巴倫臺至伊爾根地方鐵路保然特大橋主橋設計

余艷霞

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司　武漢　430063)

巴倫臺至伊爾根地方鐵路保然特大橋主橋設計

余艷霞

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司武漢430063)

摘要以實際工程為背景，介紹了集高墩、大跨、小曲線半徑、嚴寒、高烈度地震及高風壓于一體的鐵路連續(xù)剛構橋梁受力特點。對其上、下部結構尺寸的擬定及設計進行了研究，介紹了橋梁結構尺寸與技術關鍵點，使用MIDAS/Civil分析軟件對其支反力、剛度、自振頻率與抗震進行了分析，并對關鍵的施工措施進行了簡單的闡述。

關鍵詞高墩大跨連續(xù)剛構橋梁設計

保然特大橋位于和靜縣巴侖臺鎮(zhèn)哈布其汗薩拉溝內，位于巴倫臺天山區(qū)和巴音布魯克嶺部丘陵區(qū)中間地帶，年平均氣溫-4.5 ℃；年降雨量216.4～268.8mm；年蒸發(fā)量 1 808.3～1 110.4mm；最大積雪深度45cm。場地存在季節(jié)性凍土，其標準凍深1.6m。地基土凍脹等級為Ⅰ級。橋址處基本風壓pw=900 Pa，地震動峰值加速度0.15g，抗震設防烈度為7度。

本橋以50～60m高度跨越深溝，考慮到高風壓和高烈度地震，擬采用高墩大跨連續(xù)剛構跨越深溝。因為對于高墩大跨橋，連續(xù)剛構橋具有結構整體性好，抗震性能優(yōu)，結構受力合理，橋型簡潔明快等優(yōu)點[1]。連續(xù)剛構的橫向抗推剛度和抗扭剛度大，有利于懸臂施工的橫向抗風要求，且避免了連續(xù)梁僅一個制動墩承受橫向水平力和地震力的不利情況，同時節(jié)省了大噸位抗震型支座以及后期維修養(yǎng)護費用。

本橋孔跨布置為：24m簡支梁+14×32m簡支梁+140m+72m+40m連續(xù)剛構+132m簡支梁+3×24m簡支梁，橋梁全長757.285m，橋梁主跨采用40m+72m+40m高墩大跨連續(xù)剛構，16號主墩50.8m，17號主墩59.8m，全橋布置見圖1。

圖1　保然特大橋全橋布置圖(單位：cm)

1主橋主要設計參數(shù)

本橋列車最高運行速度80km/h，中-活載，曲線單線橋，曲線半徑500m，橋面寬7.2m，橋面布置見圖2。地震動峰值加速度0.15g，地震動反應譜特征周期為0.45s，抗震設防烈度為7度，場地類別屬II類，所屬設計地震分組為第二組。

圖2　橋面布置圖(單位：cm)

本橋處于高風壓、嚴寒地區(qū)，主梁及橋墩的溫度變化影響力對橋梁結構極為關鍵，本橋縱向溫度荷載考慮整體升降溫±25 ℃，頂板不均勻升溫5 ℃，橋墩墩身日照時按一側升溫10 ℃，另一側升溫25 ℃考慮，寒潮時按橋墩內外溫差-15 ℃考慮，溫度沿壁厚按指數(shù)規(guī)律變化。

2結構尺寸

2.1上部結構

梁體為單箱單室、變高度、變截面結構。梁高在中支點處5.20m，邊支點和跨中處3.2m，梁底按圓曲線變化，半徑R=242.636m。箱梁頂寬7.2m，底寬4.6m，頂板厚度36cm，腹板厚度45～65cm，支點位置局部加厚，底板厚度36～80cm支點位置局部加厚。在端支點、中支點、跨中共設7個橫隔板，隔板設有進人孔，供檢查人員通過。

箱梁采用C50高性能混凝土，預應力混凝土結構，為提高梁體抗剪能力，在支點及左右?guī)讉€梁段范圍布置豎向預應力，并在支點范圍設置橫向預應力。主梁典型截面布置見圖3。

圖3主梁典型截面布置圖(單位：cm)

2.2下部結構

主墩采用鋼筋混凝土矩形空心墩，16號橋墩墩高50.8m，墩身縱向長6m，壁厚0.9m，縱向內外坡均為直坡，墩頂橫向寬5.7m，墩底橫向寬10.78m；17號橋墩墩高59.8m，墩身縱向長6m，壁厚0.9m，縱向內外坡均為直坡，墩頂橫向寬5.7m，墩底橫向寬11.68m。橋墩橫向外坡坡率20∶1，橫向內坡坡率50∶1。墩頂設梗肋過渡。橋墩四角采用R=10cm的圓角。

橋墩與梁部相接5m范圍內采用C50高性能混凝土，下部采用C40混凝土。主墩頂橫截面見圖4。

圖4主墩頂橫截面圖(單位：cm)

3技術關鍵點

3.1小曲線半徑

本橋位于小曲線半徑上，恒載、不均勻沉降、列車荷載、離心力、制動力、風力、整體升降溫、主梁線性溫度、橋墩線性溫度均可能產生邊支點的豎向上拔力、橫向彎矩，從而導致一側支座消壓。

采用maidas進行結構計算，從實際計算結果來看，恒載、風力(主梁及列車)、離心力、橋墩橫向日照產生的邊墩墩頂橫向彎矩較大，出現(xiàn)負反力。采取以下2種措施解決。

(1) 采用加寬梁端橫梁寬度以加大支座橫向間距的措施。

(2) 在梁端邊直段范圍采用鐵砂混凝土壓重的措施。

通過以上2種方式共同作用，解決負反力問題，采用措施后，梁端支座反力見表1。

表1　支反力　kN

3.2主橋動力特性與縱、橫向剛度

連續(xù)剛構橋的橋墩與連續(xù)梁共同承受內力，且結構內力是按橋墩與連續(xù)梁的剛度比來分配的。橋墩的剛度大則其承擔的內力大，不能有效地發(fā)揮梁的抗彎能力，而連續(xù)梁在墩頂處受力很大，也達不到降低墩頂負彎矩的目的?？傊?，橋墩縱向剛度應在滿足橋梁施工、運行穩(wěn)定的前提下盡量小，而橫向橋梁在橫向不平衡荷載或風載的作用下，易產生扭曲、變位，為了增大橫向穩(wěn)定性，橋墩在橫向的剛度應大一些。

主橋的自振頻率、橋墩墩頂縱橫向位移能準確反應主橋剛度的大小，也就反應了主橋的動力特性，因此準確掌握主橋的自振頻率和各階頻率對應的振型特點及橋墩墩頂縱橫向位移相當重要。采用maidas進行分析計算，表2為主橋前5階自振頻率的計算結果和相應振型特點，圖5為主橋第1～3階振型圖。

表2　主橋前5階周期、頻率及振型描述

a)　第1階振型圖

b)　第2階振型圖

c)　第3階振型圖

3.3主橋的地震分析

如前所述主橋的縱、橫向剛度已足夠大，能保證列車的運行平穩(wěn)、舒適。但是主橋的縱、橫向剛度越大，則主墩的地震反應也越大。因此，地震作用也成為本橋設計的主要因素。

采用MIDAS/Civil軟件利用多振型反應譜疊加的方法進行多遇地震作用下的結構響應分析，并檢算各構件的強度，經檢算滿足規(guī)范的要求?？紤]到墩柱的非線性特性及邊墩支座的非線性特性進行設計地震及罕遇地震作用下的非線性時程分析，經檢算主墩的位移延性系數(shù)滿足規(guī)范的要求，有足夠的延性能力。

在支座選型上，根據(jù)抗震計算，需要在滿足支座豎向承載力的情況下，加大支座型號，以滿足橫橋向水平力剪力。

3.4關鍵的施工措施

連續(xù)剛構主墩，由于與梁體固結，橋墩剛度越小則橋墩承擔的彎矩越小，反之越大；而為了滿足列車運行安全、平穩(wěn)、舒適要求，又需要控制橋墩具有相應的剛度。為了盡量減小橋墩墩頂、墩底彎矩，采用在中跨合龍前在兩側梁體上施加相應的對頂力抵消部分彎矩和位移，從而優(yōu)化橋墩設計。經計算，本梁設置了1 000kN的對頂力，對橋墩墩頂彎矩和位移有一定的改善作用。

4結語

從以上分析可知，高墩、大跨、小曲線半徑、嚴寒、高烈度地震地區(qū)的鐵路橋梁其邊支點支座脫空、橋墩縱橫向剛度控制、相應的地震反應分析是設計的重要技術關鍵點，應引起足夠的重視。保然特大橋則是集高墩、大跨、小曲線半徑、嚴寒地區(qū)、高烈度地震區(qū)及高風壓區(qū)于一體的典型鐵路橋梁工程，可供類似的工程設計參考。

參考文獻

[1]馬保林,李子青.高墩大跨連續(xù)剛構橋[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]中鐵第四勘察設計院集團有限公司.鐵路工程設計技術手冊 ：橋梁墩臺[M].北京:中國鐵道出版社,1997.

收稿日期：2014-10-17

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.013