地基對鐵路A型超高墩剛構(gòu)連續(xù)梁橋的受力影響研究

鐘亞偉，陳思孝，李　銳

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都　610031)

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地基對鐵路A型超高墩剛構(gòu)連續(xù)梁橋的受力影響研究

鐘亞偉，陳思孝，李銳

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都610031)

摘要：為滿足鐵路橋梁的動(dòng)力特性要求，同時(shí)節(jié)省橋墩圬工量，首次將A型橋墩應(yīng)用于渝利線蔡家溝雙線特大橋中。本橋?yàn)?80+3×144+80)m剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋，剛構(gòu)墩采用A型橋墩、三墩固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式，墩高最高達(dá)139 m。針對A型超高橋墩的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，根據(jù)地質(zhì)條件，計(jì)算分析采用合理的橋墩基礎(chǔ)形式，并分析其對A型超高墩剛構(gòu)-連續(xù)組合橋的剛度及靜、動(dòng)力特性的影響。結(jié)果表明，3種承臺結(jié)構(gòu)形式的橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性均滿足要求，但墩底內(nèi)力差異較大，同時(shí)當(dāng)巖石地基極限抗壓強(qiáng)度R>4 MPa時(shí)，巖石豎向地基系數(shù)取值的變化對結(jié)構(gòu)自振周期的影響較小。

關(guān)鍵詞：鐵路橋；A型墩；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；剛度；動(dòng)力特性

1概述

隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的飛速發(fā)展，高墩大跨混凝土連續(xù)結(jié)構(gòu)橋不斷涌現(xiàn)。由于鐵路橋梁橫向剛度限制，墩高大于100 m左右的鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋墩一般采用掃帚形空心墩，橫向放坡，縱向放坡或不放坡[1-4]。這種掃帚形空心墩，造型單調(diào)，形式簡單，僅在橋墩承載安全性和使用性能加以考慮，混凝土用量大，墩身及基礎(chǔ)橫向尺寸大，對于艱險(xiǎn)山區(qū)地形縱橫向較陡處，開挖量大，對自然坡面破壞影響較大。隨著速度及大跨超墩高的增加，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的高墩結(jié)構(gòu)形式，為滿足高速行車時(shí)橋梁的動(dòng)力性能，墩身混凝土用量成幾何級數(shù)增大，工程造價(jià)很高。為滿足橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能，同時(shí)節(jié)約橋墩圬工量，將A型超高墩應(yīng)用于連續(xù)梁橋中。同時(shí)，剛構(gòu)-連續(xù)梁橋兼顧了連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋兩者的優(yōu)點(diǎn)而摒棄了兩者的缺點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)受力、使用性能等方面具有一定的優(yōu)越性[5]，在高墩大跨結(jié)構(gòu)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。墩身與基礎(chǔ)的組合抗推剛度對剛構(gòu)-連續(xù)梁橋的受力有一定的影響，因此為指導(dǎo)A型超高橋墩剛構(gòu)-連續(xù)梁橋的設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)的安全，研究地基特性及根據(jù)地基特性選用不同的基礎(chǔ)形式對其的受力影響尤為重要。

2工程概況

蔡家溝雙線特大橋是渝利鐵路的一座高墩大跨雙線鐵路橋梁。主橋跨越蔡家溝，蔡家溝溝谷深切，地形高差很大，溝谷呈U字形，孔跨布置受地形控制。由于線路高程與溝底高程相差大，且U形谷谷底較寬，因此主橋需采用高墩大跨方案，同時(shí)結(jié)合鐵路橋梁的荷載特點(diǎn)及剛度要求，主橋孔跨布置為(80+3×144+80) m，采用三墩(22號～24號墩)固結(jié)的預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合梁，其主橋孔跨布置見圖1。

圖1　蔡家溝雙線特大橋剛構(gòu)連續(xù)梁總體布置(單位：cm)

圖2　A型橋墩示意

本橋墩高最高達(dá)139.0 m，為滿足結(jié)構(gòu)受力要求，同時(shí)節(jié)約工程投資，本橋剛構(gòu)墩22號、23號墩采用A型橋墩，24號墩采用人型(較A型墩少兩支腿間的系梁)橋墩。A型橋墩構(gòu)造見圖2。

3橋址地質(zhì)概況

橋址位于低山區(qū)，地面高程160～360 m，相對高差達(dá)150～200 m，橋址區(qū)多為水田、旱地和坡地，植被一般，橋下地勢起伏較大，覆土較薄。上覆第四系人工填土層(Q4ml)、坡洪積層(Q4dl+pl)、坡殘積層(Q4dl+el)、坡崩積層(Q4dl+col)；下伏侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)泥巖夾砂巖、砂巖，侏羅系中統(tǒng)下沙溪廟組(J2xs)泥巖夾砂巖、砂巖，侏羅系中統(tǒng)新田溝組(J2x)頁巖、泥巖夾砂巖、砂巖，侏羅系中下統(tǒng)自流井組(J1-2z)頁巖、泥巖夾砂巖及泥灰?guī)r、侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組(J1z)泥巖夾砂巖，基本承載力500 kPa。橋位處地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

4A型橋墩基礎(chǔ)形式研究

A型橋墩與傳統(tǒng)橋墩的區(qū)別在于A型橋墩的斜腿對承臺有較大的水平分力作用，使得承臺既承擔(dān)樁基沖切作用，同時(shí)也是A型橋墩斜腿的系梁，其受力較一般空心墩承臺受力更為復(fù)雜。針對具體的橋梁結(jié)構(gòu)形式及橋址處的地質(zhì)條件應(yīng)做專項(xiàng)研究。一般A型橋墩基礎(chǔ)有整體式承臺、分離式承臺及組合式承臺3種形式，如圖3所示。

圖3　A型橋墩承臺結(jié)構(gòu)形式

組合式承臺為在A型橋墩兩支腿下分別設(shè)置承臺，兩承臺間用混凝土系梁連接，為抵抗A型橋墩在墩底產(chǎn)生的水平分力，在系梁及承臺內(nèi)可設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束。分離式及整體式承臺均只改變系梁處設(shè)計(jì)，其他構(gòu)造不變——分離式承臺在組合式承臺的基礎(chǔ)上取消系梁及系梁預(yù)應(yīng)力鋼束；整體式承臺在組合式承臺的基礎(chǔ)上取消系梁內(nèi)鋼絞線，同時(shí)將系梁尺寸加大至與承臺尺寸一致。

5計(jì)算分析

5.1有限元模型

有限元模型的建立，是對大跨橋梁空間結(jié)構(gòu)靜力及動(dòng)力特性分析的首要步驟，它的合理與否對分析的有效性和可靠性有全局性的影響。在動(dòng)力學(xué)問題中，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

(2)

求解該方程，可以解出系統(tǒng)的固有頻率和固有振型，因此又稱方程(2)為系統(tǒng)的動(dòng)力特性方程。從該方程可以看出，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性主要由結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度決定。同時(shí)，對于高墩結(jié)構(gòu)，墩身除需滿足強(qiáng)度、彎曲穩(wěn)定等，還應(yīng)考慮墩頂水平剛度的要求，墩身和基礎(chǔ)必須有足夠的剛度且墩身和基礎(chǔ)的剛度比應(yīng)合理，否則會(huì)造成圬工用量的增大。采用大型通用有限元軟件MIDAS/Civil進(jìn)行建模分析計(jì)算，在結(jié)構(gòu)質(zhì)量一定的情況下，研究不同的基礎(chǔ)形式對結(jié)構(gòu)剛度的影響。全橋有限元模型如圖4所示。

圖4　蔡家溝雙線特大橋有限元模型

5.2承臺形式對結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響

對于鐵路橋梁而言，橋墩結(jié)構(gòu)不僅直接承受從上部結(jié)構(gòu)傳遞而來的豎向力，而且必須保證列車過橋時(shí)全橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)滿足要求。本橋22號～24號剛構(gòu)墩墩高分別為136.0、139.0 m和97.5 m，承臺橫向?qū)挿謩e為59.4、61.11 m和35 m。將24號墩按整體承臺考慮，22號、23號墩按組合式、分離式及整體式承臺考慮，研究其承臺形式對結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響。其計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　自振周期計(jì)算結(jié)果

從本橋前5階自振周期及振型可以看出，3種承臺結(jié)構(gòu)形式的振型一致，周期略有差異。如前承臺結(jié)構(gòu)形式所示，承臺剛度分別為整體式>組合式>分離式，因此結(jié)構(gòu)的頻率變化為分離式<組合式<整體式，由于以上3種承臺形式的剛度差異較小，因此結(jié)構(gòu)的自振周期差異也較小。3種承臺形式的結(jié)構(gòu)自振周期均滿足南昆鐵路四橋設(shè)計(jì)的要求(鐵道部建鑒[1992]93號文“關(guān)于南昆線四座大橋橫向剛度的補(bǔ)充技術(shù)要求”)，即橫橋向第1階振型的自振周期T≤1.7 s。

5.3承臺形式對墩底內(nèi)力及基礎(chǔ)的影響

與一般空心墩基礎(chǔ)工程相比，A型墩基礎(chǔ)受力特點(diǎn)除包含一般空心墩基礎(chǔ)工程的所有特性外，由于支腿的存在，又有其獨(dú)特的力學(xué)特點(diǎn)，主要表現(xiàn)如下。

(1)A型墩傾斜的支腿對承臺頂面產(chǎn)生較大的水平推力。該水平力使得承臺承受較大的橫向水平拉力，由于承臺同時(shí)承受上部結(jié)構(gòu)傳遞的豎向壓力，對于大跨高墩梁橋，還需承受縱向水平力和縱向彎矩，使得承臺呈現(xiàn)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。

(2)A型墩基礎(chǔ)工程樁基布置需綜合考慮支腿截面尺寸及承臺受力特點(diǎn)(支腿傾斜角度)等因素。由于承臺三維受力特點(diǎn)，不適宜再將承臺視為完全剛性，導(dǎo)致各樁基礎(chǔ)頂面(承臺底面)受力不均。

(3)根據(jù)承臺設(shè)計(jì)的不同，A型墩樁基礎(chǔ)可能承受較大的水平推力，對基礎(chǔ)承載力有較高要求，必須根據(jù)不同的地質(zhì)條件選用適宜的承臺結(jié)構(gòu)形式并研究其對A型墩受力的影響。

如前，將22號、23號墩按組合式、分離式及整體式承臺考慮，研究其承臺形式對墩底內(nèi)力及基礎(chǔ)的影響。以23號墩為例，其內(nèi)力見表2。以此內(nèi)力進(jìn)行樁基礎(chǔ)計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如表3所示。

樁基計(jì)算時(shí)，3種承臺基礎(chǔ)均采用32根φ2.5 m的鉆孔樁。從表2和表3可看出，組合式承臺基礎(chǔ)相比分離式基礎(chǔ)，其橫向水平力最大可減少約60%，基底橫向彎矩也能顯著降低，從而降低了組合式承臺基礎(chǔ)的樁基工程圬工量及減小了樁基的受力，同時(shí)也反映出組合式承臺對基礎(chǔ)地質(zhì)條件的要求較分離式承臺低，在地質(zhì)條件一般或較差時(shí)有較好的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢；分離式基礎(chǔ)因A型橋墩支腿的橫向水平力較大，樁基需承受較大的水平推力，因此樁側(cè)土壓力較大，在地質(zhì)條件較差處采用時(shí)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)很困難，只有在地質(zhì)條件較好的情況下才有優(yōu)勢，尤其在橫坡較陡，需設(shè)置不等高基礎(chǔ)時(shí)優(yōu)勢更明顯；整體式基礎(chǔ)將兩支腿連成一個(gè)整體，平衡兩支腿底部較大的橫向彎矩和橫向水平力，簡化了基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了基礎(chǔ)的整體性，樁基受力較好，降低了基礎(chǔ)對地質(zhì)條件的要求，在較差的地質(zhì)條件下有很突出的優(yōu)勢，缺點(diǎn)在于基礎(chǔ)體量過大，施工中的混凝土灌筑、施工質(zhì)量控制及設(shè)備投入量方面存在一定困難，因此整體式基礎(chǔ)比較適合體量不大、地質(zhì)條件很差且地形變化平緩的地方。

表2　3種承臺基礎(chǔ)的基底內(nèi)力

表3　3種承臺基礎(chǔ)樁基計(jì)算結(jié)果

5.4巖石地基對結(jié)構(gòu)自振特性的影響

巖石地基對基礎(chǔ)的作用考慮與否及其彈性抗力系數(shù)取值大小，對剛構(gòu)-連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果有一定影響。目前鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中，根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度，給出了相應(yīng)巖石地基彈性抗力系數(shù)的取值范圍，但沒有給出對應(yīng)的、確定的數(shù)值。在規(guī)范規(guī)定取值范圍內(nèi)，彈性抗力系數(shù)對結(jié)構(gòu)自振特性的影響以及影響程度，規(guī)范未作具體說明，相關(guān)資料又很少，同時(shí)也缺乏有關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為充分了解巖石地基對A型橋墩剛構(gòu)-連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響，準(zhǔn)確掌握結(jié)構(gòu)自振特性對巖石地基彈性抗力系數(shù)取值的敏感程度，本橋設(shè)計(jì)工作中，就此進(jìn)行了一些探討。

如前所述，整體式、分離式及組合式承臺型式對本橋的自振影響區(qū)別較小，同時(shí)對此3種承臺結(jié)構(gòu)形式的墩底內(nèi)力及樁基礎(chǔ)計(jì)算分析，組合式承臺結(jié)構(gòu)形式用于此橋較合適，因此采用組合式承臺結(jié)構(gòu)形式對本橋巖石地基彈性抗力系數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振特性影響分析。

根據(jù)基巖不同極限抗壓強(qiáng)度(1～25 MPa)，選取相應(yīng)巖石豎向地基系數(shù)(300～15 000 MPa/m)，分別計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期，結(jié)果見圖5。

計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)巖石地基極限抗壓強(qiáng)度R≤4 MPa時(shí)，A型橋墩剛構(gòu)-連續(xù)橋梁結(jié)構(gòu)自振周期對巖石豎向地基系數(shù)取值的敏感性較強(qiáng)，當(dāng)巖石地基極限抗壓強(qiáng)度R>4 MPa時(shí)，其敏感性逐漸降低。根據(jù)本橋地質(zhì)情況，巖石地基極限抗壓強(qiáng)度為5 MPa，因此，本橋巖石豎向地基系數(shù)取值的變化，對橋梁結(jié)構(gòu)自振周期計(jì)算結(jié)果影響很小。

圖5　基巖不同極限抗壓強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)自振周期的影響曲線

6結(jié)論

蔡家溝雙線特大橋是渝利鐵路上關(guān)鍵工程之一，最高墩墩高達(dá)139.0 m。本橋首次將A型超高墩應(yīng)用于剛構(gòu)連續(xù)梁中。根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特征及地基條件，研究分析整體式、分離式及組合式承臺結(jié)構(gòu)形式對本橋靜、動(dòng)力受力特性的影響，得到以下結(jié)論。

(1)本橋采用以上3種承臺結(jié)構(gòu)形式，其自振周期的差異較小，說明承臺結(jié)構(gòu)形式對本橋的自振特性敏感性較小，結(jié)構(gòu)自振特性計(jì)算結(jié)果均能滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

(2)不同的承臺結(jié)構(gòu)形式對墩底內(nèi)力影響較大。需根據(jù)橋址處的地質(zhì)條件選用合適的承臺結(jié)構(gòu)形式。

(3)在鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的巖石豎向地基系數(shù)取值范圍內(nèi)，當(dāng)巖石地基極限抗壓強(qiáng)度R>4 MPa時(shí)，巖石豎向地基系數(shù)取值的變化對結(jié)構(gòu)自振周期的影響較小。

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Study on Influences of Foundation on Rigid Frame Continuous Girders with A-type Super High Pier

ZHONG Ya-wei， CHEN Si-xiao， LI Rui

(China Railway Eryuan Engineering Group Co，. Ltd.， Chengdu 610031， China)

Abstract：To meet the requirements for the dynamic performance of railway bridge and save the mason work of concrete pier， A-type super high pier was used the first time in Caijiagou double-line extra-long bridge of Chongqing-Lichuan railway. This bridge is constructed with three A-type fixed-pier and rigid frame continuous girders (80+3×144+80)m. The highest pier is 139m. In view of the bearing characteristics of A-type super high pier and geological conditions of the bridge site， the proper type of pier foundation is calculated and selected. In addition， the influence of pier foundation on rigidity， static and dynamic characteristics of the bridge is analyzed. The results show that the dynamic characteristics of the meets the requirements， but the effects of pier bottom’s internal force differ greatly. The impact of the vertical foundation coefficient on the structural self-vibration cycle is smaller where the limit of rock foundation compression stress R is over 4MPa.

Key words：Railway bridge; A-type pier; Foundation design; Rigidity; Dynamic characteristics

中圖分類號：U448.21+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.015

文章編號：1004-2954(2015)04-0053-05

作者簡介：鐘亞偉(1981—)，男，高級工程師，2006年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：zyw_tey@163.com。

基金項(xiàng)目：鐵道部科技研發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目(2010G016-D)

收稿日期：2014-06-11； 修回日期：2014-07-16