左家強(qiáng)

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300142)

1 概述

1.1 橋址自然條件

前王家山2號(hào)大橋位于陜西省吳堡縣前王家山村附近，為跨越307國道及張家鄢溝而設(shè)[1]。307國道即岐(口)銀(川)公路，橋位處公路寬7 m，立交要求預(yù)留寬度16 m。張家鄢溝為較典型的陜北黃土高原沖溝，溝道曲折，河床縱坡大，平時(shí)無水，雨季洪水來勢(shì)兇猛，歷時(shí)短。兩側(cè)山勢(shì)陡峻，溝底基巖出露，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜。橋址處地震動(dòng)峰加速度為0.05g，地震基本烈度為六度，土壤最大凍結(jié)深度1.2 m。

地區(qū)多年平均降水量在350～493 mm。氣溫變化較大，最冷月平均氣溫-10.6 ℃、最熱月平均氣溫33.1 ℃、極端最低氣溫-20.7 ℃、極端最高氣溫40.8 ℃，屬于嚴(yán)寒地區(qū)。

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

太中銀鐵路為客貨共線鐵路，設(shè)計(jì)最高行車速度為200 km/h。

1.3 橋址處線路條件

全橋位于R=2 800 m的圓曲線上，雙線，線間距5.4 m，線路縱坡1‰，。采用重型軌道，鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路，軌底至梁頂高度70 cm。根據(jù)《新建鐵路橋上無縫線路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》[2]相關(guān)要求，本橋未設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，引橋及主跨兩端各60 m設(shè)置小阻力扣件，中間設(shè)置大阻力扣件。

2 橋梁設(shè)計(jì)

2.1 孔跨布置

太中銀鐵路斜交跨越307國道沿張家鄢溝，法向角48°。307國道小里程側(cè)為張家鄢溝，大里程側(cè)為陡峻峭壁，高近50 m。張家鄢溝深窄，橋墩應(yīng)布置在溝道小里程側(cè)，避免對(duì)公路的影響，同時(shí)考慮盡量遠(yuǎn)離溝槽，有利于行洪并減小泥石沖擊橋墩。陡崖一跨而過，橋臺(tái)位置根據(jù)穩(wěn)定邊坡確定。全橋孔跨布置采用(100 m+100 m)T形剛構(gòu)+1-32 m簡(jiǎn)支梁，全橋長(zhǎng)245.5 m。對(duì)于高墩大跨橋，T形剛構(gòu)的整體性、結(jié)構(gòu)受力性能好，橫橋向抗推剛度及抗扭剛度大，有利于懸臂施工的橫向抗風(fēng)要求，同時(shí)節(jié)省大噸位支座以及后期維修養(yǎng)護(hù)。全橋立面見圖1。

圖1 前王家山2號(hào)大橋立面(單位：m)

2.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 主梁構(gòu)造

主梁采用C55混凝土，封端采用C55無收縮混凝土。梁體為變截面箱梁，單箱單室直腹板。中支點(diǎn)處箱梁梁高11.4 m，跨中及梁端梁高4.5 m，梁底下緣采用2次拋物線過渡，拋物線起點(diǎn)距離梁端13 m處，終點(diǎn)距離主墩中心線6 m處。箱梁頂寬12.48 m，箱梁底寬7.4 m，主墩處箱梁底寬加寬至7.9 m。頂板厚度除支點(diǎn)處外均采用35 cm，底板厚度50～120 cm，腹板厚度55～100 cm。箱梁頂板處設(shè)置120 cm×40 cm梗脅，底板處設(shè)60 cm×30 cm梗脅。根據(jù)梁體受力及鋼束張拉錨固布置的要求，梁體內(nèi)底板相應(yīng)位置處設(shè)有鋸齒板。梁體在支點(diǎn)處共設(shè)置4道橫隔板，端部橫隔板厚1.6 m，空心墩處設(shè)置2道厚為1.6 m的橫隔板并與空心墩墩身正對(duì)，隔板處設(shè)進(jìn)人洞，梁端進(jìn)人洞位置結(jié)合鄰跨簡(jiǎn)支梁隔板空洞位置確定，以方便檢查人員進(jìn)入。箱梁腹板每隔200 cm左右設(shè)φ100 mm通風(fēng)孔。在中支點(diǎn)橫隔板兩側(cè)底板設(shè)置內(nèi)徑為100 mm的泄水孔。主梁采用C55混凝土。梁體截面見圖2。

圖2 主梁截面(單位：cm)

梁頂面及鋼筋均按水平布置，梁體澆筑時(shí)一并澆筑同強(qiáng)度等級(jí)混凝土形成橫向2%的排水坡。為避免橋面混凝土出現(xiàn)裂縫，在橋面設(shè)置HRB335抗裂鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑7 mm，間距15 cm。

主梁0號(hào)段長(zhǎng)度18 m，中間懸澆各段長(zhǎng)度3～4 m，合龍段長(zhǎng)度2 m，最大懸澆質(zhì)量255 t。

2.2.2 墩梁固結(jié)區(qū)構(gòu)造

墩梁固結(jié)區(qū)是T構(gòu)橋的重要構(gòu)造之一，是傳遞荷載、擴(kuò)散應(yīng)力的關(guān)鍵部位[3]。設(shè)計(jì)中有必要進(jìn)行局部應(yīng)力分析，以優(yōu)化此部位的結(jié)構(gòu)形式，使受力更加合理有利。設(shè)計(jì)利用ANSYS軟件建立空間模形，選取剛臂墩頂縱向2×12 m主梁及10 m墩身范圍建立空間模型，對(duì)墩梁固結(jié)部位進(jìn)行局部應(yīng)力分析。采用solid45號(hào)單元，因模型對(duì)稱性為減小求解規(guī)模在墩頂對(duì)稱取用一半模型，共用14 526個(gè)節(jié)點(diǎn)及62 353單元。局部應(yīng)力分析模型詳見圖3。

圖3 墩梁固結(jié)空間分析模型

計(jì)算結(jié)果表明，空間結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與平面分析結(jié)果吻合較好，在縱向預(yù)應(yīng)力作用下箱梁截面受力較為均勻。主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示，除預(yù)應(yīng)力的錨固點(diǎn)、橫隔板、箱梁截面倒角處的局部應(yīng)力集中位置外，主拉應(yīng)力都比較小，整個(gè)梁體的應(yīng)力狀態(tài)滿足梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，出現(xiàn)應(yīng)力集中的范圍較小。同時(shí)設(shè)計(jì)中通過增設(shè)橫隔板的橫、豎向預(yù)應(yīng)力改善受力狀況。

2.2.3 梁體預(yù)應(yīng)力體系

梁體采用三向預(yù)應(yīng)力體系?？v向預(yù)應(yīng)力采用9、15、19φ15.2 mm鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860 MPa，其技術(shù)條件符合GB/T5224—2003標(biāo)準(zhǔn)，管道形成采用金屬波紋管；橫向預(yù)應(yīng)力采用4φ15.2 mm鋼絞線，扁形金屬波紋管成孔，在頂板間隔50 cm布置，在支點(diǎn)隔板及墩梁固結(jié)處也布置有橫向鋼束；豎向預(yù)應(yīng)力采用φ32 mm高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值830 MPa，采用內(nèi)徑45 mm鐵皮管成孔，在腹板間隔50 cm布置，除中支點(diǎn)兩側(cè)各約35 m范圍設(shè)置2排外，其余范圍設(shè)置單排。為減少收縮徐變對(duì)大跨梁變形的影響，要求縱向預(yù)應(yīng)力在梁體混凝土強(qiáng)度及彈性模量達(dá)到設(shè)計(jì)值的100%后進(jìn)行張拉，且必須保證張拉時(shí)梁體混凝土齡期大于7 d。主梁縱向鋼束布置見圖4。

圖4 主梁縱向鋼束布置(單位：m)

為確保墩梁固結(jié)處的受力安全，除頂板外，在橫隔板及底板布置橫向鋼束，在腹板布置2道豎向預(yù)應(yīng)力筋，豎向預(yù)應(yīng)力筋伸入主墩5.0 m。墩梁固結(jié)處橫豎預(yù)應(yīng)力鋼筋布置見圖5。

圖5 墩梁固結(jié)處橫豎向鋼束布置(單位：cm)

2.2.4 主梁設(shè)計(jì)指標(biāo)

主橋采用MIDAS和橋梁博士2種程序進(jìn)行靜力計(jì)算。結(jié)構(gòu)變形、變位及自振頻率等指標(biāo)要求均按《新建時(shí)速200 km客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》[4](以下簡(jiǎn)稱“暫規(guī)”)控制。最大靜活載撓度-30 mm，為跨度的1/3 333，參照《暫規(guī)》中96 m跨度的限值1/900，滿足要求；中-活載作用下梁端豎向折角1.39‰，小于限值3‰；在列車橫向搖擺力、風(fēng)力和溫度力作用下，梁體的水平撓度11.6 mm，為跨度的1/8 620，小于限值1/4 000。截面應(yīng)力及強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 主梁應(yīng)力及強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

2.2.5 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

(1)施工方案選擇

本橋主梁采用懸澆法施工，因跨度較大，所以主梁墩頂負(fù)彎矩較大，同時(shí)主墩承受較大的恒載。上述情況均有可能成為設(shè)計(jì)控制因素，為此盡量減少懸澆長(zhǎng)度的施工方法對(duì)本橋顯得很重要。本橋結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形，主梁兩端各設(shè)置了長(zhǎng)達(dá)19 m的現(xiàn)澆段，大大減少了懸澆長(zhǎng)度，降低了主梁的墩頂負(fù)彎矩和主墩承受的豎向恒載，取得了良好的效果。

(2)鋼束布置優(yōu)化

為避免豎向預(yù)應(yīng)力筋損失過大引起的腹板主應(yīng)力狀態(tài)惡化導(dǎo)致的大跨度主梁下?lián)显龃?，每個(gè)懸澆節(jié)段的每側(cè)腹板均設(shè)置2束下彎鋼束，同時(shí)鋼束盡量向底板方向延伸。設(shè)計(jì)中綜合考慮頂板和腹板縱向鋼束布置，經(jīng)優(yōu)化，在頂板豎向只布置1排縱向束，因此，頂板厚度不受構(gòu)造控制，而按受力需要采用35 cm厚。頂板厚度減薄后結(jié)構(gòu)圬工量減少，自重降低，整體改善了梁體受力狀態(tài)。該橋梁部混凝土每延米19.9 m3，鋼束每延米1 286 kg，在相近跨度的類似結(jié)構(gòu)中是較為節(jié)省的。

(3)收縮徐變控制

近幾年，在我國修建的大跨連續(xù)梁(剛構(gòu))橋中，箱梁跨中下?lián)喜『^為普遍，其中徐變是重要的影響因素[5]。徐變變形隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，一般前3年影響較大，3年過后變形減緩。初始加載齡期越短徐變速率對(duì)撓度的后期影響越大，隨時(shí)間的增長(zhǎng)混凝土梁的剛度越來越大，初始加載齡期在60 d時(shí)徐變速率對(duì)撓度的后期影響非常小[6]。為減小徐變的影響，主梁設(shè)計(jì)時(shí)盡量減小上、下緣的恒載應(yīng)力差，使梁體在恒載作用下趨近于軸壓狀態(tài)。經(jīng)計(jì)算本橋二期恒載上橋時(shí)間按全聯(lián)合龍后90 d計(jì)算，理論計(jì)算殘余徐變拱度值跨中為-7.7 mm，滿足使用要求。

2.3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 主墩構(gòu)造

主墩采用矩形空心墩，墩頂及墩底分別設(shè)置2 m和10.2 m的實(shí)體段，下端實(shí)體段的高度主要結(jié)合河道百年水位確定。主墩墩高47.5 m，墩身縱向上下等寬，寬度為10 m；橫向?yàn)樽儗捲O(shè)計(jì)，墩頂橫向?qū)挾?.9 m，底寬14.4 m。墩頂縱、橫向壁厚分別為1.6 m、1.4 m?？v向內(nèi)坡為直坡；橫向外坡為14∶1，橫向內(nèi)坡為18∶1。墩底以上10 m設(shè)置圓包頭。墩底實(shí)體段頂部對(duì)稱設(shè)2個(gè)排水孔，其上每隔4 m在墩身周圍交錯(cuò)設(shè)置通風(fēng)孔，直徑0.2 m，孔口用鋼筋織成的井字網(wǎng)封護(hù)。墩身材料分界線(梁底以下2 m)以下采用C50混凝土，以上采用與梁體同強(qiáng)度等級(jí)的C55混凝土。為提高墩底實(shí)體段及墩頂與梁體相接段混凝土的抗裂性及耐久性，在上述部位采用纖維混凝土。主墩構(gòu)造見圖6。

圖6 主墩構(gòu)造(單位：m)

在確定該橋主墩形式時(shí)，分別對(duì)矩形空心墩和雙壁墩進(jìn)行了動(dòng)、靜力分析，經(jīng)過計(jì)算分析比較后，確定采用矩形空心墩，其優(yōu)點(diǎn)如下：矩形空心墩的縱、橫向剛度及抗扭剛度大，增加了懸臂施工及最大懸臂時(shí)的安全度；在橋墩縱、橫向位移及橫向剛度基本一致的前提下，雙壁墩較矩形空心墩截面尺寸大，導(dǎo)致基礎(chǔ)圬工量增加；空心墩橫向自振頻率明顯優(yōu)于雙壁墩；張家鄢溝百年設(shè)計(jì)流量854 m3/s，山區(qū)溝道洪水來勢(shì)兇猛，加帶大量泥石，采用墩底設(shè)置實(shí)體段的空心墩更有利于保證橋墩安全。

2.3.2 主墩基礎(chǔ)

橋址區(qū)大部分分布三疊系上統(tǒng)砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖，基本承載力400～800 kPa；局部表覆第四系全新統(tǒng)人工堆積層、上更新統(tǒng)風(fēng)積層新黃土及第四系上更新統(tǒng)坡積層粗角礫土，中更新統(tǒng)風(fēng)積層老黃土，基本承載力60～550 kPa。主墩采用鉆孔樁基礎(chǔ)，樁徑2 m，共20根，樁長(zhǎng)27 m，樁尖嵌入800 kPa砂巖，按柱樁設(shè)計(jì)，樁間距按《鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]控制，采用4.2 m。承臺(tái)尺寸17.9 m(縱)×24.2 m(橫)，承臺(tái)厚度5 m。

2.4 抗震分析

采用MIDAS建立模型，對(duì)主橋多遇地震作用下的地震力采用反應(yīng)譜法進(jìn)行分析并檢算橋墩和基礎(chǔ)，因本橋地震烈度較低，地震作用不控制設(shè)計(jì)。采用簡(jiǎn)化方法進(jìn)行延性驗(yàn)算，結(jié)果滿足《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]要求。根據(jù)震規(guī)要求，本橋提高一級(jí)按7度設(shè)置抗震措施。同時(shí)主墩鋼筋布置執(zhí)行震規(guī)提出的延性配筋要求。

3 主橋縱橫向剛度及動(dòng)力特性

3.1 自振頻率

主橋的自振頻率在很大程度上能反映出主橋剛度的大小，也就反映出主橋的動(dòng)力特性，因此，分析主橋動(dòng)力特性時(shí)應(yīng)首先要準(zhǔn)確地計(jì)算主橋的自振頻率及各階頻率對(duì)應(yīng)的振形特點(diǎn)。經(jīng)分析計(jì)算，主橋前10階自振頻率的計(jì)算結(jié)果及相應(yīng)振形特性見表2。

表2 前10階自振頻率及相應(yīng)振形

3.2 縱橫向剛度

3.3 車橋耦合動(dòng)力仿真分析

采用空間有限元方法建立其全橋動(dòng)力分析模型，考慮了橋墩與基礎(chǔ)的影響，對(duì)橋梁在C62貨車、SS8牽引準(zhǔn)高速車輛、國產(chǎn)先鋒號(hào)動(dòng)力分散式動(dòng)車組、中華之星動(dòng)力集中式車組作用下的車橋空間耦合振動(dòng)進(jìn)行了分析，評(píng)價(jià)了橋梁的動(dòng)力性能以及列車運(yùn)行安全性與舒適性(平穩(wěn)性)。主要結(jié)論如下：C62貨物列車、SS8牽引準(zhǔn)高速列車集中式動(dòng)車組通過橋梁時(shí)，列車運(yùn)行安全性得到保障；在C62貨物列車以60～80 km/h速度運(yùn)行時(shí)，機(jī)車車輛豎向與橫向運(yùn)行平穩(wěn)性均達(dá)到“良好”；速度達(dá)到90 km/h時(shí)，其橫向運(yùn)行平穩(wěn)性為“合格”；在SS8牽引準(zhǔn)高速列車以160～180 km/h速度運(yùn)行時(shí)，車輛豎向與橫向行車舒適度均能夠達(dá)到“良好”；速度200 km/h運(yùn)行時(shí)，車輛豎向舒適度能達(dá)到“良好”，橫向舒適性為“良好”。

4 結(jié)語

前王家山2號(hào)大橋?yàn)樘秀y鐵路重點(diǎn)控制工程之一，目前該橋已順利建成通車，通過運(yùn)營表明：全橋工作狀態(tài)良好，滿足運(yùn)營要求。該橋是目前我國時(shí)速200 km及以上鐵路最大跨度的T形剛構(gòu)橋梁，該橋的建設(shè)對(duì)國內(nèi)的鐵路高墩大跨橋有重大意義，同時(shí)對(duì)提升修建山區(qū)鐵路的綜合技術(shù)水平起了一定的作用，也給山區(qū)鐵路選線提供了較大的空間。

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