蘭州至中川城際鐵路西固黃河特大橋設(shè)計(jì)

王小民

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

1 工程概況

西固黃河特大橋位于蘭州市西固區(qū)，為新建蘭州至中川城際鐵路的重點(diǎn)控制性工程，橋梁全長5 837.92 m，最大墩高37 m。該橋主橋采用了(80+120+120+80)m預(yù)應(yīng)力混凝土雙線連續(xù)剛構(gòu)，主橋?yàn)榭缭近S河而設(shè)，本橋位于R=800 m的圓曲線及緩和曲線上，是同類橋梁中目前國內(nèi)最大跨的鐵路橋梁。主橋立面布置見圖1。

圖1 連續(xù)剛構(gòu)立面布置(單位:m)

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主要設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)活載:雙線鐵路，中—活載。有砟軌道。設(shè)計(jì)行車速度160 km/h?；A(chǔ)不均勻沉降按2 cm計(jì)。體系溫度:按當(dāng)?shù)貧庀筚Y料整體升溫按30℃，降溫按25℃(不包括混凝土收縮影響)。橋址地區(qū)地震基本烈度8度。地震動(dòng)峰值加速度0.238g，動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

2.2 主梁構(gòu)造

主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，箱梁采用單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)，箱梁頂寬11.4 m，底寬6.7 m。箱梁計(jì)算跨度(80+2×120+80)m，梁全長401.5 m。箱梁梁底下緣按2.0次拋物線變化，拋物線方程y=0.001 68x2，中支點(diǎn)處梁高8.8 m，跨中及梁端26.25 m直線段梁高為4.6 m，邊支座中心線至梁端0.75 m。箱梁頂板厚0.40～0.65 m，底板厚0.5～1.2 m，腹板厚0.5～1.0 m。箱梁在支點(diǎn)、剛構(gòu)墩頂及主跨跨中處設(shè)置橫隔墻，其中剛構(gòu)墩頂處厚2.2 m，邊支點(diǎn)處厚1.45 m，跨中處厚0.8 m，橫隔墻上設(shè)置過人洞，供檢查人員通過。箱梁懸臂端部厚 0.25 m，根部厚0.65 m，頂板邊腹板處設(shè)有0.9 m×0.3 m梗脅，底板邊腹板、中腹板處均設(shè)有0.6 m×0.3 m梗脅，箱梁腹板設(shè)有內(nèi)徑0.1 m通風(fēng)孔，頂?shù)装寰O(shè)有泄水孔，頂面按兩側(cè)排水設(shè)計(jì)。箱梁橫斷面見圖2。

2.3 主梁預(yù)應(yīng)力體系

圖2 連續(xù)剛構(gòu)箱梁橫斷面(單位:cm)

梁體設(shè)計(jì)為縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)?？v、橫向采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線，豎向采用預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋。

縱向鋼束主要采用15φs15.2 mm及19φs15.2 mm鋼絞線，分別采用M15-15/19夾片式錨具錨固;所有鋼束均采用金屬波紋管成孔，內(nèi)徑分別為φ90 mm和φ100 mm，雙端張拉。

橫向鋼束:均采用4φs15.2 mm鋼絞線，70 mm×19 mm金屬波紋管，單端張拉，張拉端順橋長方向交錯(cuò)布置。

豎向預(yù)應(yīng)力:采用φ32精軋螺紋鋼筋，JLM-32錨具錨固，內(nèi)徑φ50 mm金屬波紋管。

2.4 下部結(jié)構(gòu)

2.4.1 橋墩

本橋采用(80+2×120+80)m連續(xù)剛構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度達(dá)47 m左右。其主墩(165#～167#)高分別為35.5，37和36 m，均采用上部雙薄臂實(shí)體墩、下部菱形六邊形實(shí)體墩的結(jié)構(gòu)形式，上部單肢薄壁為2.2 m×9.0 m(縱×橫)的矩形截面，雙肢中心距6.0 m;橫橋向迎水面設(shè)置3 m的圓弧倒角。邊墩(164#，168#)采用圓端形空心放坡橋墩，頂帽4.8 m×10.6 m×0.6 m(圓端形截面);托盤及墩身亦采用圓端形，托盤高2.5 m，其上下截面分別為4.4 m×10.2 m和4.4 m×8.8 m;墩身尺寸為4.4 m ×8.8 m，壁厚0.7 m，外坡45∶1，內(nèi)坡75∶1，墩底設(shè)3.0 m的過渡實(shí)體段，墩壁四周交錯(cuò)設(shè)置通風(fēng)孔。墩頂實(shí)體段與空心段采用倒角過渡，縱、橫向均為60 cm×200 cm;基頂實(shí)體段與空心段采用倒角過渡，縱、橫向均為 100 cm ×300 cm。164#墩、168#墩主橋兩側(cè)分別接32，24 m簡支T梁，縱向分別設(shè)有45，50 cm的預(yù)偏心。

2.4.2 承臺(tái)及樁基

主墩承臺(tái)19.2 m×19.2 m×5 m，采用 16根φ2.0 m的樁基，165#～167#墩樁長分別為 54，56和54 m。邊墩承臺(tái)10.6 m×14.6 m×4.0 m，采用12根φ1.5 m 的樁基，164#，168#墩樁長分別為 32，31 m。

2.5 施工方法

梁部采用輕型掛籃分段懸臂澆筑施工。即先在主墩上搭設(shè)托架，在拖架上立模澆筑0#塊，將0#塊與各臨時(shí)墩固結(jié)，而后向兩側(cè)順序澆筑各梁段，形成2個(gè)T構(gòu)，再合龍中跨。搭設(shè)邊跨現(xiàn)澆支架，澆筑邊跨現(xiàn)澆段，安裝邊跨永久支座，邊跨合龍，完成全部連續(xù)剛構(gòu)施工。

3 主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 縱向計(jì)算

全橋縱向計(jì)算采用BSAS程序進(jìn)行。計(jì)算中恒載考慮了結(jié)構(gòu)自重、預(yù)加應(yīng)力、混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)不均勻沉降;附加力考慮了溫度、支座摩阻、制動(dòng)力等因素的影響，其中溫度影響除考慮體系升降溫外，還考慮了箱梁日照影響?；詈奢d按鐵路中—活載計(jì)算。對于施工全過程則按雙壁墩施工→箱梁0#節(jié)段施工→各節(jié)段對稱懸澆施工→中跨合龍→邊跨合龍→橋面施工等施工步驟劃分為多種工況，作分析計(jì)算。

箱梁計(jì)算結(jié)果如表1所示。

該剛構(gòu)橋的各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 橫向計(jì)算

箱梁橫向計(jì)算時(shí)將箱梁橫向簡化成帶剛性支承的框架結(jié)構(gòu)，支點(diǎn)在兩腹板下，按《橋規(guī)》要求計(jì)算橋梁縱向活載影響分布寬度，換算成每延米的集中荷載作用在框架頂板上。計(jì)算荷載包括恒載、活載、溫度變化等作用。根據(jù)梁體截面的橫向計(jì)算確定梁體普通鋼筋的配筋。

3.3 主橋自振特性

利用Midas建立的全橋模型進(jìn)行動(dòng)力分析，可以得到大橋的各階振型及大橋的自振特性，用承臺(tái)底6個(gè)自由度的彈簧剛度模擬樁土相互作用，這6個(gè)彈簧剛度是豎向剛度、順橋向和橫橋向的抗推剛度、繞豎軸的抗扭剛度和繞兩個(gè)水平軸的抗彎剛度，它們的剛度用“m”計(jì)算，方法與靜力計(jì)算相同。連續(xù)剛構(gòu)計(jì)算模型見圖3。表2僅列出前6階頻率及振型。

圖3 連續(xù)剛構(gòu)計(jì)算模型三維視圖

表1 主梁主要計(jì)算結(jié)果

表2 實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)自振特性

由計(jì)算結(jié)果分析可知，本橋第一階振型為全橋縱向振動(dòng)，反映了橋梁在縱向較柔，不僅對抗震有利，且改進(jìn)了墩梁的受力狀況。

3.4 主橋抗震分析

本連續(xù)剛構(gòu)橋是位于高地震烈度區(qū)的大跨高墩鐵路梁橋，地震動(dòng)峰值加速度為0.238g。對剛構(gòu)墩墩身進(jìn)行了罕遇地震下的時(shí)程分析內(nèi)力與反應(yīng)譜法內(nèi)力檢算，并且考慮重要性系數(shù)1.4。通過荷載組合計(jì)算，其墩身截面配筋滿足抗震設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1)西固黃河特大橋在設(shè)計(jì)階段通過大量參數(shù)分析，綜合比較梁寬、墩型、墩寬及樁的布置對結(jié)構(gòu)的影響，從而確定了最優(yōu)的構(gòu)造尺寸，節(jié)省了工程量，具有較好的經(jīng)濟(jì)性能。

2)由于墩梁固結(jié)，主墩縱橫向剛度不僅影響著墩頂位移及墩身截面強(qiáng)度而且對主梁內(nèi)力變化影響很大(主墩與主梁的相對剛度決定了主梁的內(nèi)力分布，主墩的縱向剛度越大主梁受力越不合理)，因此確定合理的主墩構(gòu)造尺寸是設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。本橋采用雙壁墩在保證了結(jié)構(gòu)橫向剛度的前提下降低了結(jié)構(gòu)縱向剛度，有效地改善了結(jié)構(gòu)受力性能，使橋梁更輕盈美觀。

3)分析計(jì)算表明，西固黃河特大橋在各種不利荷載作用下能夠滿足安全使用要求，同時(shí)結(jié)構(gòu)具有足夠的橫向剛度和良好的行車舒適性，以及較好的動(dòng)力性能與抗震性能。

4)西固黃河特大橋是新建蘭州至中川城際鐵路的重點(diǎn)控制性工程，是同類橋梁中目前國內(nèi)最大跨的鐵路橋梁。通過本橋的設(shè)計(jì)修建，為今后大跨度鐵路預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。

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