西安機場城際鐵路渭河特大橋主橋總體設(shè)計

鄢玉勝

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043）

1 工程概況

渭河特大橋處于西安機場城際鐵路渭河南站至秦宮站區(qū)間段內(nèi)，位于西安市未央?yún)^(qū)北側(cè)、機場專用高速公路渭河特大橋東側(cè)，為跨渭河河堤、渭河及蘭池大道、光伏三路、蘭池二路、機場專用高速公路等市政道路而設(shè)，是西安機場城際鐵路控制性工程。橋址位于國家級新區(qū)西咸新區(qū)秦漢新城轄區(qū)渭河生態(tài)保護區(qū)，是展現(xiàn)陜西省首條城際鐵路形象的窗口。

大橋全長7 331.7 m，橋址地貌為渭河沖積平原及渭北黃土塬，地勢開闊，地形較平坦。渭河以南的渭河河谷漫灘地帶，地勢相對較低；渭河以北（左岸）的渭河河谷漫灘及渭河一級階地，地勢相對較高。地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積的粉質(zhì)黏土、粉細砂、中砂、粗砂等。本橋位于8 度區(qū)，峰值加速度0.2g，如表1 所示［1］。其中，Amax為場地峰值加速度；Tg為特征周期；βmax為動力放大系數(shù)。

場地地震烈度高，地質(zhì)條件差，特征周期長，部分段落地層還存在地震液化的情況，液化深度最大至地表以下8.15 m［1］。橋梁設(shè)計活載為地鐵B2型車，6 輛編組，設(shè)計速度100 km∕h，雙線無砟軌道，線間距4.2 m。

表1 地震參數(shù)

2 橋梁孔跨及橋式方案比選

根據(jù)黃河水利委員會文件《黃河河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目技術(shù)審查標準》及本橋防洪評價要求：“主河槽孔跨不小于50 m，灘地孔跨不小于30 m，主河槽孔跨應(yīng)與下游管線橋隔墩對孔布置”，并考慮下游管線橋孔跨為50 m簡支梁，橋位處河流治導(dǎo)線寬度約800 m，因此主橋孔跨布置形式為1 孔50 m+8 孔100 m+1 孔50 m。

根據(jù)國內(nèi)大跨橋梁設(shè)計和建造經(jīng)驗，滿足主橋孔跨布置的結(jié)構(gòu)形式較多，包括拱橋、T構(gòu)、剛構(gòu)連續(xù)梁、連續(xù)梁等。對上述橋型進行主橋橋式方案比選，見表2。

表2 主橋橋式方案比選

通過綜合對比結(jié)構(gòu)剛度、施工周期、景觀效果、工程造價等，設(shè)計推薦主橋采用1聯(lián)（50+8×100+50）m 連續(xù)梁，設(shè)1個固定墩，主橋孔跨布置見圖1。

圖1 主橋孔跨布置（單位：cm）

3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

（50+8×100+50）m連續(xù)梁梁體采用C50混凝土，箱梁截面采用單箱單室變高度直腹板箱形截面（圖2），中支點位置梁高6.6 m，跨中位置梁高3.2 m，箱梁頂寬10.3 m，底寬5.5 m，懸臂端部厚20 cm，懸臂根部厚65 cm。箱梁腹板厚43～80 cm，底板厚32～70 cm，頂板厚32 cm。頂板設(shè)90 cm × 30 cm 的梗肋，底板設(shè)30 cm×30 cm 的梗肋。中支點設(shè)置厚250 cm 中隔墻，中隔墻設(shè)220 cm×180 cm 的過人洞；梁端設(shè)厚150 cm橫隔墻，端隔墻設(shè)置150 cm×160 cm的過人洞。

圖2 箱梁橫斷面（單位：cm）

4 橋墩基礎(chǔ)設(shè)計

橋墩主墩采用直坡的圓端形實體墩，根據(jù)防洪評價結(jié)論，主河槽范圍內(nèi)局部沖刷最大深度達到16 m。為保證橋梁下部結(jié)構(gòu)整體具有足夠的縱向剛度，墩高12 m 及以下的橋墩尺寸為3.0 m（縱橋向）×7.0 m（橫橋向）；墩高大于12 m 的橋墩尺寸為3.4 m（縱橋向）×7.0 m（橫橋向）。主墩承臺均采用矩形承臺，固定主墩承臺尺寸為14.60 m×14.60 m×4.5 m，活動主墩承臺尺寸為10.60 m × 14.60 m×4.0 m。固定主墩采用16??1.5 m 鉆孔摩擦樁，樁長58 m，活動主墩采用12??1.5 m鉆孔摩擦樁，樁長60～67 m［2］。

5 抗震設(shè)計

采用合適的隔震措施是改善多跨連續(xù)梁橋固定墩承受過大地震力作用的有效方法［3-4］。該橋位于8度區(qū)，地震烈度高，為長聯(lián)大跨結(jié)構(gòu)。根據(jù)文獻［1］可知場地在多遇地震、設(shè)計地震和罕遇地震工況下的特征周期分別為0.53，0.65，0.92 s，橋梁結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)顯著。由于本橋主橋跨越大江大河，且修復(fù)困難，因此要求采用罕遇地震標準進行抗震設(shè)防［5］。

5.1 抗震措施

通過對比常用橋梁抗震措施［6-12］的特點，選擇適合該橋的抗震措施。

1）基于強度的抗震設(shè)計方案。在設(shè)計地震作用下，固定支座縱向剪力過大，支座設(shè)計困難，若采用基于強度的抗震設(shè)計方案，墩身和樁基礎(chǔ)設(shè)計困難，加大墩身結(jié)構(gòu)尺寸后地震效應(yīng)亦隨之增大，因此不推薦該方案。

2）速度鎖定器方案。在活動主墩上設(shè)置速度鎖定器，使活動支座在地震作用下發(fā)揮固定支座作用，與固定墩共同承受地震力。此種方式使得全橋縱向剛度增大，分配到固定墩和鎖定墩上的地震效應(yīng)較為平均，但鎖定裝置和支座設(shè)置困難，且需要進行延性設(shè)計?？紤]到河槽內(nèi)震后修復(fù)困難，因此不推薦該方案。

3）摩擦擺減隔震支座方案。當?shù)卣鹦?yīng)增大，固定支座限位銷釘被剪斷后，結(jié)構(gòu)縱向周期明顯延長，可避開罕遇地震效應(yīng)密集區(qū)，但墩梁相對位移較大。本橋試算最大墩梁相對位移達到81.7 cm，梁縫設(shè)置困難，因此不推薦該方案。

4）摩擦擺減隔震支座+黏滯阻尼器的組合減隔震方案。通過摩擦擺支座延長結(jié)構(gòu)周期避開了罕遇地震效應(yīng)密集區(qū)，通過在墩梁之間設(shè)置黏滯阻尼器控制墩梁相對位移使其在設(shè)計范圍內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。采用此方案，橋墩和樁基礎(chǔ)在罕遇地震下仍處于基本彈性狀態(tài)，降低了震后修復(fù)工作難度，經(jīng)濟和技術(shù)效益顯著。

5.2 摩擦擺支座和阻尼器參數(shù)

綜合考慮減隔震效果、阻尼器裝置的布置空間，主墩采用的摩擦擺支座下球面半徑為3.5 m，上平面摩擦副摩擦因數(shù)為0.01，下球面摩擦副摩擦因數(shù)為0.03。黏滯阻尼器速度的指數(shù)α取0.3，阻尼器噸位為160 t，每個主墩設(shè)置4 個黏滯阻尼器，阻尼系數(shù)C取2 000 kN∕（m·s-1）0.3。為了同時控制罕遇地震下橋梁縱橫向的墩梁相對位移，在水平面上阻尼器與縱橋向成45°布置。

5.3 阻尼器行程和平面轉(zhuǎn)角

在運營狀態(tài)下，梁部隨著環(huán)境溫度的升降而伸縮，阻尼器固定在梁底隨梁部縱向運動，除了要滿足抗震下最大墩梁相對位移30 cm 外，還要滿足梁體縱向運動引起的平面轉(zhuǎn)角。

該橋采用的160 t 阻尼器行程中線銷軸中心距為380 cm，以固定墩為中心，溫度聯(lián)長450 m，極限升降溫時梁長變化按照15 cm 保守取值。本文選取罕遇地震下2 個極限工況來確定阻尼器的行程：工況1，在極限升溫下（①支座位移最大），梁長伸長15 cm 狀態(tài)下發(fā)生罕遇地震，阻尼器須剩余30 cm 的行程方可保證其正常工作；工況2，在極限降溫下（②支座位移最大），梁長縮短15 cm 狀態(tài)下發(fā)生罕遇地震，阻尼器要有足夠的平面轉(zhuǎn)角能力方可保證其正常工作。阻尼器行程和平面轉(zhuǎn)角示意如圖3。

圖3 阻尼器行程和平面轉(zhuǎn)角示意（單位：cm）

由圖3可知：工況1中阻尼器最大長度為420.75 cm，行程為40.75 cm，設(shè)計選用阻尼器額定最大行程為±50.00 cm；工況2中阻尼器在銷軸軸線與阻尼軸線構(gòu)成的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動6.3°，設(shè)計選用轉(zhuǎn)動角度不小于±8°。

5.4 阻尼器布置形式

墩頂阻尼器布置平面見圖4。阻尼器一端錨固于橋墩支撐墊石外側(cè)，一端錨固于箱梁0 號段底板上。定位時要特別注意墩頂阻尼器的錨固位置，保證在阻尼器最大平面轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)不會撞擊支承墊石。阻尼器布置實景見圖5。

圖4 墩頂阻尼器布置平面（單位：cm）

圖5 阻尼器布置實景

6 主要計算結(jié)果

6.1 靜力計算結(jié)果

采用西南交通大學(xué)編制的橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS 平面有限元程序建立結(jié)構(gòu)的全橋模型進行縱向靜力計算，考慮結(jié)構(gòu)施工過程、體系轉(zhuǎn)化、結(jié)構(gòu)次內(nèi)力等影響因素，主梁結(jié)構(gòu)靜力計算結(jié)果見表3?？芍?，橋梁各項指標均滿足規(guī)范要求。

表3 主梁結(jié)構(gòu)靜力計算結(jié)果

6.2 抗震計算結(jié)果

采用MIDAS∕Civil 2015 建立結(jié)構(gòu)的全橋模型，采用摩擦擺隔震裝置和黏彈性消能器模擬支座和阻尼器進行非線性地震時程分析。

根據(jù)地震安全評估報告，輸入3 條50 年超越概率2%的水平加速度地震波進行罕遇地震的檢算。其中1條罕遇地震縱向時程波如圖6所示。

圖6 罕遇地震縱向時程波

罕遇地震作用下黏滯阻尼器輸出力和墩梁縱向相對位移見圖7?？芍?，罕遇地震下黏滯阻尼器噸位160 t 滿足抗震要求；采用減隔震支座+黏滯阻尼器組合減隔震措施，罕遇地震下墩梁相對位移可控制在30 cm以內(nèi)。

圖7 罕遇地震作用下黏滯阻尼器輸出力和墩梁縱向相對位移

6.3 動力仿真分析結(jié)果

由于該橋聯(lián)長達到900 m，大里程側(cè)接1 聯(lián)（60 +111 + 94 + 100 + 60）m 連續(xù)梁，因此應(yīng)對結(jié)構(gòu)進行車橋耦合動力仿真分析。當B2型車以60～120 km∕h速度通過2 聯(lián)連續(xù)梁時，車體的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內(nèi)。同時抬枕裝置的輪重減載率均未超限，且具有一定的安全余量，保證了列車的行車安全。B2型車以60～120 km∕h 速度通過時，連續(xù)梁舒適性等級達到“優(yōu)”。

7 大梁縫軌道措施

無縫線路設(shè)計一般優(yōu)先通過調(diào)整橋梁固定支座、減小橋梁溫度跨度的方式使各溫度跨度盡量均勻分布，達到不設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器就能使橋梁墩臺受力不至于過大的目的［13］?？紤]（60+111+94+100+60）m連續(xù)梁中后3 跨位于曲率半徑為800 m 的曲線上，無法設(shè)置軌道溫度調(diào)節(jié)器，所以固定墩設(shè)置在第2 個主墩上以保證溫度聯(lián)長不超過160 m。因此，2聯(lián)連續(xù)梁的連接墩位置溫度聯(lián)長達到450 + 60 + 111 + 94 =715 m，環(huán)境溫度變化引起的橋梁伸縮量約±230 mm。

為保證相鄰2聯(lián)連續(xù)梁在罕遇地震下梁端不發(fā)生碰撞，連接墩位置梁縫按照最不利（30+30）cm考慮。

連接墩位置梁縫（600±230）mm 處采用2 根鋼縱梁結(jié)構(gòu)抬枕裝置。當列車以不大于100 km∕h 的速度通過抬枕裝置時，過跨頻率不會激起抬枕裝置共振；車輛參數(shù)與車速耦合頻率不會激起抬枕裝置的共振。

抬枕裝置首制件經(jīng)過200 kN 最大垂向荷載靜載試驗、伸縮量為（600 + 300）mm（設(shè)備設(shè)計最大伸開量）工況200 萬次疲勞試驗、伸縮量為（600 + 230）mm（設(shè)計最大梁縫值）工況300 萬次疲勞試驗后，抬枕裝置伸縮正常，所有部件均未斷裂且表面均未產(chǎn)生裂紋，各部件應(yīng)力測試結(jié)果均小于材料的屈服強度，各部件動態(tài)變形指標均滿足安全性要求。大梁縫位置抬枕裝置試驗現(xiàn)場見圖8。

圖8 大梁縫位置抬枕裝置試驗現(xiàn)場

8 結(jié)語

西安機場城際鐵路渭河特大橋主橋在設(shè)計上采用了一系列關(guān)鍵技術(shù)，順利解決了長聯(lián)大跨結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計、阻尼器選型及布置、大梁縫位置軌道處理等技術(shù)難題。該橋于2016年6月開工，2017年12月全橋合龍。該橋的順利建成為高烈度地震區(qū)長聯(lián)大跨結(jié)構(gòu)的設(shè)計積累了一定的設(shè)計和施工經(jīng)驗，為陜西省首條城際鐵路高質(zhì)量高標準建成通車奠定了扎實的基礎(chǔ)。