200 km/h客貨共線鐵路主跨216 m連續(xù)剛構(gòu)橋總體設(shè)計(jì)及技術(shù)創(chuàng)新

張朝霞

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 工程概況

南三龍鐵路合福聯(lián)絡(luò)線在福建省南平市境內(nèi)跨越閩江。南三龍鐵路合福聯(lián)絡(luò)線閩江特大橋，位于南三龍鐵路正線閩江特大橋上游1.5 km處，距水口水庫壩址上游約91.5 km，處于洄水區(qū)尾端。橋址區(qū)兩端橋臺(tái)位于剝蝕低山區(qū)邊緣帶，橋梁跨越閩江漫灘與河床，地形起伏較大。橋位處水面開闊，河道順直，河寬500 m左右，匯水面積F=42 320 km2，Q1%=33 200 m3/s，H1%=73.87 m，河道通航標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)河Ⅳ(3)級(jí)航道，通行2×500 t船隊(duì)。橋軸線法線與水流流向夾角為26°。按《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50139—2014)[5]要求單孔單向通航凈寬80 m，單孔雙向通航凈寬150 m。

橋址處地層為淤泥、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、粗砂、礫砂，下伏基巖為花崗閃長(zhǎng)巖[1]。主橋立面布置見圖1，平面布置見圖2。

圖1 主橋立面布置(單位：m)

圖2 平面布置(單位：m)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級(jí)：客貨共線。

正線數(shù)目：雙線。

設(shè)計(jì)速度：客車行車速度200 km/h；貨車行車速度120 km/h。

設(shè)計(jì)荷載：ZK活載。

軌道類型：有砟軌道。

線路情況：直線。

線間距：4.4 m。

3 方案比選

考慮本橋橋位的地形、地貌、河流情況以及通航要求，本橋研究了3種橋跨方式跨越閩江。

方案1：(75+135+135+75) m雙線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁方案，橋墩為圓端形實(shí)體墩，主墩墩高53.5～65.5 m。

方案2：(118+216+118) m雙線連續(xù)剛構(gòu)方案，主跨橋墩采用雙肢薄壁墩，主墩墩高約65 m。

方案3：合福聯(lián)絡(luò)線閩江大橋一跨過河，水中不設(shè)置墩柱。

方案1因河中橋墩的存在，對(duì)水流改變的程度較大，且增加了船舶碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，通航條件較差，但造價(jià)最低。方案2的橋墩位于近岸，對(duì)水流改變的程度相對(duì)較小，船舶碰撞的風(fēng)險(xiǎn)較低，大橋本身的安全系數(shù)及船舶通航的安全系數(shù)都相對(duì)較好。方案3在水中不設(shè)墩柱，不改變水流，通航水流條件好，大橋自身與船舶通航的安全系數(shù)相對(duì)較高，但投資增加過多。

綜合各種因素考慮，經(jīng)過防洪評(píng)估、通航論證及福建省建設(shè)部門批準(zhǔn)[6]，合福聯(lián)絡(luò)線閩江特大橋采用方案2跨越閩江，即采用(118+216+118) m連續(xù)剛構(gòu)方案。

4 主橋設(shè)計(jì)

4.1 主梁

梁部設(shè)計(jì)為單箱單室、直腹板、變截面箱梁。通過計(jì)算研究，梁高，尤其是薄壁墩處的梁高對(duì)橋梁的剛度和后期徐變有很大的影響。經(jīng)計(jì)算分析，比較了薄壁墩處梁高在15～17 m范圍內(nèi)，跨中梁高在6.0～8.5 m范圍內(nèi)，梁高對(duì)梁部剛度和后期徐變的影響，最后確定采用的梁高，在薄壁墩處16.5 m，高跨比為1/13.1；邊直段及跨中處梁高為7.5 m，高跨比1/28.8。梁底曲線采用圓曲線變化，曲線半徑R=486.6 m。箱梁寬度按線間距及橋面布置綜合考慮，頂板寬12.0 m，底板寬度考慮箱梁橫向穩(wěn)定，加大寬跨比，底寬采用9.2 m。橋面橫向設(shè)置2%排水坡。頂板厚度62 cm，腹板厚度55～75～95～105～130 cm變化，底板厚度50～200 cm漸變。全橋共分為117個(gè)梁段，最長(zhǎng)梁段為5.0 m，最大懸灌體積175.2 m3，箱梁典型截面見圖3。

圖3 箱梁典型截面(單位：cm)

主要工程數(shù)量指標(biāo)如下：本橋采用C55混凝土，混凝土用量18 416 m3；每延米橋長(zhǎng)混凝土用量為40.7 m3，預(yù)應(yīng)力索用量1 005.7 t，每方混凝土預(yù)應(yīng)力索用量54.4 kg。普通鋼筋用量2 563 t，混凝土普通鋼筋用量138.7 kg/m3。

4.2 下部結(jié)構(gòu)

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)應(yīng)優(yōu)先選用此墩型[7]，本橋主墩采用雙薄壁墩柱，墩高66.5 m。橋墩直坡，單壁縱橋向?qū)?.5 m，墩底加厚至3.8 m；橫橋向?qū)?1.2 m，雙肢薄壁中心距8.7 m。橋墩尺寸對(duì)主梁的影響很大，墩身剛度過大，不利于主梁受力，剛度過小則橋墩本身受力難以滿足。本橋采用在墩底10 m范圍內(nèi)加厚墩臂，并在變截面處設(shè)置1道系梁，有效地解決了這個(gè)問題。合龍前對(duì)梁體施加水平對(duì)頂力，對(duì)改善橋墩和基礎(chǔ)的受力效果明顯[8]，，通過計(jì)算，在中跨合龍前，施加了4 000 kN的對(duì)頂力，改善了橋墩和基礎(chǔ)的受力。剛構(gòu)墩結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 剛構(gòu)墩結(jié)構(gòu)(單位：cm)

4.3 體外索設(shè)計(jì)

考慮收縮徐變的不確定性[9-10]，設(shè)計(jì)時(shí)在邊跨、中跨分別預(yù)留了4根19φ15.20 mm的體外索備用。備用索采用環(huán)氧涂層無粘結(jié)鋼絞線。體外備用索采用分體式轉(zhuǎn)向器，可單根調(diào)索、換索。預(yù)留體外索成橋時(shí)不張拉，做好防腐保護(hù)措施。運(yùn)營(yíng)期間加強(qiáng)梁部位移的觀測(cè)，若發(fā)現(xiàn)主梁發(fā)生異常變形時(shí)，可及時(shí)申請(qǐng)啟用，以便改善橋梁受力狀況和梁部變形。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)備用索以960 MPa的錨下控制應(yīng)力張拉時(shí)，跨中的10年后期徐變值可減少7.8 mm。體外索布置示意如圖5所示。

圖5 體外索布置示意(單位：cm)

5 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析采用有限元程序，對(duì)施工階段和使用階段進(jìn)行了計(jì)算分析。計(jì)算中，主力除考慮了結(jié)構(gòu)自重外，還考慮了預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、活載及沖擊力、支座不均勻沉降等。附加力考慮了風(fēng)力、制動(dòng)力或牽引力、溫度變化引起的影響力、列車脫軌荷載等。對(duì)于施工臨時(shí)荷載，以及施工不同步造成的不平衡彎矩等進(jìn)行了嚴(yán)格控制。對(duì)施工過程中產(chǎn)生的內(nèi)力變化，如體系轉(zhuǎn)換、混凝土收縮徐變引起的內(nèi)力變化以及其對(duì)預(yù)應(yīng)力損失的影響等都給予了充分的考慮。

關(guān)于溫度荷載，計(jì)算中綜合考慮橋位處極限溫度和平均溫度，合龍溫度取16～20 ℃，整體溫度變化按+20 ℃、-15 ℃考慮；本橋采用有砟橋面，按規(guī)范可以不考慮沿梁高方向的溫差荷載[3-4]，考慮到溫差效應(yīng)對(duì)大跨結(jié)構(gòu)作用比較敏感，為提高結(jié)構(gòu)的整體安全性，計(jì)算中考慮了沿梁高方向有不均勻溫差，按橋面板比梁體升高5 ℃計(jì)算溫度效應(yīng)；在橫橋向計(jì)算時(shí)，考慮了日照和寒潮兩種模式。

支座不均勻沉降按2 cm計(jì)算。橋位處基巖埋深較淺，沖刷線已到基巖面，整體計(jì)算時(shí)，采用群樁模擬剛度和在承臺(tái)底固結(jié)兩種方式包絡(luò)計(jì)算。

5.1 全橋靜力分析

(1)主梁應(yīng)力、強(qiáng)度及抗裂性，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 應(yīng)力、強(qiáng)度及抗裂性計(jì)算結(jié)果

(2)主梁撓度

中跨最大靜活載撓度61.6 mm，為跨度的1/3 505；梁端最大豎向轉(zhuǎn)角0.50‰；邊跨最大靜活載撓度16.9 mm，為跨度的1/7 003。

(3)后期徐變

大跨度剛構(gòu)徐變下?lián)铣蔀槠毡閱栴}，控制徐變下?lián)现凳侨珮蛟O(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本橋在設(shè)計(jì)方面采用延長(zhǎng)箱梁階段施工周期及二期恒載上橋時(shí)間、控制上下緣應(yīng)力差等方法控制主梁徐變下?lián)稀?/p>

本橋二期恒載上橋時(shí)間按成橋后150 d計(jì)算，較常規(guī)的60 d后上二期恒載后期徐變值，相對(duì)減小了10 mm的。上下緣應(yīng)力差均控制在5 MPa之內(nèi)。本橋30年徐變邊跨中上拱2.56 mm，中跨中下?lián)?1.5 mm。

從以上計(jì)算結(jié)果可以得出，主梁各截面應(yīng)力均滿足相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范的要求。箱梁的剛度較大且橋面平順度較高，確保了行車的舒適性和安全性。

5.2 動(dòng)力分析

建立統(tǒng)一車-線-橋一體空間模型，對(duì)主橋在CRH2、CRH3動(dòng)車組，C80貨車作用下進(jìn)行車-線-橋耦合振動(dòng)分析，評(píng)價(jià)了該橋的動(dòng)力性能及列車在風(fēng)荷載作用下的運(yùn)行安全性與舒適性。計(jì)算結(jié)果表明在設(shè)計(jì)行車速度內(nèi)，橋梁和列車的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)均在容許值范圍內(nèi)，行車的安全性有保證[2]。

6 結(jié)論

大跨連續(xù)剛構(gòu)橋主梁設(shè)計(jì)的難點(diǎn)就是控制梁體的徐變撓度和結(jié)構(gòu)抗裂性能[12-15]，本橋通過合理優(yōu)化預(yù)應(yīng)力索型，使全橋應(yīng)力狀態(tài)比較合理，調(diào)整主梁的主拉應(yīng)力值在適當(dāng)范圍，嚴(yán)格控制箱梁上下緣混凝土應(yīng)力差；在中跨合龍時(shí)，施加適當(dāng)?shù)膶?duì)頂力，可以很好地改善墩身彎矩，優(yōu)化梁部受力；同時(shí)，在梁體箱內(nèi)預(yù)留預(yù)應(yīng)力鋼絞線，必要時(shí)張拉，可及時(shí)補(bǔ)充預(yù)應(yīng)力，可以調(diào)整梁體線形，控制梁體的徐變撓度，提高結(jié)構(gòu)的抗裂性能。

[1] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建南三龍鐵路合福聯(lián)絡(luò)線閩江特大橋施工圖[Z].武漢：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2014.

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