西康二線關(guān)廟大橋設(shè)計

歐陽輝來

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

1 工程概述

西安至安康增建二線主要通過渭河沖積平原區(qū)、秦嶺中山區(qū)、秦嶺南部中低山河谷區(qū)三個大的區(qū)域。關(guān)廟大橋地處終南山國家森林公園風(fēng)景區(qū)，為跨越大瓢溝而設(shè)。橋位處溝槽明顯，較順直，兩岸岸坡高陡，自然坡度約60°，溝谷深切呈“V”字形，溝內(nèi)沉積有大量的漂石，兩岸山坡近溝底基巖裸露，兩岸基巖出露，河床為碎石質(zhì)河床，橋位地處典型V形溝谷，橋高近70 m。關(guān)廟大橋位于R=1 600 m的平曲線上，安康側(cè)接大瓢溝隧道，西安側(cè)接熊溝隧道。橋址處線路與大瓢溝斜交，斜交角度30°。

橋址處控制流域面積16.55 km2，百年一遇流量Q=224 m3/s，橋址處河床縱坡56.7‰。橋址氣候?qū)儆跐駶櫤渖降貧夂颍０胃叱? 000 m以上，年平均氣溫13.2℃，極端最高氣溫39.0℃，極端最低氣溫－17.5℃，平均相對濕度70%。

綜合考慮造價經(jīng)濟(jì)、施工方便及對橋位處周邊環(huán)境影響等因素，最終確定關(guān)廟大橋采用(95+95)m預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)方案。全橋布置見圖1。

圖1 關(guān)廟大橋橋型布置(單位:cm)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)鐵路等級:Ⅰ級。

2)正線數(shù)目:單線(增建二線)。

3)限制坡度:6‰，雙機(jī)13‰。

4)旅客列車設(shè)計行車速度及最小曲線半徑:設(shè)計行車速度160 km/h，最小曲線半徑1 600 m。

5)牽引種類:電力

6)重車方向:安康

7)建筑限界:橋梁建筑限界采用“客貨共線鐵路建筑限界(v≤160 km/h)橋梁建筑限界圖(電力牽引區(qū)段)”。

8)地震烈度:地震動峰值加速度0.10g(相當(dāng)于地震基本烈度七度)，場地特征周期0.40 s。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 主梁

由于本橋位于R=1 600 m的平曲線上，故箱梁為曲梁，半徑為1 600 m。

主梁采用懸臂澆注法施工。

梁體為單箱單室變高度直腹板箱形截面，墩頂處梁高11.0 m，梁端直線段高4.5 m，梁底曲線線型采用1.8次拋物線。箱梁的箱頂寬7.5 m，單側(cè)懸臂長1.25 m，箱底寬5.0 m。腹板厚度0.50～1.10 m，底板由箱梁根部1.30 m，漸變至邊跨直線段0.50 m。頂板厚0.535 m。梁端斷面見圖2。在梁端設(shè)有2.5 m厚的橫隔墻，箱梁在墩頂處設(shè)置2道2.0 m厚的橫隔墻。

圖2 梁端橫斷面(單位:cm)

3.2 橋墩及基礎(chǔ)

橋墩采用矩形截面鋼筋混凝土空心墩，墩高58 m;墩身厚度(順橋向)8.0 m，壁厚1.2 m，內(nèi)外壁為直坡變化;墩頂橫橋向?qū)挾?.5 m，壁厚為1.2 m，墩身橫橋外側(cè)按40∶1、內(nèi)側(cè)按60∶1的坡度變化，墩底橫橋向?qū)挾?0.40 m。

基礎(chǔ)采用矩形明挖滿灌混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸長(順橋向)×寬(橫橋向)×高為(16×19×15)m。橋墩及基礎(chǔ)構(gòu)造見圖3。

圖3 橋墩及基礎(chǔ)構(gòu)造(單位:cm)

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 靜力分析

將(95+95)m預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)作為分析對象，主要用于縱向靜力計算，對其施工階段、運營階段的內(nèi)力和應(yīng)力狀況進(jìn)行分析。本模型采用西南交通大學(xué)編制的橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS程序進(jìn)行計算。按照主橋梁部的實際構(gòu)造進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，共劃分76個單元、78個節(jié)點。根據(jù)設(shè)計施工流程，全橋施工分為70個階段，第70階段為運營階段。

分析工況考慮了結(jié)構(gòu)自重、預(yù)加應(yīng)力、混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)變位影響、中—活載、溫度荷載、風(fēng)荷載、施工荷載等。

經(jīng)分析，成橋階段主梁上緣最大應(yīng)力(壓應(yīng)力)為14.11 MPa，上緣最小應(yīng)力(壓應(yīng)力)為0.89 MPa，下緣最大應(yīng)力(壓應(yīng)力)為12.74 MPa，下緣最小應(yīng)力(壓應(yīng)力)為0.51 MPa;運營階段主梁上緣最大應(yīng)力(壓應(yīng)力)為 15.84 MPa，上緣最小應(yīng)力(壓應(yīng)力)為0.83 MPa，下緣最大應(yīng)力(壓應(yīng)力)為14.50 MPa，下緣最小應(yīng)力(壓應(yīng)力)為0.50 MPa，最大主拉應(yīng)力為－1.43 MPa，最小正截面強(qiáng)度安全系數(shù)為2.33，最小抗裂安全系數(shù)為1.41;均滿足規(guī)范要求。

4.2 動力特性分析

將(95+95)m預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)作為分析對象，主要用于結(jié)構(gòu)動力特性分析和地震荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。

本模型采用通用有限元程序MIDAS-CIVIL程序進(jìn)行分析。按照橋梁上下部的實際構(gòu)造進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，共劃分120個單元、122個節(jié)點。動力分析模型見圖4。

主梁、墩柱采用空間梁單元進(jìn)行離散，二期恒載通過均布荷載轉(zhuǎn)換成質(zhì)量施加在主梁上，墩與主梁之間的連接采用主從關(guān)系來模擬。

圖4 動力分析模型

基礎(chǔ)采用六彈簧法模擬樁—土效應(yīng)，即作用于承臺底的6個彈簧剛度等代基礎(chǔ)的作用，這6個單元剛度為豎向剛度、順橋向和橫橋向的抗推剛度、繞豎軸的抗扭剛度和繞兩個水平軸的抗彎剛度。

模型整體坐標(biāo)系:順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。六彈簧模型見圖5。

圖5 考慮基礎(chǔ)—土共同作用的六彈簧模型

橋梁前5階頻率、周期和振型見表1，均滿足規(guī)范要求。

表1 橋梁前5階自振頻率、周期及振型

4.3 減隔震措施

由于本橋兩端接隧道，橋臺設(shè)置在完整的巖石中，為充分利用橋臺后巖石的抗壓強(qiáng)度、減少主墩和基礎(chǔ)承擔(dān)全聯(lián)的地震力，故在梁端和橋臺前墻處設(shè)置橡膠隔震塊，從而到達(dá)減隔震的效果，見圖6。表2為是否在梁端和臺前設(shè)置隔震塊時的橋墩受力情況。

圖6 橋臺立面構(gòu)造(單位:cm)

表2 順橋向罕遇地震內(nèi)力

從表2可知道，設(shè)置橡膠隔震塊可將主墩承擔(dān)的地震力降低約40%。

5 施工方法

本橋位兩側(cè)邊坡陡峭，巖石完整，為了減少施工對既有植被、巖石等環(huán)境因素的影響，故采用掛籃懸臂現(xiàn)澆方案，并且盡可能地縮短邊跨支架現(xiàn)澆段、延長懸臂澆注的梁段長度。

6 結(jié)束語

關(guān)廟大橋為西康二線鐵路重點工程，位于R=1 600 m的平曲線上，是國內(nèi)單線鐵路跨度最大的T形剛構(gòu)。大橋結(jié)構(gòu)線型簡潔，施工對既有環(huán)境的影響較小。大橋取得的設(shè)計成果，為今后在其他鐵路干線上單線大跨T形剛構(gòu)設(shè)計提供了技術(shù)支持，對提高設(shè)計效率有較大幫助。大橋竣工以來運營狀態(tài)良好。

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