四線(xiàn)鐵路橋2×108 m T形剛構(gòu)減震措施研究

張 鵬

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

四線(xiàn)鐵路橋2×108 m T形剛構(gòu)減震措施研究

張 鵬

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

西平鐵路田家窯2號(hào)大橋，是國(guó)內(nèi)目前跨度最大的四線(xiàn)鐵路T形剛構(gòu)橋。該橋孔跨布置為2×108 m，橋長(zhǎng)218.1 m，橋高68 m。本橋位于7度地震區(qū)，由唯一的橋墩承擔(dān)結(jié)構(gòu)的地震力。為減少地震力，通過(guò)有限元軟件分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，最終采用“單墩多柱”橋墩，并在橋臺(tái)設(shè)置減震阻尼的減震措施。理論分析、施工建造和驗(yàn)收過(guò)程表明，這些措施效果明顯，能夠滿(mǎn)足規(guī)范要求。

鐵路橋梁；T形剛構(gòu)；單墩多柱；減震措施

1 工程概況

西安至平?jīng)鲨F路為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)單線(xiàn)鐵路，設(shè)計(jì)速度120 km/h，位于陜西省中西部和甘肅省東部，正線(xiàn)長(zhǎng)度267 km。田家窯2號(hào)大橋位于蒿店車(chē)站內(nèi)，該站為四線(xiàn)越行站，正線(xiàn)2條，到發(fā)線(xiàn)2條。

橋梁跨越90 m深的封候溝支溝，橋址處溝谷狹窄，岸坡高陡，自然坡角70°～90°，呈“V”形沖溝，無(wú)常年流水。橋址黃土具有自重濕陷性，沖溝岸坡陡峻，坡面溜塌、錯(cuò)落及滑坡等不良地質(zhì)發(fā)育，極易剝蝕崩塌，加之溝心受季節(jié)性流水侵蝕，溝谷岸坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。下部完整砂巖地層力學(xué)性質(zhì)較好，地層較穩(wěn)定，可做為基礎(chǔ)持力層。橋址處地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，地震反應(yīng)譜特性周期為0.45 s。

根據(jù)地形地質(zhì)條件，為避開(kāi)不良地形、地質(zhì)的影響，減少對(duì)山體的刷方，保證邊坡穩(wěn)定，采用溝底設(shè)墩，兩側(cè)直接跨過(guò)黃土邊坡的跨越方案。本橋孔跨布置為2×108 m T形剛構(gòu)，梁部采用分幅雙線(xiàn)梁并列布置的形式，橋長(zhǎng)218.1 m，橋高68 m，平曲線(xiàn)半徑1 200 m。主橋布置見(jiàn)圖1。

圖1 田家窯2號(hào)大橋立面布置(單位:cm)

2 結(jié)構(gòu)概況

梁部為雙幅剛構(gòu)梁，聯(lián)長(zhǎng)218.1 m。梁體采用單箱單室變高度直腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋面為雙向2%“人字坡”。梁端距邊支座中心距離1.0 m，計(jì)算跨度為2×108 m。支點(diǎn)梁高11.5 m，跨中梁高4.6 m，梁體下緣按1.7次拋物線(xiàn)變化。箱梁上頂寬10.1 m，下底寬5.6 m。箱梁頂板厚除支點(diǎn)附近局部加厚外均采用0.4 m，底板厚0.5 m，在支點(diǎn)處線(xiàn)性過(guò)渡到1.1 m，腹板厚0.5 m，在支點(diǎn)處分段線(xiàn)性過(guò)渡到1.1 m。單幅梁體邊支點(diǎn)處支座中心橫向間距為3.9 m。

全橋在邊支點(diǎn)、中支點(diǎn)共設(shè)置了4道橫隔板，橫隔板預(yù)留過(guò)人洞。其中中支點(diǎn)處橫隔板貫通，將雙幅橋可靠聯(lián)結(jié)，以增強(qiáng)梁部的整體性。邊支點(diǎn)處橫隔板厚1.5 m，中支點(diǎn)每處橫隔板厚2 m。

梁部構(gòu)造見(jiàn)圖2，半中支點(diǎn)、半梁端截面見(jiàn)圖3。

圖2 梁部構(gòu)造(單位:cm)

圖3 半中支點(diǎn)、半梁端橫截面(單位:cm)

梁體采用掛籃懸灌澆筑施工，剛構(gòu)中支點(diǎn)與橋墩固結(jié)。澆筑時(shí)以橋墩為中心，先澆筑0號(hào)段，然后兩側(cè)對(duì)稱(chēng)澆筑，澆筑時(shí)控制T構(gòu)兩端梁段混凝土方量，保障橋梁施工過(guò)程中的平衡與穩(wěn)定。

橋墩墩高56 m，采用“單墩多柱”的結(jié)構(gòu)形式，由4片薄壁柱組成，薄壁柱之間采用橫梁和橫向聯(lián)系聯(lián)接成整體。

3 橋墩的減震措施研究

3.1 “單墩多柱”的概念設(shè)計(jì)

本橋位于7度地震區(qū)，為四線(xiàn)橋，梁部質(zhì)量較大。在地震荷載作用下，由唯一的橋墩承擔(dān)梁部質(zhì)量引起的較大的地震力[1-4]。按照常規(guī)抗震設(shè)計(jì)思想，為保證強(qiáng)度必須加大橋墩結(jié)構(gòu)尺寸，這會(huì)導(dǎo)致橋墩剛度增大，反過(guò)來(lái)又增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的地震力，造成惡性循環(huán)[5-7]。

為解決此種不利狀況，應(yīng)當(dāng)借鑒減震設(shè)計(jì)的思路。橋墩采用“單墩多柱”的形式，將4個(gè)薄壁柱用橫梁和橫向聯(lián)系聯(lián)結(jié)，保證在常見(jiàn)荷載作用下橋墩有足夠的剛度。當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，橋墩橫梁和橫向聯(lián)接系首先進(jìn)入塑性，耗散地震能量，同時(shí)橋墩剛度減小，降低了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)[8-10]。這樣既保障了薄壁柱不被破壞，又簡(jiǎn)化了震后橫梁和橫向聯(lián)系的修復(fù)工作，解決了以往設(shè)計(jì)的橋墩進(jìn)入塑性破壞后難以修復(fù)的難題。

另一方面，“單墩多柱”4個(gè)薄壁柱的結(jié)構(gòu)形式，增加了梁部支點(diǎn)的間距，降低了梁部的彎矩，減少了梁部質(zhì)量，也在一定程度上降低了地震力[11，12]。

3.2 設(shè)置橫梁的效果研究

采用有限元軟件Midas軟件分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，全橋共劃分為264個(gè)節(jié)點(diǎn)，267個(gè)梁?jiǎn)卧?，樁基礎(chǔ)及橋臺(tái)的邊界條件按實(shí)際情況模擬。動(dòng)力計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

圖4 動(dòng)力計(jì)算模型

在橋墩h/3、2h/3處設(shè)置橫梁(h為墩高)。設(shè)置橫梁前后，薄壁柱的彎矩圖如圖5、圖6所示，橫梁使薄壁柱彎矩分布更加均勻。設(shè)置橫梁前后，主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

圖5 不設(shè)橫梁橋墩彎矩圖(單位：kN·m)

圖6 設(shè)橫梁橋墩彎矩圖(單位：kN·m)

對(duì)比內(nèi)容設(shè)置前設(shè)置后設(shè)置后/設(shè)置前薄壁柱最大剪力/kN2097199995.3%薄壁柱最大彎矩/(kN·m)501542198543.8%橋梁縱向周期/s4.532.4854.7%

從上述計(jì)算結(jié)果中可以看出，設(shè)置橫梁后，剪力引起的彎矩顯著減少，同時(shí)橋墩的縱向剛度大幅提高。

橋墩設(shè)置橫梁一方面能提高橋墩的整體性，改善地震荷載作用下各柱受力，發(fā)揮“單墩多柱”形式的優(yōu)點(diǎn)；另一方面，能減少各柱的長(zhǎng)細(xì)比，提高橋墩的穩(wěn)定性能。

3.3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋墩墩高56 m，由4片薄壁柱組成。薄壁柱厚2 m，縱向采用直坡，橫向外坡50∶1，頂寬6.6 m，底寬7.62 m。薄壁柱中心縱向間距11 m，兩薄壁柱之間設(shè)置2道橫梁，橫梁長(zhǎng)9 m，高2 m，中心豎向間距19 m。為使兩幅橋具有較好的整體性，在兩幅橋薄壁柱間設(shè)置4道橫聯(lián)連接，橫向聯(lián)系長(zhǎng)3.82 m，寬2 m，高3 m，中心豎向間距10 m。墩身采用C50混凝土，全高范圍內(nèi)均添加聚丙烯纖維。橋墩橫橋向、縱橋向構(gòu)造見(jiàn)圖7。

圖7 橋墩橫橋向、縱橋向構(gòu)造 (單位:cm)

橋墩承臺(tái)橫向?qū)?2.6 m，縱向?qū)?1.2 m，高5 m。樁基采用40根φ2 m鉆孔灌注樁，按摩擦樁設(shè)計(jì)，樁長(zhǎng)22 m。

4 橋臺(tái)的減震措施研究

田家窯2號(hào)橋僅有一個(gè)橋墩承擔(dān)結(jié)構(gòu)的地震力，需要結(jié)合地形和結(jié)構(gòu)特性，利用T形剛構(gòu)梁端與橋臺(tái)直接聯(lián)結(jié)的特點(diǎn)，在橋臺(tái)處設(shè)置減震裝置。以此將橋墩承擔(dān)的部分地震力分配給橋臺(tái)，減少橋墩承擔(dān)的地震力，降低工程造價(jià)和保證結(jié)構(gòu)安全。

利用有限元分析軟件Midas其中提供的間隙單元，模擬梁端減震裝置。梁端減震裝置的減震效果主要與其初始間隙和彈性剛度兩個(gè)參數(shù)有關(guān)，分別給定若干組值，從中選擇減震效果最好的一組作為推薦結(jié)果。分析表明，初始間隙1.0 cm，彈性系數(shù)1.5×105kN/m時(shí)，減震效果最好，將此作為推薦方案。

以承臺(tái)底水平反力和彎矩作為比選目標(biāo)，梁端設(shè)置減震裝置前后計(jì)算對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 設(shè)置減震裝置前后承臺(tái)底水平反力和彎矩對(duì)比

從表2可以看出，設(shè)置減震裝置后，橋墩所承受的地震力大大減少，該減震措施效果明顯。本橋采用的減震橡膠阻尼見(jiàn)圖8，其價(jià)格僅為常規(guī)粘滯阻尼器的1/10左右，經(jīng)濟(jì)效果顯著。并且該減震橡膠阻尼日常維護(hù)簡(jiǎn)單，耐久性好，性能可靠。

圖8 梁端安裝的減震橡膠阻尼裝置

5 結(jié)語(yǔ)

田家窯2號(hào)大橋位于7度地震區(qū)，采用2×108 m的T型剛構(gòu)，橋高68 m。梁部為四線(xiàn)橋，質(zhì)量較大，由此當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，梁部產(chǎn)生的水平地震力較大。而該橋僅有1個(gè)橋墩承擔(dān)水平地震力，常規(guī)抗震設(shè)計(jì)難以滿(mǎn)足要求。為減少地震力，降低工程造價(jià)，本文借鑒減震設(shè)計(jì)的思想，研究了橋墩采用“單墩多柱”的形式，并在橋臺(tái)設(shè)置減震阻尼的減震效果。理論分析表明：這兩項(xiàng)減震措施的效果明顯，經(jīng)濟(jì)可靠。田家窯2號(hào)大橋已于2013通過(guò)靜態(tài)驗(yàn)收和動(dòng)態(tài)驗(yàn)收，并在該年年底通車(chē)運(yùn)營(yíng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期和驗(yàn)收指標(biāo)的要求。

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Damping Research on 2×108 m T-Frame Bridge of Four-track Railway

ZHANG Peng

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.， Xi’an 710043， China)

Tianjiayao NO.2 bridge of Xi～Ping railway is the longest four-track railway T-frame bridge in China with span arrangement of 2×108 m， 218.1 m long and 68 m high. The bridge is located in grade 7 earthquake zone and the earthquake force on structure is only taken by piers. In order to reduce earthquake force， the dynamic characteristics of the structure are analyzed with finite element software and “single pier with multiple columns” is finalized with damping at abutment. Theoretical analysis， construction and acceptance processes demonstrate that these measures are effective to satisfy the requirements of standard.

Railway bridge; Rigid T-frame; Single pier with multiple columns; Damping measures

2015-03-19；

2015-04-03

張 鵬(1984—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)橋梁與隧道工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：zhangpeng12348@163.com。

1004-2954(2015)11-0056-03

U441+.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.014