京沈客運(yùn)專線(109.8+170+170+90.8) m V撐連續(xù)梁設(shè)計(jì)

康景亮

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300142)

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京沈客運(yùn)專線(109.8+170+170+90.8) m V撐連續(xù)梁設(shè)計(jì)

康景亮

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142)

為實(shí)現(xiàn)京沈客運(yùn)專線對京承高速公路與機(jī)場北高速互通區(qū)的跨越，京沈客運(yùn)專線溫榆河特大橋采用(109.8+170+170+90.8) m V撐連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系。通過介紹溫榆河特大橋V撐連續(xù)梁的工程概況及該箱梁與V撐構(gòu)造特點(diǎn)、內(nèi)力分析情況、預(yù)應(yīng)力體系及鋼束布設(shè)、動(dòng)力分析的成果等，論證V撐連續(xù)梁方案的可行性，為高速鐵路大跨結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供有益的參考。

客運(yùn)專線鐵路；鐵路橋；連續(xù)梁；V撐；設(shè)計(jì)

1　工程概況

京沈客運(yùn)專線北京樞紐段橋址區(qū)地形較平坦，地勢起伏不大，期間多為城市用地和林地。該段線路兩側(cè)建筑物較多，跨越溫榆河、機(jī)場北線互通匝道等路段。在昌平區(qū)東側(cè)，京沈客運(yùn)專線下鉆機(jī)場南線后，逐漸并向京承高速向北，此處燃?xì)夤芫€距離京承高速較近，與京沈客運(yùn)專線交叉干擾嚴(yán)重，為保證安全距離，該處客運(yùn)專線線位只能向東側(cè)偏移，平面線路方案調(diào)整為跨越京承高速公路與機(jī)場北高速互通區(qū)，因此溫榆河特大橋的線位只能從互通中間穿越。但由于布置受各交叉控制點(diǎn)及施工場地等因素制約，無法采用較小跨度的橋式，經(jīng)對大跨連續(xù)梁，矮塔斜拉橋，連續(xù)梁加勁拱橋等方案綜合比選，決定采用(109.5+170+170+90) m V撐連續(xù)梁進(jìn)行跨越(圖1)。

圖1　橋梁立面布置(單位：cm)

圖2　主梁截面布置(單位：cm)

V形支撐橋梁結(jié)構(gòu)受力比較合理，當(dāng)線路跨越道路和通航河流，橋下凈高受到限制且需要布置較大的跨度時(shí)，采用V形支撐連續(xù)梁可減小橋梁計(jì)算跨徑，從而減小截面尺寸，提高橋梁豎向剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[1-7]。

1.1主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

京沈客運(yùn)專線正線數(shù)目為雙線，線間距5.0 m；設(shè)計(jì)最高行車速度250 km/h；設(shè)計(jì)活載為ZK活載；軌道類型是有砟軌道；線路平面為直線，縱斷面坡度為2.8‰。

1.2主要設(shè)計(jì)荷載和荷載組合

主要設(shè)計(jì)荷載包括恒載、活載、附加力、施工荷載以及特殊荷載。其中恒載主要是結(jié)構(gòu)自重和二期恒載，包括鋼軌、扣件、軌道板，以及防水層、保護(hù)層、人行道欄桿、電纜槽蓋板及豎墻等附屬設(shè)施重力、基礎(chǔ)不均勻沉降?；钶d主要是列車荷載、橫向搖擺力、人行道活載。附加力包括風(fēng)力、橋跨結(jié)構(gòu)整體升降溫、體系溫差、日照溫差。施工荷載中掛籃、施工機(jī)具、人群等施工荷載按1 300 kN考慮，懸澆混凝土節(jié)段周期按8 d/節(jié)段計(jì)。特殊荷載主要考慮列車脫軌荷載和地震力的作用[8-10]。

荷載組合分別以主力、主力+附加力進(jìn)行組合，取最不利組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對特殊荷載進(jìn)行檢算。

2　主體結(jié)構(gòu)簡介

參照已有V撐連續(xù)梁設(shè)計(jì)資料以及客運(yùn)專線常用大跨結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合本橋所處特殊地理位置、要求一定景觀性等特點(diǎn)，參照文獻(xiàn)[4-15]，本橋?qū)α焊吆晚?、底板厚，V撐角度進(jìn)行了比選，對該橋主要結(jié)構(gòu)構(gòu)造進(jìn)行介紹。

2.1箱梁構(gòu)造特點(diǎn)

本橋箱梁全長541.6 m，計(jì)算跨度為(109.8+170+170+90) m，邊支座中心線至梁端1.0 m。V撐支點(diǎn)及其內(nèi)部范圍主梁梁高10.0 m，中跨跨中10 m直線段、小里程側(cè)梁端30.8 m直線段和大里程側(cè)梁端10.8 m直線段梁高均6.0 m，梁底下緣按二次拋物線變化。

截面采用單箱單室、變高度變截面直腹板形式(圖2)。箱梁頂寬12.6 m，底寬7.4 m。頂板厚度除中、邊支點(diǎn)處局部變厚至1.35 m和0.75 m外，其余均為0.45 m；腹板厚0.5～0.9 m，按折線變化；底板厚由跨中附近的0.5 m按二次拋物線變化至根部的1.5 m，梁端附近為0.8 m，橫隔板設(shè)有孔洞，供檢查人員通過。全聯(lián)在V撐支點(diǎn)、中跨跨中和邊支點(diǎn)等處共設(shè)置10道橫隔板，梁端橫隔板厚2.05 m，V撐支點(diǎn)處橫隔板厚為3.0 m，中跨跨中橫隔板厚0.8 m。箱梁兩側(cè)腹板與頂?shù)装逑嘟惶幫鈧?cè)均采用圓弧倒角過渡，箱梁懸臂板下設(shè)置通長的滴水槽。

全聯(lián)梁部共分104個(gè)節(jié)段，其中有2個(gè)邊跨現(xiàn)澆段、3個(gè)V撐現(xiàn)澆段、1個(gè)邊跨合龍段和2個(gè)中跨合龍段，其余為掛籃懸澆段。V撐處現(xiàn)澆梁段長43 m，小里程側(cè)邊跨現(xiàn)澆節(jié)段長為16.8 m，大里程側(cè)邊跨現(xiàn)澆節(jié)段長為6.8 m，合龍段長均為2.0 m。

梁體和V撐采用C55混凝土，封端采用C55補(bǔ)償收縮混凝土。

2.2預(yù)應(yīng)力體系

主梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系。主梁頂、底板及腹板內(nèi)布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。主梁頂板、V撐頂部主梁橫隔板內(nèi)設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，主梁腹板內(nèi)設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力筋。

縱、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa的高強(qiáng)低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2 mm。管道形成采用金屬波紋管成孔。錨固體系采用自錨式拉絲體系，并采用與之配套的千斤頂設(shè)備[11]。

V撐斜腿頂橫梁附近豎向預(yù)應(yīng)力鋼束采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa的高強(qiáng)低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，管道形成采用金屬波紋管成孔。錨固體系采用自錨式拉絲體系[12]。

除V撐斜腿頂橫隔板附近外，其余位置處的豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋均采用φ32 mm預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋，型號(hào)PSB830，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為830 MPa，管道形成采用內(nèi)徑55 mm鐵皮管成孔。

2.3V撐構(gòu)造特點(diǎn)

V撐(圖3)斜腿及底座采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，斜腿頂部與主梁固結(jié)，底部通過底座連接，底座底部設(shè)2×2共4個(gè)支座。斜腿水平傾角為55°，V撐斜腿及底座豎向總高10.5 m，橫橋向?qū)捑鶠?.4 m，其截面形式均為實(shí)心矩形。V撐底座高3.0 m，斜腿厚度最薄為3.927 m，與主梁相交的內(nèi)外側(cè)均用圓弧過渡。

圖3　V撐構(gòu)造(單位：cm)

2.4支座

采用LXQZ球形鋼支座，1號(hào)墩沿橫向布置2個(gè)支座，支座墩位15 000 kN，間距5.9 m；5號(hào)墩沿橫向布置2個(gè)支座，支座墩位10 000 kN，間距5.9 m。2～4號(hào)墩為V撐底部，每個(gè)墩布置4個(gè)支座，支座噸位80 000 kN，橫向間距4.8 m，縱向間距15 m，固定墩設(shè)置于3號(hào)墩底。支座具體的布置見圖4。

圖4　支座布置(單位：cm)

2.5施工方法

全聯(lián)梁部共分104個(gè)節(jié)段，其中有2個(gè)邊跨現(xiàn)澆段(20，21節(jié)段)、3個(gè)V撐現(xiàn)澆段(0號(hào)段)、1個(gè)邊跨合龍段(17節(jié)段)和2個(gè)中跨合龍段(17節(jié)段)，其余為掛籃懸澆段(1～16，18，19節(jié)段，其中18、19節(jié)段需待中跨合龍后再懸澆)。V撐處現(xiàn)澆梁段長43 m，小里程側(cè)邊跨現(xiàn)澆節(jié)段長為16.8 m，大里程側(cè)邊跨現(xiàn)澆節(jié)段長為6.8 m，合龍段長均為2.0 m。具體施工步驟如下。

步驟Ⅰ：1～5號(hào)墩墩身施工完畢至墩頂，在2～4號(hào)墩旁施工臨時(shí)支墩和現(xiàn)澆支架等，在支墩(支架)上立?，F(xiàn)澆V撐、箱梁0號(hào)塊。并將V撐系梁分別與2～4號(hào)墩附近的臨時(shí)墩臨時(shí)固結(jié)。

步驟Ⅱ：①拆除2～4號(hào)墩墩頂現(xiàn)澆支架，在V撐頂部箱梁0號(hào)塊上安裝掛籃。②在掛籃上懸臂對稱澆筑箱梁1～16、1′～16′號(hào)節(jié)段，預(yù)埋相應(yīng)預(yù)埋件。

步驟Ⅲ：①對稱拆除懸臂澆筑梁段兩中跨的掛籃，保留兩邊跨掛藍(lán)，安裝兩個(gè)中跨跨中臨時(shí)剛性連接構(gòu)造，張拉臨時(shí)縱向合龍鋼束，解除2、4號(hào)墩處的臨時(shí)約束，安裝正式支座。②用懸吊支架現(xiàn)澆中跨合龍段17號(hào)箱梁節(jié)段，預(yù)埋相應(yīng)預(yù)埋件。③同時(shí)張拉并錨固兩個(gè)中跨縱向預(yù)應(yīng)力束及橫向、豎向預(yù)應(yīng)力筋。④補(bǔ)充張拉并錨固臨時(shí)縱向合龍鋼束，拆除3號(hào)墩的臨時(shí)約束，安裝正式支座。

步驟Ⅳ：移動(dòng)小里程側(cè)邊孔掛籃至16節(jié)段，掛籃上懸臂澆筑完成18、19號(hào)箱梁節(jié)段、預(yù)埋相應(yīng)預(yù)埋件，張拉縱向預(yù)應(yīng)力束及橫向、豎向預(yù)應(yīng)力筋。完成后拆除兩邊跨掛籃。

步驟Ⅴ：①適時(shí)在1、5號(hào)墩旁搭設(shè)支架并預(yù)壓，安裝邊墩支座，并將1號(hào)墩縱向活動(dòng)支座臨時(shí)鎖定。②在邊跨支架上現(xiàn)澆邊跨現(xiàn)澆20號(hào)、21號(hào)梁段。

步驟Ⅵ：①安裝小里程側(cè)邊孔臨時(shí)剛性連接構(gòu)造，并臨時(shí)張拉合龍鋼束，解除1號(hào)墩縱向活動(dòng)支座的臨時(shí)鎖定。②現(xiàn)澆邊跨合龍段17′，預(yù)埋相應(yīng)預(yù)埋件，養(yǎng)生。③待混凝土強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，張拉并錨固縱向預(yù)應(yīng)力束及橫向、豎向預(yù)應(yīng)力筋。④補(bǔ)充臨時(shí)張拉合龍鋼束至設(shè)計(jì)值。⑤拆除邊孔現(xiàn)澆支架。

步驟Ⅶ：①存梁60 d后進(jìn)行橋面鋪設(shè)等二期恒載工作。②完成主梁施工。

V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋施工的重點(diǎn)是形成下部構(gòu)造薄壁V形墩與上部構(gòu)造0號(hào)塊的穩(wěn)定三角構(gòu)造。

施工V撐和主梁0號(hào)塊混凝土?xí)r，應(yīng)當(dāng)在V撐斜腿和箱梁內(nèi)設(shè)置臨時(shí)水平預(yù)應(yīng)力鋼束或水平拉桿，并根據(jù)現(xiàn)場條件確定其張拉力值，確定臨時(shí)預(yù)應(yīng)力粗鋼筋張拉力的原則：墩頂承受上部構(gòu)造0號(hào)塊梁體荷載前后，V形支撐根部內(nèi)外側(cè)混凝土拉應(yīng)力不超限，并嚴(yán)格控制其不出現(xiàn)裂紋。施工時(shí)澆筑0號(hào)塊的支架不能直接支撐在V形墩斜腿上，以避免V形支撐處于不利的受力狀態(tài)。V撐及其頂部0號(hào)塊箱梁混凝土應(yīng)連續(xù)澆筑，一次整體灌注成型[13-15]。施工階段編號(hào)示意見圖5。

圖5　施工階段編號(hào)示意

3　結(jié)構(gòu)受力分析

3.1全橋整體計(jì)算

全橋整體計(jì)算利用有限元軟件Midas-civil模擬結(jié)構(gòu)施工、運(yùn)營等不同的階段，計(jì)算結(jié)構(gòu)在恒載、活載、預(yù)應(yīng)力、溫度、混凝土收縮徐變、支座沉降、制動(dòng)力等荷載作用下的強(qiáng)度、應(yīng)力及變形等。全橋模型如圖6所示。利用Midas軟件建立空間實(shí)體模型，分析結(jié)構(gòu)的各個(gè)方向的振型模態(tài)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性分析及抗震計(jì)算。

圖6　有限元模型

經(jīng)計(jì)算，主梁上翼緣最大正應(yīng)力為14.35 MPa，下翼緣最大正應(yīng)力為13.89 MPa，最大剪應(yīng)力為3.76 MPa，均符合要求，主梁主要計(jì)算結(jié)果見表1，結(jié)構(gòu)自振特性及頻率見表2。

表1　主梁主要應(yīng)力計(jì)算結(jié)果　MPa

表2　結(jié)構(gòu)自振特性

3.2V撐底座局部應(yīng)力分析

圖7　局部分析模型范圍(單位：cm)

V撐連續(xù)梁橋全橋整體縱向分析不能反映V撐與箱梁連接部分的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)建立局部實(shí)體有限元模型進(jìn)一步研究該連接部分的應(yīng)力分布情況。局部計(jì)算主要分為從整體計(jì)算模型中提取內(nèi)力，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)原理對橋墩控制截面進(jìn)行普通鋼筋的配筋計(jì)算，取主梁64 m范圍梁段(圖7)建立有限元模型，利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分后形成有限元模型，模型共計(jì)70余萬個(gè)單元，如圖8所示。

圖8　V撐有限元模型

將模型分為3個(gè)部分V2，V4，V8，如圖9所示，考察V撐與箱梁連接部分則選取V4提取結(jié)果應(yīng)力，考察V撐底座板則選取V8提取結(jié)果應(yīng)力，重點(diǎn)關(guān)注圖中A、B、C、D4個(gè)位置的應(yīng)力狀況，其中：A點(diǎn)為V撐與箱梁連接部分外側(cè)；B點(diǎn)為V撐與箱梁連接部分內(nèi)側(cè)；C點(diǎn)為V撐與底座板相交處；D、E點(diǎn)為支座內(nèi)側(cè)邊緣。

圖9　應(yīng)力位置

通過局部建模分析計(jì)算得出，B處、C處、同側(cè)兩支座之間等位置主拉應(yīng)力在3種組合工況下超過規(guī)范限值，在B處、C處、同側(cè)兩支座之間等位置需要加強(qiáng)配筋；此外，支座邊緣處主壓應(yīng)力有應(yīng)力集中現(xiàn)象，主壓應(yīng)力超過規(guī)范限值，需要做加強(qiáng)處理。

3.3支座選取及敏感性分析

由于本橋兩邊跨跨度不同，所以對于2，3，4號(hào)墩各個(gè)墩底的4個(gè)支座，受力并不均勻，橫向兩支座較為接近，本橋選取支座時(shí)按照支反力最大值進(jìn)行包絡(luò)選取。

另外，由于每個(gè)V撐墩底都有4個(gè)支座，本橋?qū)χё两盗坑休^高要求，故對此支座相對位移值進(jìn)行了敏感性分析。通過計(jì)算得出，施工過程中需加強(qiáng)V撐底座支座處支點(diǎn)變位的監(jiān)控，必須保證施工過程中每個(gè)V撐底座的4個(gè)支點(diǎn)中，任一點(diǎn)與其余3點(diǎn)的沉降差不大于1 mm。

4　結(jié)語

相對于大跨連續(xù)梁，V撐連續(xù)梁將支點(diǎn)伸入了主跨跨徑，縮短了有效跨徑，有效地減小了跨中正彎矩及支點(diǎn)處的負(fù)彎矩，有效降低了梁高，節(jié)約了材料，具有較好的經(jīng)濟(jì)性；相對于連續(xù)梁加勁拱，V撐連續(xù)梁方案減少了對施工場地的占用，降低了施工期間對機(jī)場北線立交橋交通的影響；而相對于矮塔斜拉橋方案，V撐連續(xù)梁方案能夠有效降低造價(jià)；此外，V形撐支撐橋梁以其上部構(gòu)造輕巧，線條流暢，橋型美觀，整體結(jié)構(gòu)受力合理，造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)當(dāng)中[11]。

本文通過介紹京沈客運(yùn)專線溫榆河特大橋(109.5+170+170+90) m V撐連續(xù)梁橋箱梁與V撐構(gòu)造特點(diǎn)、內(nèi)力分析、預(yù)應(yīng)力體系及鋼束布設(shè)、動(dòng)力分析的成果等，為高速鐵路大跨結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供有益的參考。

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Design of (109.8+170+170+90.8) m V-Support Continuous Beams on Beijing-Shenyang Dedicated Passenger Railway

KANG Jing-liang

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

To across over Beijing-Chengde expressway and the interchange area of Airport North expressway，a (109.8+170+170+90.8) m V supporting continuous beam system is used in Wenyu River Bridge，a super large bridge located on Beijing-Shenyang dedicated passenger railway line.In this paper，the structural characteristics of the box girder and V support，the internal force analysis results，the prestressed system and dynamic analysis results are introduced，which provide

for the design of long-span structures of high-speed railway.

Dedicated passenger railway line; Railway bridge; Continuous beam; V support; Design

2016-03-09；

2016-03-29

康景亮(1982—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于北京交通大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工學(xué)碩士，主要從事橋梁工程設(shè)計(jì)與研究工作。E-mail：55452396@qq.com。

1004-2954(2016)10-0062-05

U448.21+5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.015