符夾鐵路青龍山特大橋空間剛架設(shè)計

侯 偉

(中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

1 概述

符夾鐵路位于安徽省境內(nèi)，南起符離集，向西北經(jīng)淮北市、蕭縣至徐州夾河寨，是隴海、京滬、京九三大路網(wǎng)干線間的聯(lián)絡(luò)線。全線按一次雙線電化擴(kuò)能考慮，對既有線進(jìn)行部分改造，并行既有線增建二線。

青龍山特大橋為符夾鐵路擴(kuò)能工程重要節(jié)點橋梁，地處青龍山附近，毗鄰S101省道，上跨南北走向的青符鐵路聯(lián)絡(luò)線(既有線和新建線各1條)。橋梁全長2 795.63 m，承擔(dān)單條新建符夾左線運(yùn)營荷載，設(shè)計為鐵路I級，速度120 km/h。為控制橋位處居民區(qū)拆遷工程量，符夾增建線線位靠近既有鐵路線，與青符聯(lián)絡(luò)線呈較小斜交角度11°，平面圓曲線半徑800 m。鐵路線相交區(qū)域內(nèi)有兩個下穿涵洞，線位平面如圖1所示。

圖1 線位平面示意

大橋施工結(jié)束后新建青符聯(lián)絡(luò)左線，大橋施工過程中既有青符聯(lián)絡(luò)線沿施工便線運(yùn)營。

橋址處于黃淮沖積平原，為中軟土地基，主要由第四系全新統(tǒng)(Q4al)及第四系上更新統(tǒng)(Q3al)沖洪積形成的黏性土、砂土組成，土層特性自上而下如表1所示。

表1 土層特性

2 橋式方案確定

橋式方案的確定以鐵路設(shè)計線位為基礎(chǔ)，結(jié)合橋下凈空、施工難易度、施工對鄰近鐵路運(yùn)營的影響及橋梁美學(xué)等綜合考慮。青龍山特大橋施工過程中，既有青符聯(lián)絡(luò)線沿施工便線運(yùn)營，不受橋梁施工干擾。

青龍山特大橋上符夾鐵路增建線與斜向下穿的青符聯(lián)絡(luò)線在橋跨中間交織，兩端逐漸分開。兩線中心距超過8 m區(qū)域內(nèi)，大橋采用簡支梁結(jié)構(gòu)，橋下無鐵路線。

兩線中心距小于8 m范圍內(nèi)，下穿青符鐵路聯(lián)絡(luò)線線間距4.4 m，建筑限界要求凈高6.55 m，運(yùn)營繁忙。大橋結(jié)構(gòu)的選型應(yīng)在控制結(jié)構(gòu)高度保證橋下建筑凈空的同時盡量避免橋梁施工對既有線運(yùn)營的干擾。本橋位于彎道上，可行的橋式方案有空間剛架、鋼桁梁、門式墩簡支梁及隱形蓋梁連續(xù)梁，各方案比選如表2所示。

表2 橋式方案比選

空間剛架結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)，縱橫向聯(lián)合受力，跨越范圍一定時結(jié)構(gòu)高度明顯小于梁式橋，適用于彎道線路，施工成熟，后期無養(yǎng)護(hù)，造價經(jīng)濟(jì)。此外，剛架側(cè)墻可根據(jù)美學(xué)設(shè)計開不同形狀的孔洞，給下穿鐵路線提供采光的同時美化結(jié)構(gòu)外形。因此青龍山特大橋上跨青符線范圍內(nèi)采用空間剛架結(jié)構(gòu)，施工方案用滿堂支架現(xiàn)澆。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

空間剛架在我國鐵路橋梁中已被多次運(yùn)用，如合肥至武漢鐵路引入合肥樞紐工程跨合九鐵路特大橋、京滬高鐵(京徐段)北京特大橋等。上述剛架基礎(chǔ)形式均為條形承臺下接均勻連續(xù)布置的單排樁基，結(jié)構(gòu)端部設(shè)置大體積異形群樁。

青龍山特大橋空間剛架橋，基礎(chǔ)全線采用單排樁基礎(chǔ)，端部緊鄰簡支梁橋橋墩?？紤]到剛架處青符聯(lián)絡(luò)線下有兩個涵洞，剛架樁基采用間斷布置，為涵洞預(yù)留足夠空間。剛架側(cè)墻開孔尺寸在滿足結(jié)構(gòu)受力安全和美觀的前提下盡量加大，保證下穿線路的通透、減少橫向風(fēng)荷載的作用面積。

用“%”的形式,表示2組治療效果、不良反應(yīng)發(fā)生情況,并用卡方值檢驗,在用SPSS20.0軟件核對后,當(dāng)2組社區(qū)糖尿病患者的各指標(biāo)數(shù)據(jù)有差別時,用P<0.05表示。

3.1 總體布置

空間剛架沿符夾鐵路增建線里程增大方向分為5孔，結(jié)構(gòu)全長約106.07 m，孔跨布置為(25.35+21.52+21.41+18.32+19.47)m，寬度16.0～21.2 m?？臻g剛架立面如圖2所示。

符夾增建線在剛架上斜向通過，剛架側(cè)墻邊線據(jù)青符線運(yùn)營不受剛架施工干擾所需安全距離確定，在符夾增建線行離剛架區(qū)段進(jìn)一步結(jié)合增建線的行車寬度。1～5孔剛架結(jié)構(gòu)理論計算跨徑依次為29.14、21、21、19.66、17.64 m，孔跨間設(shè)置 3 cm 變形縫。2、3 孔為標(biāo)準(zhǔn)段，平面呈矩形，全寬16.0 m;1、4、5孔為異形段，平面呈四邊形，寬度隨縱向邊線走向變化?？臻g剛架平面如圖3所示，標(biāo)準(zhǔn)段剛架剖面如圖4所示。

圖2 空間剛架立面(單位:m)

圖3 空間剛架平面(單位:m)

圖4 標(biāo)準(zhǔn)段剛架剖面(單位:m)

3.2 頂板構(gòu)造

頂板為 C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，各孔等厚，為0.90 m，近側(cè)墻處設(shè)置0.5 m×1.5 m的梗肋。標(biāo)準(zhǔn)段2、3孔平面縱向長21 m，橫向?qū)?6.0 m。異形段1孔頂板平面尺寸:縱向西側(cè)長29.14 m，東側(cè)長24.37 m，橫向南側(cè)寬21.2 m，北側(cè)寬16.0 m;東側(cè)外檐設(shè)置漸變挑臂，長度1.35～0.525 m。4孔頂板平面尺寸:縱向西側(cè)長19.66 m，東側(cè)長19.5 m，橫向南側(cè)寬16 m，北側(cè)寬 18.48 m;西側(cè)外檐設(shè)置漸變挑臂，長度0.525～1.155 m。5孔頂板平面尺寸:縱向西側(cè)長17.64 m，東側(cè)長20 m，橫向南側(cè)寬18.48 m，北側(cè)寬20.85 m;西側(cè)外檐設(shè)置漸變挑臂，長度 1.155～1.35 m。

3.3 側(cè)墻構(gòu)造

側(cè)墻為 C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，各孔等厚，為1.0 m，長度與頂板縱向一致。1、2、3孔側(cè)墻西側(cè)高10.5 m，東側(cè)高12.5 m;4、5孔側(cè)墻東、西側(cè)等高，為12 m。側(cè)墻上距頂緣2.5 m處開梯形孔洞，孔洞上緣設(shè)半徑2 m的圓角。

3.4 基礎(chǔ)構(gòu)造

各孔基礎(chǔ)為承臺下接單排摩擦樁，均沿剛架縱向布置。樁基采用C35鋼筋混凝土，直徑根據(jù)剛架計算跨徑不同分為1.25 m和1.5 m。承臺采用C40鋼筋混凝土，尺寸據(jù)樁基直徑按構(gòu)造要求相應(yīng)變化。標(biāo)準(zhǔn)段樁基直徑1.25 m，承臺厚2.5 m。

4 結(jié)構(gòu)分析

空間剛架頂板僅在縱向有側(cè)墻約束，橫向自由。橋面荷載根據(jù)剛度大小進(jìn)行傳力分配，符夾增建線引起的荷載及結(jié)構(gòu)頂板恒載均先橫向傳遞給側(cè)墻，后縱向傳遞給側(cè)墻邊柱，最后傳給基礎(chǔ)，符合縱橫梁傳力體系的假定。

5孔剛架傳力原理一致，本次結(jié)構(gòu)分析以標(biāo)準(zhǔn)段剛架為研究對象，采用有限元分析軟件Midas Civil進(jìn)行空間模型計算。各主要構(gòu)件采用三維梁單元模擬，構(gòu)件間通過剛臂連接，樁土相互作用采用土彈簧模擬，通過虛擬梁單元建立車道進(jìn)行頂板上斜向荷載加載。

4.1 計算模型

標(biāo)準(zhǔn)段空間剛架整體模型共263個節(jié)點，244個單元，其中虛擬車道梁單元12個。各主要單元計算截面尺寸如下:頂板中部0.9 m×2.0 m，近側(cè)墻處1.4 m×2.0 m;側(cè)墻中部2.5 m×1.0 m;側(cè)墻邊柱頂端7.5 m×1.0 m，底端6.0 m×1.0 m。整體模型如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)段剛架計算模型

4.2 主要荷載

4.3 內(nèi)力計算

標(biāo)準(zhǔn)段空間剛架承臺與側(cè)墻間通過面接觸傳力，承臺下樁間距按構(gòu)造要求設(shè)置，結(jié)構(gòu)計算不控制配筋。主要計算構(gòu)件有頂板、側(cè)墻中部(孔洞上緣)、側(cè)墻邊柱(孔洞兩邊)及樁基，頂板和側(cè)墻中部按受彎構(gòu)件計算，側(cè)墻邊柱和樁基按壓彎構(gòu)件計算。

本次空間剛架側(cè)墻邊柱位于結(jié)構(gòu)縱向兩端，與頂板及基礎(chǔ)固結(jié)，結(jié)構(gòu)自重作用下引起較大偏心彎矩使邊柱外側(cè)受拉。各控制點計算內(nèi)力及分析數(shù)據(jù)如表3～表6所示。

表3 恒載作用下各構(gòu)件控制點彎矩最值 kN·m

表3顯示空間剛架除樁基外各構(gòu)件不均勻沉降差引起的彎矩占整個恒載彎矩的40%以上，活載對結(jié)構(gòu)上部產(chǎn)生的彎矩占恒載彎矩的20%以上?？臻g剛架整體剛度大，對不均勻沉降差值敏感。列車活載斜向通過剛架頂部導(dǎo)致各基礎(chǔ)受力極不均勻，另場地為中軟土，加劇不均勻沉降。為緩解不均勻沉降差引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加，可采用加大樁長，樁基施工完成后對周圍地基進(jìn)行預(yù)壓和強(qiáng)夯，主體結(jié)構(gòu)完工后延后橋上通車時間等多種措施。

表4 頂板、側(cè)墻中部主要荷載工況下控制點彎矩最值

表5 側(cè)墻邊柱主要荷載工況下控制點內(nèi)力最值

表6 樁基主要荷載工況下控制點內(nèi)力最值

4.4 強(qiáng)度計算

頂板、側(cè)墻中部強(qiáng)度計算即計算混凝土的壓應(yīng)力、剪應(yīng)力和鋼筋拉應(yīng)力;側(cè)墻邊柱、樁基強(qiáng)度計算僅計算混凝土的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力。構(gòu)件具體鋼筋配置及應(yīng)力計算結(jié)果見表7～表9，受力主筋采用HRB400。

4.5 裂縫計算

各主要計算構(gòu)件在主力組合作用下控制點截面裂縫計算結(jié)果見表10，均滿足規(guī)范限制0.2 mm的要求。

表7 控制點截面配筋

表8 主力組合作用下控制點截面應(yīng)力最值 MPa

表9 主力+附加組合作用下控制點截面應(yīng)力最值 MPa

表10 主力組合作用下各控制點截面裂縫mm

4.6 剛度計算

頂板在列車豎向靜活載作用下的豎向撓度為3.988 mm，大于L/800，滿足規(guī)范要求(L為剛架頂板計算跨徑)。

5 結(jié)語

上跨既有線的鐵路橋梁設(shè)計既要考慮上行鐵路的行駛安全，又要保證下穿線路的凈空要求。小角度跨越多條鐵路的工點，上跨橋梁和下穿鐵路縱橫向交織距離大，一般結(jié)構(gòu)不能滿足要求?？臻g剛架結(jié)構(gòu)在同樣跨越跨徑的情況下具有結(jié)構(gòu)高度低、整體剛度大、側(cè)墻可打造多種景觀需求等優(yōu)點。青龍山特大橋上跨青符鐵路聯(lián)絡(luò)線采用空間剛架結(jié)構(gòu)是合理的，且所在橋位處設(shè)有兩個下穿涵洞，橋位總體布置所需考慮因素復(fù)雜，為今后類似情況的橋梁設(shè)計提供了寶貴參考，具有一定的實用價值。

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