喀臘塑克水庫特大橋主橋設(shè)計分析

鄧創(chuàng)成

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

1 工程概況

本橋位于新疆阿爾泰低山丘陵區(qū)，為跨越喀臘塑克水庫而設(shè)。喀臘塑克水庫是額爾齊斯河干流上具有不完全多年調(diào)節(jié)功能的控制性工程，也是引額供水工程中重要的水源工程之一?？εD塑克水利樞紐工程為大(1)型Ⅰ等工程。水庫總庫容24.19億m3，調(diào)節(jié)庫容19.18億m3。兩岸山體基巖出露，橋位右岸阿勒泰側(cè)山勢較緩，自然坡度約30°，左岸富蘊側(cè)岸邊山勢陡峻，切割強烈，自然坡度約65°。線路路肩與溝底的高差約102 m，該段出露地層為第四系全新統(tǒng)沖積卵石土，兩側(cè)出露基巖為上石炭統(tǒng)片巖。大里程河岸常年受水流沖刷，山體陡峭，巖性為上石炭統(tǒng)片巖，節(jié)理、片理發(fā)育，表面巖體經(jīng)剝蝕風(fēng)化十分破碎，部分發(fā)生崩塌。橋址處場地地震動峰值加速度0.17g(相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度)，地震動反應(yīng)譜特征周期0.45 s，場地類別為Ⅰ類[1]。

2 主橋方案及孔跨的確定

主橋橋位處地形起伏，喀臘塑克水庫水面寬闊，水深達(dá)65 m左右，橋位大里程側(cè)山坡陡峻，橋墩宜布設(shè)在陡坡穩(wěn)定邊坡內(nèi)?？紤]到陡坎設(shè)墩困難，深水基礎(chǔ)施工難度大等因素，橋梁需一次性跨越深水水庫及陡峭山坡段。

綜合考慮，本次設(shè)計按橋梁主跨270 m跨越水庫深水區(qū)及山坡陡坎?？卓绮贾脼?×32 m+(140+270+140)m矮塔斜拉橋+3×32 m+1×24 m預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，橋全長981.49 m。主橋立面見圖1。

圖1 主橋立面(單位：cm)

3 矮塔斜拉橋設(shè)計

3.1 主橋結(jié)構(gòu)尺寸

3.1.1 箱梁

梁體采用變高度箱梁，一聯(lián)總長552.3 m，邊支座中心至梁端距離0.75 m，計算跨度為(140.0+270.8+140.0)m。箱梁采用單箱單室直腹板箱型截面(見圖2)，中支點梁高14.0 m，邊支點梁高7.0 m；梁體下緣按1.8次拋物線變化，拋物線方程為y=0.001 211x1.8；箱梁頂寬9.0 m,底寬8.5 m；箱梁頂板厚0.6 m，底板厚0.5～1.2 m，邊腹板厚0.55～0.95 m。梁體端部設(shè)置1.5 m厚隔墻，中部設(shè)置4.8 m厚隔墻，所有隔墻設(shè)置1.6 m×2.0 m過人洞，梁體端部及中部設(shè)置直徑1.0 m圓形進(jìn)人洞，箱梁腹板設(shè)置直徑10 cm的通風(fēng)孔[2-6]。

圖2 箱梁斷面(單位：cm)

3.1.2 主塔

橋塔高度為橋面以上38 m，鉆石型結(jié)構(gòu)，截面為7.0 m(縱向)×3.0 m(橫向)的矩形，橋塔上部放坡比例1∶12.5，底部收坡比例1∶26.4。橋塔構(gòu)造見圖3。

3.1.3 斜拉索

斜拉索采用雙索面扇形布置，全橋設(shè)置56對共112根拉索，梁上拉索水平間距6.0 m，塔部斜拉索豎向間距1.2 m。

圖3 橋塔構(gòu)造(單位：cm)

3.2 材料選擇

箱梁梁體采用C55混凝土,混凝土彈性模量3.60×104MPa，極限抗壓強度37.0 MPa，極限抗拉強度3.3 MPa。橋塔采用C50混凝土,混凝土彈性模量3.55×104MPa，極限抗壓強度33.5 MPa，極限抗拉強度3.1 MPa。斜拉索采用φS15.2的鋼絞線索體，全橋共M250-27,34,55三種規(guī)格，拉索錨固端位于橋塔側(cè)，主梁側(cè)為張拉端。張拉端和錨固端均采用M250系列錨具錨固，混凝土橋面處拉索設(shè)置永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器。

3.3 結(jié)構(gòu)計算

3.3.1 荷載

恒載包括結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重、附屬設(shè)施質(zhì)量(二期恒載)，不均勻沉降，混凝土收縮徐變，二期恒載采用值85 kN/m?；钶d采用單線中-活載，活載動力系數(shù)采用1.07。橫向搖擺力取100 kN，其作用點在垂直線路中心線的鋼軌頂面。箱梁整體升降溫按整體升溫15 ℃，整體降溫30 ℃，橋面板升溫根據(jù)規(guī)范為5 ℃。施工臨時荷載掛籃重量(含施工機具、人員等)每套按 2 000 kN 計，合龍吊架重量300 kN。地震力按地震動峰值加速度0.17g計算。

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，并對特殊荷載進(jìn)行檢算。

3.3.2 結(jié)構(gòu)靜力計算

施工及運營階段采用西南交通大學(xué)“橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS”對梁體、橋塔及斜拉索等進(jìn)行檢算。全橋共分為211個單元，其中箱梁117個單元，橋塔38個單元，拉索56個單元。結(jié)合施工流程，共劃分95個施工階段，第95階段為運營階段。運營階段彎矩及剪力包絡(luò)圖見圖4。主要計算結(jié)果見表1、表2。

圖4 運營階段包絡(luò)圖

表1 施工階段靜力計算結(jié)果

表2 運營階段靜力計算結(jié)果

3.3.3 結(jié)構(gòu)動力計算

動力計算采用MIDAS有限元程序，將結(jié)構(gòu)離散，計算中按照實際基礎(chǔ)模擬基底彈性支撐，全橋共分350個單元[7]。結(jié)構(gòu)前10階自振特性如下表3。

表3 結(jié)構(gòu)自振特性

3.3.4 結(jié)構(gòu)動力仿真分析

根據(jù)西南交通大學(xué)橋梁結(jié)構(gòu)振動研究室研制的橋梁結(jié)構(gòu)動力分析程序BDAP V2.0，采用空間有限元方法建立該橋的全橋動力分析模型，對其空間自振特性進(jìn)行計算[8]，主要結(jié)論如下：

1)橋梁振動性能

主橋跨中、塔頂?shù)葮蛄旱湫蛿嗝娴淖畲髣恿憫?yīng)均小于規(guī)范規(guī)定的限值，橋梁動力性能良好。

2)列車行車安全性

主橋在貨車C80以速度60～90 km/h,客車以速度100～180 km/h通過時，車輛的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi),說明列車運行的安全性得到保障。

3)列車乘坐舒適性

主橋在C80貨車以速度60～90 km/h通過時，重車、空車的豎向和橫向運行平穩(wěn)性均達(dá)到“優(yōu)”；在SS+25K客車以速度100～180 km/h通過時，機車、客車的橫向運行平穩(wěn)性均達(dá)到“優(yōu)”或“良”。

4 結(jié)語

矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)性能介于斜拉橋和連續(xù)梁之間，具有以下的結(jié)構(gòu)特點：

1)主梁的剛度大，以梁為主，索為輔，斜拉索實質(zhì)上起體外預(yù)應(yīng)力索的作用。

2)橋塔的建筑高度低，拉索的傾角小，拉索為梁提供較大的軸向力。

3)后期換索對行車運營干擾小，可在不中斷行車僅限速的情況下進(jìn)行。

4)矮塔斜拉橋的主梁可按常規(guī)梁式橋的懸灌法施工，且索力無須調(diào)整或調(diào)整有限，其施工控制的難度較一般斜拉橋大大降低，另外橋塔建筑高度的有效降低，可以大大降低橋塔的施工難度[9]。

喀臘塑克水庫特大橋利用矮塔斜拉橋的特點，結(jié)合現(xiàn)場地形地質(zhì)條件，通過對主橋的受力分析，可知主橋各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，保證了橋梁結(jié)構(gòu)在施工及運營階段的安全性。