高烈度區(qū)高速鐵路大跨度梁拱組合橋設(shè)計(jì)

張 揚(yáng)

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 概述

梁拱組合結(jié)構(gòu)以其跨越能力大、跨徑適應(yīng)能力強(qiáng)、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)備受橋梁工程師的青睞，近年來被廣泛應(yīng)用于高速鐵路橋梁中[1-3]。如京滬高速鐵路鎮(zhèn)江京杭運(yùn)河特大橋?yàn)?90+180+90) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁-拱橋，京津城際跨四環(huán)線為(60+128+60) m預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁-拱橋。梁拱組合結(jié)構(gòu)利用主梁承受彎矩和拉力，拱肋承受軸壓力，通過調(diào)整吊桿張拉力使主梁呈最優(yōu)受力狀態(tài)。這種橋式結(jié)構(gòu)不僅有效降低了主梁支點(diǎn)負(fù)彎矩和剪力的峰值，達(dá)到減小主梁截面高度、結(jié)構(gòu)輕型化的目的，還有效增大了混凝土梁橋的跨越能力，克服了拱橋?qū)Φ鼗蟾叩娜秉c(diǎn)。

隨著高速鐵路的迅猛發(fā)展，線路穿越高烈度地區(qū)不可避免，但我國現(xiàn)行公路及鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)此類橋梁結(jié)構(gòu)在地震高烈度區(qū)的適用性尚無具體規(guī)定。因此，有必要對(duì)高烈度區(qū)連續(xù)梁拱橋進(jìn)行抗震及減隔震設(shè)計(jì)研究，對(duì)制定相應(yīng)的抗震措施，保證橋梁的安全具有重要意義。以徐宿淮鹽鐵路徐洪河特大橋(100+200+100) m連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)橋梁為研究對(duì)象，對(duì)該橋整體力學(xué)性能、工后續(xù)變變形、地震反應(yīng)分析等設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行深入研究。

2 工程概況

徐宿淮鹽鐵路徐洪河特大橋位于江蘇省宿遷市，處于郯廬斷裂帶影響范圍內(nèi)，橋址區(qū)緊鄰徐沙河沙集船閘，船閘集農(nóng)田灌溉、交通航運(yùn)、泄洪功能為一體。為滿足徐沙河Ⅲ級(jí)航道通航要求，并減少對(duì)既有沙集船閘的影響，決定采用(100+200+100) m連續(xù)梁-拱跨越徐沙河。橋梁立面布置見圖1。

圖1 徐洪河特大橋立面布置(單位：cm)

本橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)線路情況：客運(yùn)專線，雙線線間距為4.6 m，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km，主橋平面位于直線段，立面為平坡。

(2)軌道類型：有砟軌道。

(3)設(shè)計(jì)活載：ZK活載。

(4)通航標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)劃通航等級(jí)為Ⅲ級(jí)，航道立交要求凈寬70 m，凈高7.5 m。

(5)地震烈度：根據(jù)徐洪河特大橋場地地震安全性評(píng)價(jià)結(jié)果，50年超越概率10%情況下(設(shè)計(jì)地震)最大地震動(dòng)峰值加速度為0.34g，地震動(dòng)反應(yīng)譜周期為0.75 s。

3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

3.1 主梁構(gòu)造

主梁采用單箱雙室、變高度、變截面預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。邊跨和跨中直線段梁高6.0 m，中支點(diǎn)處梁高12.0 m，梁底下緣按圓曲線變化；箱梁頂寬14.2 m，底寬12.0 m，在中支座處20 m范圍內(nèi)頂寬加寬至17.2 m，底寬加寬至15.2 m。主梁頂板厚43～56 cm，底板厚40～110 cm，按圓曲線變化至中支點(diǎn)梁根部，頂板及底板均在隔墻位置加厚。箱梁采用直腹板形式，腹板厚度為40～55～70 cm，按折線變化。全橋共設(shè)5道橫隔梁，邊支點(diǎn)隔墻厚1.8 m，中支點(diǎn)隔墻厚4.0 m，跨中隔墻厚0.8 m。主梁于吊桿處共設(shè)置20道吊點(diǎn)橫梁，吊點(diǎn)橫梁高分別為1.4 m和1.6 m，厚0.4 m。主梁支點(diǎn)及跨中截面構(gòu)造如圖2。

主梁共分91個(gè)梁段，梁拱結(jié)合部0號(hào)梁段長20.0 m，中跨合龍梁段長3.0 m，邊跨直線段長6.9 m，其余梁段長分為3.5 m、4.0 m、4.5 m、2.75 m。中支點(diǎn)及邊支點(diǎn)部分梁段采用支架現(xiàn)澆法施工，其余梁段均采用掛籃懸臂澆筑施工。

圖2 主梁斷面構(gòu)造(單位：cm)

3.2 縱向預(yù)應(yīng)力體系

主梁設(shè)縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向預(yù)應(yīng)力采用19-φj15.2 mm和15-φj15.2 mm兩種規(guī)格鋼絞線，均采用兩端張拉方式。橫向預(yù)應(yīng)力采用5-φj15.24 mm鋼絞線，順橋向間距0.5 cm，采用單端交錯(cuò)張拉方式。豎向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)為φ32 mm的高強(qiáng)精軋螺紋鋼，順橋向間距一般為0.5 m，采用二次張拉工藝。

3.3 拱肋構(gòu)造

拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨度為200 m，設(shè)計(jì)矢高為40.0 m，矢跨比為1/5，拱軸線采用二次拋物線，設(shè)計(jì)拱軸線方程為y=-1/250x2+0.8x。拱肋采用啞鈴形結(jié)構(gòu)，該截面具有足夠的縱、橫向剛度，且構(gòu)造簡單、施工方便。拱管直徑為1.2 m，管壁厚24 mm(并拱腳附近局部加厚)，拱管內(nèi)灌注C55補(bǔ)償收縮混凝土。上下拱管之間設(shè)置腹腔，腹腔寬0.80 m，壁厚20 mm。兩榀拱肋中心距為13.0 m，拱肋之間采用桁架式橫撐，各橫撐由4根φ600×14 mm主鋼管和32根φ300×12 mm連接鋼管組成，鋼管為空鋼管，內(nèi)部不填充混凝土。全橋共設(shè)置10道橫撐，橫撐間距為18 m，拱肋及橫撐斷面如圖3。

圖3 拱肋和橫撐斷面布置(單位：cm)

3.4 吊桿

全橋共設(shè)置20組雙吊桿，順橋向間距為9.0 m，吊桿采用PES(FD)7-61型低應(yīng)力防腐拉索，外套復(fù)合不銹鋼管，配套使用冷鑄鐓頭錨。吊桿上端穿過拱肋，錨于拱肋上緣張拉底座，下端錨于吊點(diǎn)翼緣與腹板相交處固定底座。吊桿索采用箱外“牛腿”的錨固形式。

3.5 支座體系

主梁采用雙曲面球形摩擦擺支座，各支點(diǎn)橫向設(shè)置2個(gè)支座，邊支座噸位12 500 kN，中支座噸位140 000 kN，支座橫向間距為10.0 m。

3.6 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該橋主墩基礎(chǔ)具有深基坑、超長群樁的特點(diǎn)，施工中采用雙臂鋼圍堰并設(shè)內(nèi)支撐。兩主墩均采用圓端形實(shí)體墩，主墩高9.0 m，順橋向長6.6 m，橫橋向長19.4 m，上承臺(tái)尺寸(順橋向×橫橋向×厚度)為10.0 m×20.6 m×2.5 m，中承臺(tái)尺寸為15.0 m×22.6 m×2.5 m，下承臺(tái)尺寸為24.2 m×29.4 m×4.0 m。主墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為30根φ2.0 m鉆孔灌注樁，樁長90 m。交接墩墩高10.4 m，墩身順橋向長4.5 m，橫橋向長15.0 m，單層承臺(tái)尺寸為10.6 m×18.6 m×3.5 m，交接墩采用15根φ1.5 m鉆孔灌注樁，樁長59 m。

4 主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 主梁靜力計(jì)算

靜力計(jì)算軟件為橋梁博士，全橋共劃分210個(gè)單元，根據(jù)擬定施工方法和步驟，按照平面桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析。計(jì)算模型考慮了鋼管混凝土實(shí)際形成過程，鋼管部分先期架設(shè)并參與受力，管內(nèi)混凝土達(dá)到強(qiáng)度后再參與受力。拱肋內(nèi)混凝土形成整體后，安裝吊桿，根據(jù)計(jì)算確定吊桿合理張拉順序和張拉力。每對(duì)雙吊桿初張力為100 kN，橋面系施工完畢后，調(diào)整吊桿索力至580～700 kN。

主梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)，呈全截面受壓狀態(tài)。ZK靜活載作用下，梁端最大轉(zhuǎn)角為0.640‰，“ZK靜活載+0.5倍溫度”作用下，主梁跨中最大撓度為48.4 mm，撓跨比為1/4611。全橋升溫25 ℃時(shí)，主梁梁端的縱向變形為75.25 mm、25.23 mm，主跨跨中最大上撓0.29 mm，拱頂上撓10.1 mm，主梁強(qiáng)度、剛度滿足規(guī)范要求。

4.2 徐變變形分析

隨著時(shí)間的增長，大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生持續(xù)變形，徐變變形引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，進(jìn)而造成橋梁幾何線形的改變，給高速鐵路軌道平順性帶來不利影響。本橋主跨達(dá)200 m，通過采取以下措施盡量減小徐變變形[4-5]。

(1)適當(dāng)延長加載齡期

在主梁懸臂澆筑施工時(shí)，混凝土加載齡期越大，則徐變終極值越??；隨著混凝土齡期的增長，其彈性模量也相應(yīng)提高，彈性變形減小。在不影響工期的前提下，合理的施加預(yù)應(yīng)力時(shí)間，是控制徐變變形的重要因素。本橋設(shè)計(jì)時(shí)懸灌澆筑段混凝土加載齡期要求強(qiáng)度、彈模達(dá)到設(shè)計(jì)值的100%，并不小于7d。

(2)控制主梁恒載應(yīng)力

混凝土梁的徐變與恒載作用下主梁上、下緣正應(yīng)力差值有關(guān)，差值越大，后期徐變變形也越大。本橋預(yù)應(yīng)力鋼束布置時(shí)，在充分考慮張拉錨固等構(gòu)造要求下，最大化增加預(yù)應(yīng)力鋼束偏心距，使二期恒載鋪設(shè)完成后，梁體截面上下緣應(yīng)力差控制在3.5 MPa左右。

(3)合理的剛度取值

根據(jù)線性徐變理論，徐變上拱的大小與施加預(yù)應(yīng)力時(shí)梁體的彈性模量有關(guān)，偏低的彈性模量會(huì)引起較大的徐變上拱，實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)保證混凝土強(qiáng)度、彈模均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。另外，適當(dāng)加大高跨比也可以提高設(shè)計(jì)剛度。徐洪河(100+200+100) m連續(xù)梁-拱設(shè)計(jì)時(shí)，梁體中支點(diǎn)和跨中高度分別采用12.0 m和6.0 m，通過適當(dāng)加大梁高的方式，限制了主梁跨中截面下緣預(yù)壓應(yīng)力水平，控制徐變變形。

本橋設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)混凝土收縮徐變的計(jì)算統(tǒng)一按照初應(yīng)變原理采用增量理論計(jì)算， 徐變系數(shù)按照橋博士計(jì)算程序自動(dòng)計(jì)算。二期恒載加載時(shí)間按照180 d計(jì)，成橋1 500 d、10年、35年后，主梁徐變變形對(duì)比見表1。

表1 主梁徐變變形結(jié)果

一般情況下，混凝土收縮徐變終極時(shí)間大多在3～5年，本橋徐變終極時(shí)間按照10年考慮。成橋10年主梁后期徐變變形邊、中跨差值最大分別為-7.1 mm和17.6 mm。

4.3 拱肋檢算

在拱肋未灌注混凝土前，主拱肋及橫向聯(lián)結(jié)系為完全的鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)按鋼結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行驗(yàn)算；拱肋灌注混凝土以后及在橋梁的長期運(yùn)營階段，為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。運(yùn)營階段拱肋鋼管最大壓應(yīng)力為149 MPa，管內(nèi)混凝土局部出現(xiàn)拉應(yīng)力為0.719 MPa。拱肋縱向穩(wěn)定系數(shù)為6.67，拱肋橫向穩(wěn)定系數(shù)為5.59，整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

4.4 吊桿計(jì)算

主力作用下，吊桿最大應(yīng)力為299 MPa，安全系數(shù)為5.58；“主力+附加力”作用下，吊桿最大應(yīng)力為333 MPa，安全系數(shù)為5.02?；钶d作用下，吊桿最大應(yīng)力變幅為125 MPa。

4.5 車橋動(dòng)力分析

對(duì)徐洪河特大橋進(jìn)行車橋耦合動(dòng)力仿真分析，在動(dòng)車組客車CRH2、CRH3以160～300 km/h速度通過時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)豎向最大位移為7.52 mm，橫向最大位移為0.62 mm，最大動(dòng)力響應(yīng)均小于規(guī)范限值；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)亦均在限值以內(nèi)；動(dòng)車和拖車的豎向、橫向舒適性均達(dá)到“優(yōu)”。

5 抗震計(jì)算分析

5.1 自振特性分析

動(dòng)力及抗震計(jì)算采用有限元分析軟件MIDAS Civil進(jìn)行，全橋共計(jì)682個(gè)節(jié)點(diǎn)、622個(gè)單元，梁及拱肋采用空間梁單元，吊桿采用空間桁架單元。根據(jù)有限元模型，對(duì)該橋進(jìn)行了自振特性及屈曲模態(tài)分析[6-8]，并且以此為基礎(chǔ)進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)計(jì)算，空間計(jì)算模型如圖4。

圖4 主橋空間計(jì)算模型

本橋成橋狀態(tài)動(dòng)力特性見表2，本橋第一階振型為拱面外彎曲，可見鋼管拱橋的面外剛度相對(duì)較小，易發(fā)生面外失穩(wěn)；本橋第一階屈曲模態(tài)為拱肋橫向?qū)ΨQ彎曲。

表2 成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

5.2 抗震計(jì)算

橋址區(qū)場地50年超越概率63.2%(多遇地震)、50 年超越概率10%(設(shè)計(jì)地震)、50年超越概率2%(罕遇地震)的地震動(dòng)參數(shù)取值見表3。由于屬于典型高烈度地區(qū)，應(yīng)根據(jù)場地安評(píng)報(bào)告進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。抗震驗(yàn)算時(shí)，采用梁單元模擬主梁、墩柱、承臺(tái)，采用6個(gè)自由度的彈簧剛度矩陣模擬樁基與土的相互作用，采用6彈簧單元模擬樁基礎(chǔ)，彈簧剛度數(shù)值根據(jù)“m”法確定。

表3 徐宿淮鹽跨徐沙河場地水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)

采用反應(yīng)譜法計(jì)算多遇地震下結(jié)構(gòu)響應(yīng)，設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜計(jì)算公式為

Sa(T)=Amaxβ(T)

(1)

(2)

式(1)和式(2)中，Amax為設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度，β(T)為設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度放大系數(shù)反應(yīng)譜，T為反應(yīng)譜周期，βm為放大系數(shù)反應(yīng)譜最大值，T1為第一拐點(diǎn)周期，Tg為反應(yīng)譜特征周期，式中各參數(shù)按表3取值。設(shè)計(jì)采用雙曲面摩擦擺支座，該支座設(shè)置剪切銷，剪切銷強(qiáng)度按1.05倍多遇地震水平剪力控制，多遇地震作用下墩底內(nèi)力見表4[9-10]。

表4 多遇地震作用下墩底內(nèi)力

在罕遇地震作用下，墩身和基礎(chǔ)需要承擔(dān)很大的水平力，為保證橋梁的正常運(yùn)營，采用雙曲面球形減隔震支座對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行減隔震[11-12]。建立本橋的非線性動(dòng)力分析模型，并考慮雙曲面減隔震支座減震效應(yīng)，在設(shè)計(jì)地震和罕遇地震作用下進(jìn)行減隔震分析。時(shí)程分析時(shí)，采用摩擦擺單元模擬雙曲面球型減隔震支座[13-16]，考慮地震作用下活動(dòng)支座滑動(dòng)摩擦效應(yīng)和雙曲面減隔震支座的非線性，減隔震支座計(jì)算參數(shù)見表5。

表5 雙曲面摩擦擺支座計(jì)算參數(shù)

設(shè)計(jì)地震作用下，各墩支座順橋向和橫向橋位移最大為27 cm。罕遇地震作用下，采用普通支座固定墩最大縱向彎矩為1 783 093 kN·m，采用減隔震支座后，中間墩最大彎矩為517 097 kN·m，減震率達(dá)71%，可見雙曲面球形減隔震支座具有較好的減震效果。

6 結(jié)語

以徐宿淮鹽線徐洪河特大橋(100+200+100) m連續(xù)梁拱為研究背景，對(duì)其進(jìn)行深入分析，得出以下結(jié)論。

(1)在設(shè)計(jì)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁拱橋時(shí)，可以通過適當(dāng)加大梁體截面尺寸、增加預(yù)應(yīng)力鋼束偏心距、選擇合理混凝土加載齡期、保證施工時(shí)混凝土彈性模量等措施有效控制梁體徐變變形。

(2)采用雙曲面摩擦擺支座可以延長結(jié)構(gòu)周期，有效削弱地震力作用，優(yōu)化制動(dòng)墩設(shè)計(jì)。