公跨鐵2×65mT構轉體橋梁設計與荷載敏感性分析

董月龍

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 工程概況

橋址位于河南省洛陽市，玻璃廠路下行匝道采用2×65 m預應力混凝土T 構轉體施工跨越隴海鐵路等7 條鐵路線[1]。公路與鐵路交叉角度100°，成交狀態(tài)凈距，7 號橋墩下承臺邊緣距西遷出線中心最小距離6.65 m，7 號橋墩鋼板樁邊緣距西遷出線中心最小距離5.40 m，8 號橋墩下承臺邊緣距機車折返3線中心最小距離8.33m，8 號橋墩挖孔樁邊緣距機車折返3 線中心最小距離5.92 m，圖1為橋址面布置。圖2為橋型布置圖。

隴海鐵路為國鐵Ⅰ級客貨共線雙線電氣化鐵路，本區(qū)間設計速度90 km/h。本項目跨越隴海鐵路處共7 股道，從北往南依次為洛陽機車折返段3 股道、隴海貨運線1 股道、隴海區(qū)間正線2 股道和遷出線1 股道。

標準橫斷面為單向兩車道，標準段橋寬9.2 m，主橋橫斷面布置：9.2 m 單向兩車道=0.6 m(HA 級防撞墻）+0.5 m(路緣安全帶）+3.5 m×2(兩車道）+0.5 m(路緣安全帶）+0.6 m(HA 級防撞墻），圖3為橋面布置圖。

2 主要技術標準及設計參數(shù)[2-4]

1）荷載標準：城-A 級，提高30%。

2）道路等級：城市主干道匝道，單向兩車道，設計行車速度30～40 km/h。

3）結構設計基準期：100年。

4）設計安全等級：一級。

5）鐵路限界：隴海鐵路凈高≥7.96 m，西遷出線及機車折返段鐵路凈高≥6.55 m。

6）路面橫坡：單向1.5%～2%變化。

7）一期恒載：主梁自重，按結構實際截面尺寸計入，取26 kN/m3；二期恒載：二期恒載包括防水層、瀝青、防護屏、防護欄等附屬設施重量。瀝青：19.37 kN/m； 調平層：16.14 kN/m；HA 防撞墻：25.50 kN/m(兩側）；防護屏：5 kN/m(兩側）。

8）橋墩不均勻沉降:邊墩按10 mm 考慮，主墩按20 mm計算。

9）全橋梯度溫度：采用14℃～5.5℃～0℃和-7℃～-2.75℃～0℃考慮。

10）全橋整體升溫25 ℃，整體降溫25 ℃。

3 主橋設計要點

3.1 上部結構設計

上部結構采用單箱單室直腹板箱形截面； 沿箱梁結構中心線中支點處梁高7.0 m，邊支點等高段梁高3.5 m，等高段長4.95 m；其余梁底線形按圓曲線變化。箱梁頂板寬10.7～9.2 m，底板寬5.8 m。兩側懸臂長度為2.45～1.7 m；懸臂板端部厚0.3 m，根部厚0.5 m，距離端部1.7～2.45 m 位置懸臂厚度為0.3 m(懸臂端等厚加寬）；箱梁頂板厚0.28～0.5 m，中支點和邊支點處分別增至0.85～0.55 m；底板厚度為0.25～0.9 m，中支點和邊支點處分別增至1.5 m、0.55 m；腹板厚度為0.5～0.8 m，中支點和邊支點處分別增至1.1 m、0.8 m。中支點處對應墩身設置中橫梁，厚為3.6 m，邊支點處端橫梁厚1.5 m。圖4為箱梁橫斷面布置。

梁體梁頂和梁底保持水平，通過整體箱梁剛性扭轉形成橋面橫坡。橋面橫坡與道路橫坡保持一致，為1.5%～2%單向坡。

該橋與部分國內同類公路橋梁細部尺寸及用料指標比較列于表1[5-7]。

表1 某橋與部分國內同類公路橋梁上部結構主要指標比較表

3.2 下部結構設計

中墩為墩梁固結箱形實體截面，墩身縱橫向尺寸為3.6 m×5.8 m，直坡。主墩采用9 根φ1.5 m 鉆孔灌注樁基礎，按摩擦樁設計。承臺分上下兩層，上承臺兼做轉體支座的上轉盤，上承臺縱橫向尺寸為8.6 m×8.6 m，高2.0 m，下承臺縱橫向尺寸為10.5 m×10.5 m，高3.5 m，轉體施工完畢后，用C50 微膨脹混凝土封閉轉體支座。邊墩為花瓶式實體墩，墩身縱橫向尺寸為1.8 m×3.9 m，直坡，承臺縱橫向尺寸為5.7 m×5.7 m，高2.0 m，樁基為4 根φ1.2m 的鉆孔樁，按摩擦樁設計。

4 結構分析計算

4.1 設計材料

主梁采用C55 混凝土，按部分預應力混凝土A 類構件設計。橋墩、承臺采用C50 混凝土，樁采用水下C30 混凝土，防撞護欄采用C40 混凝土。

預應力體系： 縱向預應力采用φs15.2 mm 高強度低松弛預應力鋼絞線，彈性模量：1.95×105MPa，標準強度：1 860 MPa，抗拉強度設計值：1 260 MPa，鋼絞線松弛系數(shù)：0.3，孔道偏差系數(shù)：0.001 5，孔道摩阻系數(shù)：0.23，錨具變形及鋼束回縮每端按6 mm 計，波紋管均采用金屬波紋管。腹板豎向預應力采用直徑32 mm 預應力混凝土用螺紋鋼筋，抗拉標準強度930 MPa，錨下張拉控制應力697.5 MPa，彈性模量E=2.0×105MPa，鐵皮管成孔，以50 cm 間隔布置在A0和A1節(jié)段，每一節(jié)段靠近施工接頭的最后一根頂板豎向預應力束待下一節(jié)段澆筑完成后再張拉，豎向預應力混凝土用螺紋鋼筋施工中應采用低回縮張拉體系施工并采用二次張拉工藝，豎向預應力孔道注漿采用回縮灌漿料灌漿工藝。墩梁固結處縱豎向鋼束布置見圖5。

4.2 結構模型

利用有限元計算軟件橋梁博士V4.0.2，模型采用平面桿系單元，對橋梁結構在各個施工階段進行分析，將箱梁結構縱橋向劃分為70 個單元，71 個節(jié)點；梁按節(jié)段現(xiàn)澆施工，共分為4 個施工段，各節(jié)段長度分別為A0=20 m、A1=12 m、A2=12 m、A3=26 m、A4=4.95 m，模型見圖6。

計算得到持久狀況承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)；持久狀況構件應力。

4.3 箱梁計算結果

箱梁計算結果均滿足計算要求，詳見表2。

表2 計算結果匯總表

4.4 箱梁各分項荷載作用敏感性分析

計算的分項荷載包括恒載、預應力、汽車活載、整體升降溫、梯度升降溫、收縮、徐變及基礎不均勻沉降，各分項荷載作用下結構內力見表3[8-10]。

表3 各分項荷載作用下結構內力匯總表

根據(jù)表3進行敏感性分析，對于主梁縱橋向的彎矩，恒載是最主要的荷載作用，預應力是最主要的抗力，汽車荷載是次要敏感性荷載，溫度、收縮徐變和基礎不均勻沉降的影響均較小。

5 結論

1）轉體橋梁應滿足鐵路建筑限界、線路既有設備安全、路基邊坡穩(wěn)定等要求選取合理的橋梁結構類型及施工方法。

2）上部結構計算各項指標均滿足規(guī)范要求，且本橋已運營通車，全橋工作狀態(tài)良好。

3）恒載是影響結構受力的最主要敏感因素，活載是次主要敏感因素，溫度、收縮徐變和基礎不均勻沉降的影響均較小。

6 展望

1）本橋高跨比較同類橋梁較大，分析原因可能與本橋橋面較窄有關，下一步將分析同孔徑不同橋寬的指標及內力進行分析研究。

2）在本橋前期設計計算過程中由于多次計算通不過，經(jīng)過幾次梁高增加調整，分析可能是由于橋面較窄，重力集成較大，且溫度、收縮徐變等對計算分析有一定影響，下一步將對Midas 和橋梁博士分析數(shù)據(jù)進行對比研究，并對同孔徑不同橋寬設計進行研究對比，從而得出關鍵控制因素。