西湖沖特大橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

張巨生 寧伯偉 梅曙輝

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430056)

新建黔張常鐵路經(jīng)地質(zhì)復(fù)雜的武陵山區(qū)，號(hào)稱第二條宜萬(wàn)線，按200 km/h車速客、貨共線Ⅰ級(jí)、雙線、有碴設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)活載為中活載。

西湖沖特大橋位于湖南省湘西北部龍山縣，大里程側(cè)接隧道。為控制隧道規(guī)模、降低隧道施工風(fēng)險(xiǎn)、加快工期，全線總體設(shè)計(jì)采用高線位，本橋橋面距地面高達(dá)90 m，兩側(cè)邊坡陡峭，最大坡腳達(dá)70°。

橋址處屬亞熱帶大陸性濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均溫度為15.8 ℃。場(chǎng)區(qū)覆蓋層厚度0.5～5 m，巖性主要為殘坡積黏性土混碎石、角礫；基巖

主要為頁(yè)巖及灰?guī)r；橋址處基巖50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震基本烈度為VI度，主橋按VII度設(shè)防。

1 總體設(shè)計(jì)

黔江至常德方向橋式布置為：引橋3×32.7 m簡(jiǎn)支T梁+主橋60 m+2×100 m+60 m連續(xù)剛構(gòu)+引橋3×32.7 m簡(jiǎn)支T梁，橋梁總長(zhǎng)526.2 m(含橋臺(tái))，見圖1。左線平面位于半徑4 500 m的圓曲線上，線間距為4.546 m。立面縱向單坡，坡度為1.74%。

圖1 橋式立面布置圖(單位：m)

主橋采用60 m+2×100 m+60 m的變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，中墩固接[1]、邊墩及次中墩設(shè)豎向支座，主梁采用單箱單室截面(見圖2)，支點(diǎn)梁高7.85 m、跨中及邊跨直線段梁高4.85 m，梁底下緣采用1.65次拋物線。引橋采用32.7 m的標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支T梁，橫向布置4片，梁高2.7 m。橋墩均采用圓端形空心墩[2-3]，墩高30～81 m，基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)。

在0～1號(hào)、2～3號(hào)、8～9號(hào)墩之間邊坡傾角高達(dá)70°，清除植被后邊坡易失穩(wěn)，兩側(cè)橋臺(tái)及鄰近橋墩基礎(chǔ)無(wú)法開挖，設(shè)計(jì)中采用樁板墻先進(jìn)行防護(hù)，再行開挖，基礎(chǔ)施工完成后，再對(duì)坡體用錨索框架梁防護(hù)。

圖2 主橋斷面布置示意圖(單位：cm)

2 主橋設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主梁采用C50單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土變高連續(xù)梁。箱梁頂寬12.0 m、底寬6.7 m，頂板厚0.4 m；腹板厚分別為0.6，0.8和1.0 m，按折線變化。底板厚1.2～0.4 m，按曲線變化。底板設(shè)60 cm×30 cm梗肋，頂板設(shè)90 cm×30 cm梗肋。全聯(lián)在各支點(diǎn)及中跨合龍段處設(shè)橫隔板，橫隔板設(shè)有孔洞，供檢查人員通過(guò)。中支點(diǎn)及次中支點(diǎn)橫隔板分別厚2.4，2.0 m，端支點(diǎn)橫隔板厚1.45 m。

4，5，6號(hào)中墩墩高分別為60，81，46.2 m，墩頂縱向長(zhǎng)6.4 m、橫向?qū)?.4 m，墩身外側(cè)縱、橫向均按30∶1的斜率變寬, 墩身內(nèi)側(cè)縱、橫向按50∶1的斜率放坡，上端壁厚80 cm，由上至下不斷變厚。為方便主梁施工，橋墩頂帽6 m范圍內(nèi)由圓端形過(guò)渡為矩形。

3，7號(hào)邊墩墩高分別為63.25，59.15 m，墩頂縱向長(zhǎng)4 m、橫向?qū)? m，上端壁厚60 cm，墩身內(nèi)、外側(cè)放坡斜率與中墩一致。

4，5，6號(hào)中墩基礎(chǔ)分別采用16，20，12根直徑1.8 m鉆孔灌注樁，承臺(tái)厚度均為4.5 m； 3，7號(hào)墩基礎(chǔ)分別采用14，11根直徑1.5 m鉆孔灌注樁，承臺(tái)厚度均為3.5 m。主橋樁基均按行列式布置，除5號(hào)墩樁基持力層為微風(fēng)化灰?guī)r外，其余墩樁基持力層均為微風(fēng)化頁(yè)巖。

2.2 結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力主要計(jì)算結(jié)論

經(jīng)計(jì)算，運(yùn)營(yíng)控制組合最大正應(yīng)力14.3 MPa、最小正應(yīng)力0.55 MPa、最大主應(yīng)力14.3 MPa、最小主應(yīng)力-2.1 MPa、最大剪應(yīng)力3.38 MPa、最小強(qiáng)度安全系數(shù)2.2、最小抗裂安全系數(shù)1.3;主墩全截面受壓，最大壓應(yīng)力10.6 MPa；梁端最大轉(zhuǎn)角為0.065%,主跨靜活載撓跨比為1/3 225。以上結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

橋址處地震基本烈度為VI度，地震動(dòng)峰值加速度0.05g，按多遇、設(shè)計(jì)、罕遇分析并檢算主橋樁基、橋墩及主梁各關(guān)鍵截面，均滿足抗震性能要求。

車-橋耦合振動(dòng)分析顯示高速客車的乘坐舒適度及貨運(yùn)列車的運(yùn)行平穩(wěn)性均達(dá)到“良好”以上標(biāo)準(zhǔn)。

3 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系，提高主橋縱向抗推剛度

為滿足行車舒適性及安全性，主橋墩身需達(dá)到一定剛度以保證軌道的穩(wěn)定、強(qiáng)度及斷縫間距能滿足列車運(yùn)營(yíng)要求。經(jīng)軌道分析，如采用連續(xù)梁體系即中墩設(shè)固定支座，其余設(shè)縱向活動(dòng)支座，主橋中墩縱向水平剛度需達(dá)到1 000 kN/cm(雙線)，方能滿足連續(xù)梁縱向抗推剛度的要求。因本橋主墩高達(dá)81 m，墩身縱向尺寸雖由墩頂6.4 m放坡至墩底11.4 m，壁厚由0.8 m漸變至1.8 m，但主墩縱向剛度僅有553 kN/cm(雙線)，與軌道穩(wěn)定及安全需求差距較大，如繼續(xù)加大中墩截面尺寸，工程量增加較多，且對(duì)行洪不利。

為提高主橋縱向水平剛度，設(shè)計(jì)了中墩與主梁固接及中墩、次中墩均與主梁固接兩個(gè)方案，研究結(jié)果表明，兩個(gè)方案均滿足1 000 kN/cm(雙線)縱向水平剛度要求，但后者梁、墩在溫度作用下受力不利，最終確定采用中墩墩梁固接、其他墩設(shè)縱向活動(dòng)支座的體系。

3.2 適應(yīng)本橋工程特點(diǎn)的主橋合龍順序

一般大跨變高連續(xù)梁均采用先掛籃雙懸臂節(jié)段施工，同時(shí)搭支架施工邊跨現(xiàn)澆段，待雙懸臂施工至邊跨合龍段，先邊跨合龍、后中跨合龍[4-5]。本橋如搭設(shè)高達(dá)60.4 m的邊跨現(xiàn)澆段支架、并預(yù)壓，工期長(zhǎng)、施工安全風(fēng)險(xiǎn)大。如果采用先中跨合龍、后邊跨懸澆至邊墩頂、最后在墩頂現(xiàn)澆剩余部分的工法，則能避免搭設(shè)邊跨現(xiàn)澆段支架及預(yù)壓，可有效規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)研究，先中跨合龍、后邊跨懸澆至邊墩頂與常規(guī)的先邊、后中跨合龍工法比較，主梁彎矩在次中墩頂增大、中墩頂及邊中跨跨中減小，控制預(yù)應(yīng)力配置工況為運(yùn)營(yíng)階段，運(yùn)營(yíng)階段彎矩變化在3%以內(nèi)，兩種工法的配筋基本一致?？刂平孛鎻澗赜?jì)算結(jié)果見表1。

表1 合龍順序控制彎矩比較

注：表內(nèi)彎矩前后順序：先中跨合龍、后邊跨懸澆至墩頂/先邊跨、后中跨合龍。

另外，鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁豎向撓度要求鋪軌后徐變值不大于20 mm，本橋兩種工法鋪軌后徐變值均在5 mm以下，均滿足規(guī)范要求。

本橋?yàn)樗目邕B續(xù)梁，經(jīng)對(duì)比分析兩種工法下主梁受力、鋪軌后豎向徐變值及預(yù)應(yīng)力配置基本一致，本橋以規(guī)避設(shè)置邊跨現(xiàn)澆段高支架施工風(fēng)險(xiǎn)為目的，采用了先中跨合龍，后邊跨懸澆至邊墩頂，最后在墩頂現(xiàn)澆剩余部分的工法。該工法在黔張常鐵路得到了全線推廣。

4 結(jié)語(yǔ)

黔張常鐵路西湖沖特大橋地處武陵山區(qū)，具有谷深、墩高的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)中通過(guò)采用中墩固接提高了主橋的抗推剛度，先中跨合龍、后邊跨懸澆至邊墩頂、最后在墩頂現(xiàn)澆剩余部分的工法規(guī)避了邊跨現(xiàn)澆段高支架搭設(shè)、預(yù)壓的施工風(fēng)險(xiǎn)。目前除引橋預(yù)制T梁外，線下工程已全部完工，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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