蘭渝線洛塘河車站特大橋設計

陳 剛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

1 工程概況

蘭渝鐵路設計標準為國鐵Ⅰ級，旅客列車速度目標值為200 km/h。洛塘河車站特大橋位于洛塘河車站內，為四線鐵路橋，橋上設正線兩條、到發(fā)線兩條，線間距5.3 m，全橋位于直線上。

橋址處地震峰值加速度為0.3g(八度區(qū))。年平均氣溫14.6℃，極端最高氣溫38.6℃，極端最低氣溫－8.6℃。橋址位于自然坡率為40°～60°的單面山坡上，坡腳下即為省道206，省道下臨深約30 m的洛塘河;山坡上分布有與線路相交的兩個較大沖溝，溝內常年流水，散布有大量漂石，漂石直徑達2～5 m。橋址部分段落分布有錯落體，巖石有擠壓破碎現(xiàn)象，呈碎塊狀，風化嚴重，如果有撓動，錯落體沿傾向公路的節(jié)理有向下錯動的跡象。山體基巖卸荷節(jié)理及裂隙發(fā)育，節(jié)理將巖體切割成大塊狀，多數與山體結合力差，部分段落有危石分布。橋位處陡坡掛線，橫向地形控制設計。重慶臺側坡陡溝深，為使橋臺防護錐體穩(wěn)定，橋臺宜設置于挖方段內，這也是制約橋梁跨度的重要因素之一。

主橋處線路為四線，由于墩臺及基礎尺寸較大，山體陡峻，施工對既有山體破壞較大，并結合橋位處特殊的地形(跨越兩條大的沖溝且有大量巨石分布、縱橫向地勢較陡等)、地質(錯落體分布、節(jié)理發(fā)育等)、施工(交通不便、場地較小)等條件，主橋采用了四線(68+3×120+68)m預應力混凝土連續(xù)梁方案，主橋按兩幅雙線橋并置設計，內側不設人行道(橋梁總寬22.56 m)，共用基礎、墩臺。引橋部分采用24，32 m簡支梁。主橋總體布置見圖1。

圖1 主橋總體布置(單位:cm)

2 主要技術標準

1)設計標準:客貨共線Ⅰ級鐵路。

2)設計速度目標值:旅客列車200 km/h，貨物列車120 km/h。

3)正線數目:雙線。

4)軌道形式:有砟無縫線路。

5)設計活載:中—活載。

3 主橋及引橋結構設計

3.1 主橋構造、梁段劃分

單幅梁采用單箱單室直腹板、變高度變截面箱梁，邊支點及跨中梁高5.5 m，中支點梁高9.5 m，梁底變化段曲線采用二次拋物線。一幅箱梁頂寬11.21 m，底寬6.40 m。頂板厚0.45～0.60 m，底板厚0.48～1.10 m，腹板厚0.5～1.10 m。中支座中心橫向間距5.3 m，邊支座中心橫向間距5.3 m，全聯(lián)在中支點和邊支點處及跨中設置9道橫隔板，橫隔板均設置過人洞，中支點處的橫隔梁厚3.0 m，邊支點處的橫隔梁厚1.6 m，跨中橫隔板厚0.8 m。斷面見圖2。

圖2 主橋單幅箱梁斷面(單位:cm)

主橋采用掛籃懸臂澆筑施工，梁段按各節(jié)段重量相差不宜過大、施工條件等共劃分為18種，全橋170個梁段。0號梁段長9 m，1～3號梁段長2.5 m，4～6號梁段長3.0 m，7～10號梁段長3.5 m，11～16號梁段長4.0 m，17號梁段為合龍段，梁段長2.0 m，18號梁段為邊支點現(xiàn)澆段，梁段長7.8 m。其中采用掛籃施工的最重梁段為1號梁段，重約1 900 kN。

3.2 主橋預應力體系

梁體設計為縱、橫、豎三向預應力體系，縱向按全預應力構件設計?？v、橫向預應力筋采用抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，彈性模量 Ep=195 GPa，公稱直徑為15.2 mm的高強度鋼絞線;豎向采用φ25 mm預應力混凝土用PSB830螺紋鋼筋。由于本橋先施工左幅橋，后施工的右幅橋為滿足橫向預應力束張拉的要求，在內側頂板端頭各束設0.28 m×0.60 m的槽口，張拉時選用前卡式小千斤頂逐根張拉。

3.3 主橋縱向靜力計算

預應力混凝土連續(xù)梁結構的靜力計算主要有:施工階段檢算;運營階段預應力混凝土主梁的應力、強度及抗裂性計算，支座反力和支座伸縮量計算，主梁的變形、變位及梁端轉角計算等。將主梁劃分為170個單元進行平面有限元分析，并對施工、運營共62個階段進行了模擬計算。由于高速鐵路橋梁對主梁工后殘余徐變有較高要求，故設計中需優(yōu)化鋼束布置，減少鋼束用量;另外盡量減小恒載作用下梁體上下緣的應力差，使梁體受力均勻。

計算中主要考慮了結構自重、二期恒載、預應力、混凝土收縮徐變、列車荷載、動力荷載、搖擺力、離心力、制動力、溫度力等。

本橋為多跨連續(xù)梁，合龍順序對橋梁結構受力有較大影響。通過不同梁高、不同合龍順序(中跨—次中跨—邊跨、邊跨—次中跨—中跨、中跨—邊跨—次中跨)的比較，確定了合理梁高和“中跨—次中跨—邊跨”的合龍順序。同時需要注意由于合龍順序不同對橋梁施工過程的受力影響也不同，本橋采用先合龍中跨的方案。主梁結構驗算結果見表1。

表1 主梁結構主要檢算結果

豎向靜活載作用下位移:邊跨豎向最大位移14.9 mm，為跨度的 1/4564，中跨豎向最大位移－54.8 mm，為跨度的1/2190。

梁端轉角:控制值 θ≤3×10－3rad，計算結果為θ=0.63 ×10－3rad。

3.4 主橋橫向計算

主橋縱梁橫向計算模型簡化為兩點支承的框架，按剛性支撐計算?？v向計算長度按一個輪對的荷載在橋面板上的有效分布寬度取值，其荷載工況按日照、寒潮兩種模式考慮。

3.5 引橋梁體設計及結構分析

引橋非岔區(qū)采用部頒“通橋(2005)2201”T梁，計算跨度為24，32 m。引橋道岔區(qū)，采用了計算跨度為24 m及32 m簡支道岔梁(截面為多片組合T梁)。邊梁尺寸同“通橋(2005)2201”，中梁頂寬1.36 m;根據橫向不同的活載布載工況對梁體進行檢算，其中活載橫向分配系數采用修正剛性橫梁法計算。經檢算邊梁可采用通用圖布束;中梁根據檢算情況配束。梁跨縱向布置時，岔跟、岔端到梁縫的距離需滿足軌道專業(yè)的要求。與非岔區(qū)簡支梁T梁相比，相同線間距情況下主梁片數增加，提高了主梁抗彎、抗扭剛度，使主梁的變形滿足岔區(qū)橋梁的要求。車站5.3 m線間距段落引橋橫斷面布置見圖3，32 m中梁驗算結果見表2。

圖3 引橋橫斷面布置(車站5.3 m線間距段落，單位:mm)

表2 岔區(qū)中梁主要檢算結果

4 橋墩、基礎設計

4.1 主橋橋墩、基礎設計

主橋墩身采用四線矩形實體墩(墩身橫向寬18.5 m)，雙幅橋共用，基礎采用2.0 m不等長挖孔樁基礎。

橋墩頂帽直接支承橋跨結構，為將上部結構的力均勻地傳遞給墩身，頂帽必須有足夠的厚度，并配足夠的鋼筋。由于本橋兩幅橋共用一個橋墩，中支點處頂帽承受較大的荷載，為確定中墩頂帽厚度和配筋，采用Midas軟件建立頂帽實體模型進行分析。頂帽主力作用下最大拉應力在兩支承墊石之間。按偏心受拉構件計算，頂帽橫向每延米需配10根φ25 mm的HRB335鋼筋。

4.2 引橋橋墩、基礎設計

引橋段落位于橫向斜坡上，為減少施工對山體的破壞，采用四線雙柱式橋墩，每個墩柱底設大直徑矩形挖孔樁。墩身為矩形截面(墩頂截面尺寸3 m×4 m)，墩身橫向不放坡，縱向由于剛度控制設42∶1的坡度;蓋梁橫向寬20.9 m，縱向寬3 m，跨中梁高3.1 m。由于基礎樁徑達4 m以上且兩側墩柱不等高(圖4)，較小尺寸樁及兩側等高柱身的橋墩受力特點不同。故采用空間梁單元建立墩身整體模型進行分析，樁身縱向及橫向考慮土側抗力(采用土彈簧模擬，彈簧剛度=土層厚度×樁計算寬度×土層地基比例系數×土層深度)，樁底嵌入弱風化板巖2 m處固結。經計算比較，當外側墩身高度超過14 m時，兩墩柱間設一道橫梁(截面2.5 m×2.5 m)，可提高結構的整體性和抵抗橫向水平荷載的能力。

圖4 引橋雙柱墩橫斷面(單位:cm)

5 抗震分析

本橋采用反應譜法利用結構分析軟件Midas進行抗震分析，地震輸入方向分縱、橫向分別計算。主橋按一聯(lián)連續(xù)結構建立空間全橋模型:梁、墩、承臺采用空間梁單元模擬;考慮樁—土—結構耦合作用;主橋與墩身之間采用主從約束方式，按活動墩和固定墩約束相應的自由度;二期恒載作為非結構質量施加于橋面;活載按橋上有車、無車分情況考慮，順橋向不計活載引起的地震力，橫橋向按列車活載的50%計。經分析縱向地震作用下，梁部縱向地震力主要由固定墩承擔，故固定墩墩身尺寸、墩身及樁基配筋均相應加大;橫向地震作用下，主墩受力相差不大;由于結構橫向抗彎剛度較大，第一階模態(tài)質量所占的比重較大。

6 動力特性

由于本橋為高墩、大跨、長聯(lián)、多線車站橋，故對全橋做了車橋耦合動力仿真分析。按列車—線路—橋梁空間耦合振動分析模型進行分析，包括車輛計算模型、軌道計算模型和橋梁計算模型，分別建立橋梁、軌道和車輛的運動方程，以輪軌關系、線橋關系為聯(lián)系紐帶，運用數值仿真方法來求解車線橋系統(tǒng)的動力響應，評價其行車安全性。經分析橋梁幾種典型的振型如圖5所示。在不同車組作用下，梁的豎向和橫向最大振動位移分別為22.1 mm和0.551 mm，墩頂橫向最大振動位移為0.335 mm，相應的振動加速度也小于規(guī)范限值，橋梁振動性能良好。列車行車安全性、舒適性及平穩(wěn)性均滿足要求。

圖5 第1～4階振型

7 防護設計

該橋整體處在車站范圍，線路選線受地形、地質等條件限制，橋位處陡坡掛線，橫向地形控制設計，故橋梁基礎施工是本橋的難點之一。設計中采用了“下?lián)跎戏馈钡木C合防護體系，即在坡腳下方緊鄰公路側設重力式坡腳擋墻;基頂以上山坡側根據地質、地形條件采用抗滑樁、錨桿(表層設主動防護網)等防護措施;基坑開挖設鋼筋混凝土護壁。為保證施工安全，待坡腳及山坡側擋護結構施工完畢后再進行橋梁下部結構的施工。刷方段橫向防護示意如圖6。

圖6 刷方段橋墩綜合防護橫斷面(單位:cm)

8 結語

山區(qū)車站橋梁布孔受制因素較多，需結合地質、地形、地物、施工條件、車站布置等條件綜合布孔。

山區(qū)橋梁需重視刷方地段的防護設計，既保證了施工安全，又對運營后的線路安全也有積極的作用。通過合理的防護設計和橋梁下部結構形式，減小了施工過程對環(huán)境的破壞，避免了大開挖、大刷方。

由于高速鐵路橋梁對主梁工后殘余徐變有較高要求，在滿足結構安全的前提下，可以通過優(yōu)化配束、控制恒載作用下梁體應力來滿足使用性能。

通過車橋耦合動力仿真分析，詳細地分析了多線大跨連續(xù)梁結構動力特性，表明該橋具有良好的振動性能，滿足行車安全性、舒適性及平穩(wěn)性要求。

［1］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應力混凝土結構設計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］中華人民共和國建設部.GB 50111—2006 鐵路工程抗震設計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2006.

［3］范立礎，胡世德，葉愛君.大跨度橋梁抗震設計［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［4］西南交通大學.洛塘河車站特大橋車橋耦合動力仿真分析報告［R］.成都:西南交通大學，2010.

［5］倪燕平.《鐵路工程抗震設計規(guī)范》的修改及對鐵路橋橋墩的影響［J］.鐵道標準設計，2005(11):82-84.

［6］尹京，王巍，劉鵬輝，等.高速鐵路大跨度預應力混凝土連續(xù)梁動力性能試驗研究［J］.鐵道建筑，2012(4):6-9.