鐵路高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)雙肢薄壁墩設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

王樹旺

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京　102600)

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鐵路高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)雙肢薄壁墩設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

王樹旺

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京102600)

摘要：結(jié)合新建和邢鐵路宋家莊川特大橋主橋(60+2×100+60) m連續(xù)剛構(gòu)工程,從橋式方案比選到墩形選擇進(jìn)行充分論證,對(duì)控制剛構(gòu)設(shè)計(jì)的墩身合理尺寸、剛度、動(dòng)力特性、對(duì)頂力、施工及成橋狀態(tài)穩(wěn)定等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行計(jì)算分析,總結(jié)一套較完整、切實(shí)可行的設(shè)計(jì)思路和方法,闡述雙肢薄壁墩的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：鐵路橋；連續(xù)剛構(gòu)；雙肢薄壁；對(duì)頂力；剛度；動(dòng)力特性；穩(wěn)定

1概述

目前，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)因其受力好、無(wú)支座、施工技術(shù)成熟、行車順暢且適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在普鐵、客運(yùn)專線及高鐵橋梁跨越高山深谷、河流灌渠時(shí)得到廣泛應(yīng)用，并朝輕質(zhì)、高強(qiáng)及新型組合結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。隨著預(yù)應(yīng)力、懸臂技術(shù)以及橋墩翻模、滑膜施工技術(shù)的發(fā)展[1]，200 m以內(nèi)跨徑的鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)已非常普遍，且墩高由幾十米做到了上百米，表1收集了國(guó)內(nèi)具代表性的鐵路高墩大跨薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋資料[2，3]。

2工程背景及橋式方案

2.1　工程背景

新建和邢鐵路為Ⅰ級(jí)單線鐵路，設(shè)計(jì)荷載為中-活載，速度120 km/h。主橋主梁截面形式為單箱單室變高度箱梁，箱梁頂寬7.4 m，箱梁底寬5.4 m，主墩處梁高7.5 m，邊墩處梁高4.5 m。主橋橋位處跨越宋家莊川，位于野溝門水庫(kù)下游約1.2 km處。野溝門水庫(kù)控制流域面積518 km2，總庫(kù)容5 040萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)洪峰流量為4 025 m3/s，設(shè)計(jì)水位為402.9 m。

2.2　橋式方案

橋型選擇應(yīng)根據(jù)橋位處地形、地貌及水文等條件，按照受力合理、技術(shù)成熟、安全經(jīng)濟(jì)、利于養(yǎng)護(hù)且與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)等原則進(jìn)行。本橋橋位處地形地貌復(fù)雜，高差約87 m，宋家莊川河底至線路最大高程達(dá)90 m，河道成U形，百年水位水面寬約175 m，由于線路與溝底高程相差大，且U形河道底較寬，需采用約200 m高墩、大跨度結(jié)構(gòu)跨越，如果采用鋼桁梁或拱橋方案，主橋跨度勢(shì)必過(guò)大，且墩高較高，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利，另外，兩種方案經(jīng)濟(jì)性差，不便施工，臨時(shí)工程量大，工期難得到保證，后期維護(hù)費(fèi)用高。故本橋僅對(duì)64 m簡(jiǎn)支箱梁造橋機(jī)方案及連續(xù)剛構(gòu)方案從施工方法、施工工期、造價(jià)等方面進(jìn)行比選，見表2。

表1　國(guó)內(nèi)鐵路高墩大跨薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)資料　m

注：表中“縱向”對(duì)雙肢薄壁墩指雙肢中心間距，對(duì)矩形空心墩指墩縱向?qū)挾取?/p>

表2　橋式方案比選

相對(duì)64 m簡(jiǎn)支箱梁造橋機(jī)方案而言，連續(xù)剛構(gòu)方案外觀簡(jiǎn)潔明快、美觀，臨時(shí)設(shè)施少，施工技術(shù)相對(duì)成熟，綜合考慮后確定采用剛構(gòu)方案，主橋橋跨布置見圖1。

圖1　主橋橋跨布置(單位：cm)

3設(shè)計(jì)特點(diǎn)及重難點(diǎn)

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)具有墩高、聯(lián)長(zhǎng)、溫度跨度大等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)須考慮以下幾個(gè)重點(diǎn)要素[4，5]：(1)應(yīng)使其具有適當(dāng)?shù)目v向抗推剛度，以適應(yīng)縱橋向溫度、混凝土收縮徐變等引起的變形，同時(shí)應(yīng)使其具有較大的抗彎剛度以滿足其自身的受力需求；(2)應(yīng)具有一定的橫向剛度，抵抗橫向列車荷載及風(fēng)荷載，減小側(cè)向位移，提高行車舒適性；(3)橋墩應(yīng)滿足安全穩(wěn)定性；(4)墩型應(yīng)與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)、方便施工。

4橋墩形式研究

國(guó)內(nèi)鐵路高墩大跨剛構(gòu)橋墩大多采用雙肢薄壁與單體空心墩，雙肢薄壁墩與單體空心墩相比，一般而言，單體空心墩特別是箱形截面的抗扭性能好，抗推能力強(qiáng)，但其柔性不如雙肢薄壁墩。雙肢薄壁墩綜合抗彎剛度大，而水平抗推剛度約是單體墩的1/4[3]，溫差引起的溫度力較小，墩身允許的水平位移較大，整體性好，當(dāng)跨度大、墩高較高時(shí)，考慮到施工中墩的穩(wěn)定性，一般宜設(shè)置系梁[6]。此外，雙壁墩減小了跨徑，對(duì)負(fù)彎矩的消峰能力強(qiáng)一些，能有效降低梁高。但隨著墩身高度的不斷增加，單體空心墩的柔性逐漸增強(qiáng)，允許的縱向變位也隨之增大，且單體空心墩施工及成橋狀態(tài)穩(wěn)定性要高于雙肢薄壁墩，因此，當(dāng)墩高不高時(shí)常采用雙肢薄壁墩，墩高較高時(shí)結(jié)合受力、穩(wěn)定、環(huán)境等綜合因素采用雙肢薄壁墩或單體空心墩。

本橋?qū)χ鞫諉误w空心墩及圓端形雙肢薄壁墩從水平抗推剛度及抗彎剛度方面進(jìn)行了比較分析(圖2)，分析結(jié)果見表3。結(jié)果表明，在兩種墩型混凝土用量相當(dāng)下，單體空心墩水平抗推剛度為雙肢薄壁墩的1.55倍，而抗彎剛度為雙肢薄壁墩的0.7倍。本橋溫度跨度達(dá)100 m，采用單體空心墩對(duì)梁根部應(yīng)力影響較大，最小拉應(yīng)力為-2.2 MPa。經(jīng)考慮后采用圓端形雙肢薄壁墩，其水平抗推剛度較小，雙肢間距拉開能有效減小主梁根部負(fù)彎矩，改善梁體受力。且本橋跨越宋家莊川，圓端形雙肢薄壁墩對(duì)水流有利。

圖2　主墩橫截面(括號(hào)內(nèi)數(shù)字為墩底截面尺寸)(單位：cm)

5設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

5.1　主墩截面參數(shù)(b、H)的確定

(1)墩縱向?qū)挾萣

根據(jù)表1收集的國(guó)內(nèi)已建高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)資料及文獻(xiàn)[3]可知，墩縱向?qū)抌一般為0.2～0.4[3]倍中墩處梁高，本橋分別對(duì)墩寬b=1.5、2.0、2.5、3.0 m時(shí)分析其對(duì)主梁及主墩的影響。對(duì)比結(jié)果見表4、表5。

表4　墩寬度變化對(duì)主梁的影響

注：表中“邊跨”、“主墩”、“中跨”分別指邊跨跨中截面，主墩處截面、中跨跨中截面對(duì)應(yīng)結(jié)果。

表5　墩寬度變化對(duì)主墩的影響

從表4中可以看出，墩寬從1.5 m變化到3.0 m時(shí)，主墩處主梁彎矩增加約7%，邊跨跨中及中跨跨中增加約5%，變化不是特別明顯。墩寬從1.5 m變化到3.0 m時(shí)，對(duì)主梁應(yīng)力影響也較小。由此可見，墩寬變化對(duì)主梁內(nèi)力、應(yīng)力影響不大，設(shè)計(jì)時(shí)可僅從墩柱自身受力角度來(lái)考慮。

從表5中可以看出，墩寬從1.5 m變化到3.0 m時(shí)，墩底彎矩最大增加近3倍，隨著墩寬的增加，主墩的剛度也隨之增大，主墩受力也相應(yīng)增加，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在主墩自身滿足受力及變形的前提下，盡量減小主墩縱向?qū)挾萚7]。經(jīng)計(jì)算，本橋主墩縱向?qū)挾炔捎?.2 m較為合理。

(2)墩縱向間距H

主墩間距一般與根部梁高基本一致，本橋主墩間距H根據(jù)施工懸臂狀態(tài)最大不平衡彎矩ΔM來(lái)確定[8]。

式中，a為橫向?qū)挘籦為順橋向?qū)?；H為墩間距；W為墩柱截面慣矩；fct為混凝土容許拉應(yīng)力。本橋a=10 m，b=2.2 m，fct=3.3 MPa(C40混凝土)，施工最大不平衡彎矩考慮一個(gè)節(jié)段澆筑差+一側(cè)懸臂5%梁體不均勻自重+掛籃掉落組合工況，ΔM=104 243 kN·m，初定H=6 m。

W>W′滿足要求。

5.2　縱橫向剛度及動(dòng)力特性

表6　墩頂縱橫向位移　mm

剛構(gòu)橫向自振特性參照南昆鐵路四橋設(shè)計(jì)要求(鐵道部建鑒[1992]93號(hào)文“關(guān)于南昆線四座大橋橫向剛度的補(bǔ)充技術(shù)要求”)，以其橫向自振周期(第一振型)T=1.7 s控制。本橋橫向自振周期T=1.64 s，滿足要求。

5.3　對(duì)頂力

主梁在中跨合龍后，由于混凝土長(zhǎng)期收縮徐變影響，將在墩柱中產(chǎn)生很大的次內(nèi)力，為改善結(jié)構(gòu)受力、優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，提出在合龍前對(duì)梁體施加水平對(duì)頂力，可有效降低墩身及基礎(chǔ)后期的內(nèi)力，對(duì)改善橋墩和基礎(chǔ)的受力效果顯著[10]。經(jīng)計(jì)算，本橋在成橋后運(yùn)營(yíng)階段主梁鋼束及混凝土收縮徐變[11]在墩底產(chǎn)生的二次力為13 200 kN·m，通過(guò)推算需施加約2 000 kN的水平頂力來(lái)抵消此彎矩。注意施工時(shí)應(yīng)采取位移及頂力雙控，且頂力應(yīng)逐級(jí)施加。

5.4　施工及成橋穩(wěn)定

利用有限元軟件Midas Civil對(duì)主橋施工最大懸臂狀態(tài)及成橋狀態(tài)進(jìn)行屈曲穩(wěn)定分析[12]，施工階段荷載工況：自重+節(jié)段澆筑差+5%梁體重+掛籃掉落。成橋狀態(tài)荷載工況：自重+二恒+風(fēng)+列車活載，結(jié)果見表7。

表7　施工及成橋狀態(tài)屈曲穩(wěn)定結(jié)果

從表7看出，在施工最大懸臂狀態(tài)及成橋狀態(tài)下，屈曲穩(wěn)定特征值均較大，滿足要求。

6結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)連續(xù)剛構(gòu)雙肢薄壁墩關(guān)鍵技術(shù)研究和分析得出：

(1)雙肢薄壁墩水平抗推剛度小，在跨度較大、主梁應(yīng)力控制設(shè)計(jì)時(shí)可考慮此墩型。

(2)通過(guò)主墩受力及施工狀態(tài)最大不平衡彎矩確定雙肢薄壁墩墩寬及間距切實(shí)可行。

(3)對(duì)大跨剛構(gòu)成橋后運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下主梁鋼束及混凝土收縮徐變產(chǎn)生的二次力，通過(guò)施加永久頂力來(lái)抵消，可大大降低主墩受力，進(jìn)而優(yōu)化主墩構(gòu)造及尺寸。

(4)應(yīng)使剛構(gòu)具有一定的縱橫向剛度，以滿足行車安全及舒適度要求。

(5)當(dāng)墩高較高時(shí)，應(yīng)對(duì)雙肢薄壁墩施工及運(yùn)營(yíng)階段的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，防止主墩失穩(wěn)。

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Key Techniques for the Design of Double-leg and Thin-wall Piers of Railway High-pier and Large-span Continuous Rigid Frame BridgesWANG Shu-wang

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Beijing 102600, China)

Abstract：Based on the newly-built continuous rigid frame bridge project of Songjiazhuangchuan extra-long bridge with a main bridge of (60+2×100+60) m on Heshun-Xingtai Railway, this paper fully verifies its scheme selection in perspective of bridge type and pier type, analyzes the key techniques for rigid frame design such as reasonable size of pier body, rigidity, dynamic property, jacking force, construction and bridge stability, summarizes a complete set of comprehensive and practical design concept and method, addresses the characteristics and applications of double-leg and thin-wall piers.

Key words：Railroad bridge; Continuous rigid frame; Twin-legged thin-wall; Jacking force; Rigidity; Dynamic property; Stability

中圖分類號(hào)：U443.22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.017

文章編號(hào)：1004-2954(2016)02-0081-04

作者簡(jiǎn)介：王樹旺(1983—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：172543602@qq.com。

收稿日期：2015-06-23； 修回日期：2015-06-27