高速鐵路高墩橋梁橋式方案比較研究

鄭 偉,尹國(guó)偉

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 研究背景

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，并配合我國(guó)“一帶一路”倡議、交通強(qiáng)國(guó)等國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施，高速鐵路的建設(shè)不斷由平原向艱險(xiǎn)山區(qū)拓展，各類高墩大跨橋梁結(jié)構(gòu)陸續(xù)出現(xiàn)，對(duì)高墩大跨度橋梁的設(shè)計(jì)施工提出了新的挑戰(zhàn)。

吳再新等[1-2]依托渝利鐵路新橋特大橋和蔡家溝大橋的超百米高墩，提出了人型墩和A形墩的橋墩構(gòu)造，并取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。陳思孝等[3]對(duì)80～100 m墩高下墩型的適應(yīng)性展開研究，提出了不同墩型的最優(yōu)適用墩高，對(duì)墩型的合理選用具有指導(dǎo)意義。李宗建[4-5]依托黃韓侯鐵路縱目溝特大橋的105 m高墩，提出了新型柱板式空心墩，并對(duì)不同截面形式進(jìn)行了比選，新型橋墩可較傳統(tǒng)空心墩節(jié)省圬工20%以上，大幅降低工程造價(jià)。楊勇[6]對(duì)重載鐵路50～70 m墩高下，32～64 m跨度簡(jiǎn)支梁進(jìn)行比較，認(rèn)為64 m簡(jiǎn)支梁的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性均最優(yōu)。

新建襄陽至常德鐵路荊門西至五峰段為高速鐵路，是國(guó)家 “八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)之一的重要組成部分。其中五峰4號(hào)特大橋、磨市特大橋跨越山間寬闊谷地，最大墩高80 m，墩高50 m以上橋長(zhǎng)合計(jì)約900 m。依托該項(xiàng)目2座橋梁，開展高墩大跨度橋梁橋式方案及經(jīng)濟(jì)性研究。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)行車速度：350 km/h

正線數(shù)目：雙線

設(shè)計(jì)活載：ZK活載

軌道類型：無砟軌道

最小曲線半徑：5 500 m

3 梁部參數(shù)

根據(jù)山區(qū)鐵路橋梁的建設(shè)特點(diǎn)，選取常用移動(dòng)模架法施工的32、40、48、64 m跨度簡(jiǎn)支梁，及(40+64+40) m、(48+80+48) m、(60+100+60) m跨度的連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)3種梁型進(jìn)行橋式方案的比較研究。各梁型主要技術(shù)參數(shù)見表1，其中簡(jiǎn)支梁采用等截面單箱單室箱梁，連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)采用變截面變高度單箱單室箱梁，梁底下緣按二次拋物線變化，箱梁斷面見圖1～圖3。

圖1 32～48 m簡(jiǎn)支箱梁斷面(單位:cm)

表1 各梁型主要技術(shù)參數(shù) m

圖2 64 m簡(jiǎn)支箱梁斷面(單位:cm)

圖3 連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)箱梁斷面(單位:cm)

4 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 剛度限值及主要控制標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)高速鐵路采用跨區(qū)間無縫線路，故由于溫度變化、列車制動(dòng)等產(chǎn)生的鋼軌附加應(yīng)力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全影響較大[7-8]。橋梁下部結(jié)構(gòu)的縱向水平剛度主要受軌道強(qiáng)度和穩(wěn)定性及制動(dòng)力作用下梁軌相對(duì)位移兩方面因素控制[9-10]。

猜想1對(duì)于完全二分圖[2],完全正則多部圖[3],系列平行圖[4]和最大度Δ=3,4,5,6,10(見文獻(xiàn)[2,5-7])的正則圖已經(jīng)被證實(shí)是成立的。另外,對(duì)于所有的平面圖[8-9]猜想1也是成立的。近年,很多學(xué)者對(duì)最大度較高的平面圖能否得到一個(gè)具體的線性蔭度非常感興趣。其中Wu[8]證明了對(duì)于最大度Δ≥13的平面圖,la(G)=「Δ/2?。Cygan[10]等人證明了對(duì)于最大度Δ≥9的平面圖,la(G)=「Δ/2?,并且提出了猜想2。

TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中僅對(duì)48 m以下跨度簡(jiǎn)支梁的縱向水平線剛度提出了要求，未明確48 m以上跨度簡(jiǎn)支梁及連續(xù)梁的下部結(jié)構(gòu)剛度限值。綜合相關(guān)研究成果，擬定以上各跨度梁型的墩頂縱向水平線剛度限值見表2。

表2 各梁型墩頂縱向水平線剛度限值

4.2 橋墩選型

高速鐵路在墩高不高時(shí)簡(jiǎn)支梁及連續(xù)梁一般采用圓端形實(shí)體墩，連續(xù)剛構(gòu)主墩一般采用雙薄壁墩，其具有縱橋向抗推剛度小的特點(diǎn)，使縱橋向的容許位移增大，從而減小溫度作用和混凝土收縮徐變帶來的不利影響。

當(dāng)墩高在30～80 m時(shí)，一般采用單變坡空心墩，較為經(jīng)濟(jì)合理，在墩頂及墩底設(shè)置實(shí)體過渡段，可使支座反力較均勻地傳至墩壁，同時(shí)減少活載沖擊力對(duì)墩壁的影響，同時(shí)墩壁應(yīng)力能擴(kuò)大傳至基底，使基底應(yīng)力分布較均勻。

墩高在80～100 m時(shí)，通常采用二次放坡空心墩，橋墩下部坡度較緩以增大橫向剛度，上部坡度較陡以減少圬工量。

當(dāng)墩高超過100 m時(shí)，可采用墩身下部分岔的人字形空心墩，或人字分岔區(qū)增加橫向系梁的A字形空心墩。通過調(diào)整分岔斜腿的橫向間距來滿足橫向剛度要求。

4.3 下部結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)以上各梁型剛度限值及控制標(biāo)準(zhǔn)，擬定簡(jiǎn)支梁60～90 m橋墩及基礎(chǔ)尺寸并計(jì)算橋墩線剛度及墩頂彈性水平位移。

根據(jù)相關(guān)研究成果，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好時(shí)，單位力墩身位移占單位力總位移40%的情況下，橋墩和基礎(chǔ)總圬工量較省[20]，且剛度容易滿足，經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性最為合理。本次即按墩身剛度與基礎(chǔ)剛度比值約為6∶4擬定下部結(jié)構(gòu)尺寸。

簡(jiǎn)支梁及連續(xù)梁根據(jù)TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，縱向考慮制動(dòng)力及風(fēng)荷載，橫向考慮搖擺力、離心力、風(fēng)荷載及溫度力，檢算下部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性并統(tǒng)計(jì)工程量。由于不同地震動(dòng)水準(zhǔn)下橋墩及基礎(chǔ)尺寸差異較大，故擬定結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)未考慮地震力荷載。

橋墩均采用圓端形單變坡空心墩，頂部壁厚0.55～0.9 m，外側(cè)坡度(25∶1)～(35∶1)，內(nèi)側(cè)坡度(50∶1)～(60∶1)，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋墩構(gòu)造見圖4，下部結(jié)構(gòu)尺寸及墩頂縱向剛度見表3。

圖4 簡(jiǎn)支梁及連續(xù)梁橋墩構(gòu)造圖

表3 簡(jiǎn)支梁下部構(gòu)造及主要技術(shù)參數(shù)

連續(xù)剛構(gòu)梁型采用Midas civil 2020軟件建立全橋模型，邊墩按與相同跨度剛構(gòu)相接考慮，縱橫向荷載同簡(jiǎn)支梁及連續(xù)梁，僅考慮常規(guī)力作用下荷載。橋墩采用矩形空心墩，墩壁縱向等厚為1.0 m，墩頂橫向壁厚0.7 m，橫向外坡坡度為22∶1～30∶1，內(nèi)坡坡度為30∶1～40∶1，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。計(jì)算剛構(gòu)下部結(jié)構(gòu)剛度及變形并統(tǒng)計(jì)工程量。橋墩構(gòu)造見圖5，下部結(jié)構(gòu)尺寸及墩頂縱向剛度見表4。

表4 連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)下部構(gòu)造及主要技術(shù)參數(shù)

圖5 連續(xù)剛構(gòu)主墩構(gòu)造

5 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

由于梁部不同施工方法下工程投資的差異較大，故簡(jiǎn)支梁按移動(dòng)模架現(xiàn)澆法施工，連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)按掛籃懸澆法施工，據(jù)此計(jì)算各墩高下的工程投資。根據(jù)計(jì)算所得簡(jiǎn)支梁下部結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)比分析不同墩高下各簡(jiǎn)支梁的每延米工程投資見圖6。

由圖6可知，相同墩高下，每延米工程投資隨跨度增大而降低；相同跨度下，工程投資隨墩高增大而增加。

圖6 簡(jiǎn)支梁每延米經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

由于高墩橋梁常存在于“V”形山谷處，谷底處墩高較高，兩側(cè)山坡墩高較低，故選擇橋式方案時(shí)，可選擇較大跨度的簡(jiǎn)支梁，減少谷底的高墩數(shù)量，從而節(jié)省投資。

對(duì)比分析不同墩高下連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)橋梁的每延米工程投資見圖7。相同墩高及跨度下，連續(xù)梁與連續(xù)剛構(gòu)的造價(jià)比為1.5～2.2。因此，大跨度混凝土連續(xù)結(jié)構(gòu)橋梁采用連續(xù)剛構(gòu)，主體工程數(shù)量較連續(xù)梁更省，同時(shí)采用連續(xù)剛構(gòu)體系可省去大噸位支座及其養(yǎng)護(hù)維修和更換費(fèi)用。

圖7 連續(xù)梁各梁型每延米經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

綜合各梁型每延米工程投資見圖8，由圖8可知，相比連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)，小跨度簡(jiǎn)支梁由于跨度較小，橋墩數(shù)量較多，故工程投資更高，相同墩高下投資為連續(xù)剛構(gòu)的2～2.7倍。因此，選擇橋式方案時(shí)，采用更大跨度梁型，減少高墩數(shù)量，降低平均墩高的方案更經(jīng)濟(jì)合理。

圖8 各梁型每延米經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

6 結(jié)論

隨著山區(qū)高速鐵路的發(fā)展建設(shè)，對(duì)橋梁跨越能力的要求越來越高，需要增加橋梁跨度、橋墩高度來跨越障礙。只有不斷加深對(duì)各種橋式的研究，選擇經(jīng)濟(jì)合理的橋式方案，才能取得更好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

通過對(duì)不同跨度類型的高墩經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行比較研究，提出了高速鐵路高墩橋梁經(jīng)濟(jì)合理的橋式方案及跨度建議，并得出如下結(jié)論。

(1)相同墩高條件下，采用更大跨度的簡(jiǎn)支梁工程投資更省。

(2)相同墩高及跨度條件下采用連續(xù)剛構(gòu)工程投資較連續(xù)梁更省，更經(jīng)濟(jì)合理。

(3)對(duì)比分析簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)橋梁的每延米工程投資，相同墩高條件下采用連續(xù)剛構(gòu)橋梁的工程投資更省，且采用更大跨度梁型，相應(yīng)降低墩高的方案更經(jīng)濟(jì)合理。