城際鐵路長(zhǎng)聯(lián)大跨高墩剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋設(shè)計(jì)分析

劉騫儒

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

1 工程概況及主要設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

一城際鐵路特大橋位于我國(guó)西北部，橋位處線路與主河槽夾角約90°，河道順直，河槽寬約150 m，常年流水。兩岸岸坡自然坡度約30o，溝谷呈梯形，溝床縱坡較陡。主溝相對(duì)高差50～115 m，順線路方向溝寬約700 m。兩岸黃土山坡，植被良好。兩岸地層構(gòu)造主要為第四系全新統(tǒng)洪積黏質(zhì)黃土、細(xì)圓礫土、崩積塊石土；下伏二疊系上統(tǒng)泥巖、砂巖。

主要設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）線路標(biāo)準(zhǔn)：雙線城際鐵路，直線。

2）速度目標(biāo)值：250 km∕h。

3）設(shè)計(jì)活載：ZK荷載。

4）橋面二期恒載：175 kN∕m。

5）主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限：100年。

6）環(huán)境作用等級(jí)：T2。

2 方案比選

考慮本橋的地理環(huán)境及防洪要求，制定了3 個(gè)孔跨布置方案進(jìn)行比選（表1）。經(jīng)綜合對(duì)比，方案3以明顯優(yōu)勢(shì)入選，其橋型布置見(jiàn)圖1。橋墩采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，固結(jié)墩采用雙薄壁墩，主橋下部結(jié)構(gòu)較柔，整體剛度較空心墩?。?］。

表1 孔跨布置方案比選

圖1 方案3橋型布置（單位：cm）

3 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋主梁一般采用變截面箱梁，梁高和梁底曲線的選擇對(duì)橋梁整體受力、上部結(jié)構(gòu)的工程量及外形美觀都至關(guān)重要。

本橋采用單箱單室直腹板截面梁，支點(diǎn)及跨中處梁體橫斷面見(jiàn)圖2。參考既有連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)參數(shù)［2-3］，取箱梁頂寬12.2 m，底寬7.2 m，單側(cè)懸臂長(zhǎng)2.5 m，懸臂端部、根部分別厚35，85 cm。中墩及次邊墩（2#—6#墩）墩頂處箱梁高取10.5 m，腹板厚100 cm，底板厚150 cm，頂板厚109 cm；邊墩（1#，7#墩）墩頂及跨中處梁高取5.5 m，腹板厚50 cm，底板厚50 cm，頂板厚54 cm。頂板設(shè)120 cm×40 cm梗肋，底板設(shè)40 cm×40 cm 梗肋。主跨徑小于150 m 的橋梁梁高曲線指數(shù)一般為1.8～2.0。本橋梁底曲線選用1.8 次拋物線，提高1∕4跨徑處的梁高以增強(qiáng)抗主拉應(yīng)力能力。

圖2 支點(diǎn)及跨中處梁體橫斷面（單位：cm）

為增強(qiáng)梁體抗扭能力、約束截面畸變和扭轉(zhuǎn)變形并利于上部荷載向墩頂傳遞，在支點(diǎn)及跨中處設(shè)置橫隔墻。1#和7#邊墩墩頂各設(shè)置1道，厚1.8 m；2#中墩墩頂設(shè)置1道，厚3 m；3#—6#中墩對(duì)應(yīng)剛構(gòu)墩墩壁上各設(shè)置2 道，厚2.5 m；次邊跨跨中和中跨跨中各設(shè)置1 道，厚0.5 m。各橫隔墻上均設(shè)置2.5 m×1.5 m的過(guò)人洞。為減小箱梁內(nèi)外溫差，在腹板上順橋向每隔4 m設(shè)置1個(gè)直徑10 cm 的通風(fēng)孔［4-5］。為避免箱梁內(nèi)及梁頂積水，在箱梁內(nèi)部底板最低處設(shè)置直徑16 cm 的泄水孔，在箱梁頂面懸臂根部順橋向設(shè)置直徑12.5 cm 的橋面排水管，間距均為4 m。

懸臂施工的箱梁梁段不宜太長(zhǎng)，以免梁段過(guò)重；也不宜太短，以免工序過(guò)于繁復(fù)。本橋按施工順序劃分21 種梁段，其中最重的掛籃施工梁段為梁段④，質(zhì)量約250 t。梁體縱立面及梁段劃分見(jiàn)圖3。

圖3 梁體縱立面及梁段劃分（單位：cm）

4 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

4.1 動(dòng)力特性計(jì)算模型

利用MIDAS∕Civil 軟件建立主橋計(jì)算模型進(jìn)行動(dòng)力特性計(jì)算（圖4）。承臺(tái)底節(jié)點(diǎn)采用彈性連接模擬樁基礎(chǔ)。彈性連接單元共有6 個(gè)參數(shù)，即3 個(gè)軸向位移剛度和3 個(gè)沿軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角剛度［6］。根據(jù)TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］選取參數(shù)及公式進(jìn)行計(jì)算，確定橋墩的設(shè)計(jì)方案。

圖4 主橋計(jì)算模型

4.2 橋墩設(shè)計(jì)及分析

本橋剛構(gòu)墩采用雙薄壁墩，與梁體固結(jié)。橋墩混凝土收縮、徐變、溫度應(yīng)力均會(huì)影響梁體內(nèi)力［8］。在墩身壁厚相同的條件下，對(duì)中墩固結(jié)方式設(shè)計(jì)了2 種方案：3#—5#墩3 墩固結(jié)、3#—6#墩4 墩固結(jié)。對(duì)比2 種固結(jié)方式下的橋梁結(jié)構(gòu)自振特性（表2），發(fā)現(xiàn)4墩固結(jié)時(shí)全橋縱向自振周期比3 墩固結(jié)時(shí)明顯減小，具有地震力作用下縱向位移小、橋梁整體剛度大等優(yōu)勢(shì)，故采用4墩固結(jié)方案。

連續(xù)剛構(gòu)梁與固結(jié)墩的彎矩分配取決于二者的剛度比，橋梁結(jié)構(gòu)在常規(guī)荷載及地震力作用下的內(nèi)力也與橋墩剛度密切相關(guān)。因此，進(jìn)行橋墩設(shè)計(jì)時(shí)既要滿足列車運(yùn)行時(shí)橋墩的剛度要求，又要避免墩身剛度過(guò)大導(dǎo)致墩身內(nèi)力增大。

表2 2種固結(jié)方式下橋梁結(jié)構(gòu)自振特性對(duì)比

3#—6#墩4 墩固結(jié)，均為雙薄壁墩，其壁厚可選2.2 m 或2.5 m。對(duì)比2 種壁厚下橋梁結(jié)構(gòu)自振特性，見(jiàn)表3?？芍丈肀诤褚诉x擇2.5 m。

表3 2種壁厚下橋梁結(jié)構(gòu)自振特性對(duì)比

設(shè)置橫系梁可改善懸臂施工和成橋階段橋梁的自振特性，提高橋墩穩(wěn)定性。實(shí)際工程中，成橋后橫系梁在溫度、活載、多遇地震等作用下受力偏大，并非橫系梁越多、尺寸越大越有益，須合理選擇橫系梁布置方案。

根據(jù)工程實(shí)際，設(shè)計(jì)了3 種橫系梁設(shè)置方案：①4個(gè)固結(jié)墩各設(shè)1道橫系梁；②3#—5#墩各設(shè)2道、6#墩設(shè)1 道橫系梁；③3#，4#墩各設(shè)3 道、5#墩設(shè)2 道、6#墩設(shè)1道橫系梁。3種方案下橋梁結(jié)構(gòu)自振特性對(duì)比見(jiàn)表4?？芍?，宜選方案③。

表4 3種橫系梁設(shè)置方案下橋梁結(jié)構(gòu)自振特性對(duì)比

對(duì)橋墩設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，見(jiàn)表5?？紤]2#墩為非固結(jié)墩且高度僅8 m，改用圓端型實(shí)體墩；考慮6#墩高度僅53 m，為控制其剛度，墩身壁厚改為2.2 m。

本橋3#，4#橋墩設(shè)計(jì)最為典型，見(jiàn)圖5。

表5 橋墩設(shè)計(jì)方案

圖5 3#，4#橋墩立面（單位：cm）

4.3 承臺(tái)及樁基

大跨剛構(gòu)-連續(xù)組合梁A 形高墩的承臺(tái)常采用分離式和整體式2 種。分離式承臺(tái)需在2 個(gè)分離的承臺(tái)間設(shè)置系梁并張拉系梁橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，工序繁瑣，且當(dāng)樁基根數(shù)較多時(shí)不便于樁基布置。故本橋承臺(tái)采用整體式承臺(tái)，樁基直徑為1.8 m。其中尺寸最大的3#，4#墩承臺(tái)為21 m×39 m×5 m，采用45根樁基。

5 主橋結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算分析

5.1 縱向計(jì)算分析

采用西南交通大學(xué)橋梁系開(kāi)發(fā)的BSAS Pro 2017橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算，恒載、活載、附加力等均按規(guī)范取值［4-5］。

通過(guò)靜力計(jì)算，對(duì)箱梁各參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算。以固結(jié)墩的墩身壁厚為例，計(jì)算2 種壁厚的梁體和橋墩在恒載作用下的內(nèi)力（彎矩），見(jiàn)表6。可見(jiàn)，選用2.5 m 壁厚能更好地滿足結(jié)構(gòu)受力及列車運(yùn)行要求。

橋梁施工的合龍順序有2 種備選方案：邊跨→次邊跨→中跨；次邊跨→邊跨→中跨。通過(guò)縱向計(jì)算，2 種順序合龍時(shí)的梁體內(nèi)力相近。試算主力工況下施加不同合龍頂推力時(shí)固結(jié)墩墩底彎矩，見(jiàn)表7?？芍?，施加6 000 kN 頂推力能有效調(diào)整墩身內(nèi)力，使各墩底正、負(fù)彎矩分布更均勻，受力更合理。為了更便于施工，最終確定采用次邊跨→邊跨→中跨的合龍順序，并在中跨合龍時(shí)施加6 000 kN的頂推力［9］。

表6 2種壁厚下橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力（彎矩） kN·m

表7 主力工況下施加不同合龍頂推力時(shí)固結(jié)墩墩底彎矩

通過(guò)靜力計(jì)算，本橋各項(xiàng)指標(biāo)均滿足TB 10092—2017要求。梁體上下緣壓應(yīng)力最大值為20.4 MPa，最小值為0.7 MPa，均未出現(xiàn)拉應(yīng)力；梁端轉(zhuǎn)角0.7%；邊跨的靜活載撓度為-16 mm，中跨為-48 mm。

5.2 橫向計(jì)算分析

利用MIDAS∕Civil進(jìn)行箱梁橫向環(huán)框計(jì)算，將箱梁橫截面簡(jiǎn)化成邊界條件為一般支承的框架結(jié)構(gòu)，支承點(diǎn)位于兩腹板下。順橋向取1 m 寬，橋梁縱向活載影響寬度按TB 10002—2017 的4.3.5 條選?。?0］。建立計(jì)算模型見(jiàn)圖6。考慮恒載、活載、溫度等作用，取最不利組合進(jìn)行箱梁橫截面的配筋計(jì)算。為方便施工，本橋橫向按普通鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。

圖6 橫向環(huán)框計(jì)算模型

6 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)方案比選，確定了西北一城際鐵路特大橋選用（80+4×144+80）m 剛構(gòu)-連續(xù)組合梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。該方案經(jīng)濟(jì)合理，兼具連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，減少了大型橋梁支座和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，降低了橋墩和基礎(chǔ)的工程量。

2）考慮橋梁整體受力、上部結(jié)構(gòu)的工程量及外形美觀等因素，選用單箱單室直腹板截面梁，確定了箱梁尺寸，設(shè)置了橫隔墻、通風(fēng)孔、泄水孔及排水管等，并按施工順序劃分了21種梁段以便于施工。

3）利用MIDAS∕Civil軟件建立主橋計(jì)算模型，進(jìn)行動(dòng)力特性計(jì)算，分別對(duì)比不同固結(jié)方式、橋墩墩身壁厚、橫系梁設(shè)置方案下橋梁的自振特性，得出最優(yōu)橋墩設(shè)計(jì)方案，即：3#—6#墩4 墩固結(jié)，均采用雙薄壁墩，橫向?yàn)锳 形，設(shè)置1～3 道橫系梁；3#—5#墩墩身壁厚為2.5 m，6#墩為2.2 m。

4）通過(guò)主橋結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算驗(yàn)證橋梁設(shè)計(jì)方案的合理性，確定了次邊跨→邊跨→中跨的合龍順序，并在中跨合龍時(shí)施加6 000 kN 頂推力。箱梁縱向計(jì)算及橫向環(huán)框計(jì)算表明，本橋采用的雙薄壁剛構(gòu)墩在最不利荷載工況下能夠滿足結(jié)構(gòu)的安全使用要求。