要求受到限制,并且需要很大跨越能力時(shí),采用空間剛架結(jié)構(gòu)是合理的選擇,具有一定的實(shí)用價(jià)值。

[1]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.京滬高速鐵路北京特大橋跨西黃右線空間剛架施工圖設(shè)計(jì)文件[Z].天津:2008.

[2]新建時(shí)速 300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[3]TB 10002.3—2005,鐵路橋涵鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]JGJ138—2001,型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].