張 鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

四線鐵路橋2×108 m T形剛構減震措施研究

張 鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

西平鐵路田家窯2號大橋，是國內目前跨度最大的四線鐵路T形剛構橋。該橋孔跨布置為2×108 m，橋長218.1 m，橋高68 m。本橋位于7度地震區(qū)，由唯一的橋墩承擔結構的地震力。為減少地震力，通過有限元軟件分析結構動力特性，最終采用“單墩多柱”橋墩，并在橋臺設置減震阻尼的減震措施。理論分析、施工建造和驗收過程表明，這些措施效果明顯，能夠滿足規(guī)范要求。

鐵路橋梁；T形剛構；單墩多柱；減震措施

1 工程概況

西安至平涼鐵路為國鐵Ⅰ級單線鐵路，設計速度120 km/h，位于陜西省中西部和甘肅省東部，正線長度267 km。田家窯2號大橋位于蒿店車站內，該站為四線越行站，正線2條，到發(fā)線2條。

橋梁跨越90 m深的封候溝支溝，橋址處溝谷狹窄，岸坡高陡，自然坡角70°～90°，呈“V”形沖溝，無常年流水。橋址黃土具有自重濕陷性，沖溝岸坡陡峻，坡面溜塌、錯落及滑坡等不良地質發(fā)育，極易剝蝕崩塌，加之溝心受季節(jié)性流水侵蝕，溝谷岸坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。下部完整砂巖地層力學性質較好，地層較穩(wěn)定，可做為基礎持力層。橋址處地震動峰值加速度為0.1g，地震反應譜特性周期為0.45 s。

根據(jù)地形地質條件，為避開不良地形、地質的影響，減少對山體的刷方，保證邊坡穩(wěn)定，采用溝底設墩，兩側直接跨過黃土邊坡的跨越方案。本橋孔跨布置為2×108 m T形剛構，梁部采用分幅雙線梁并列布置的形式，橋長218.1 m，橋高68 m，平曲線半徑1 200 m。主橋布置見圖1。

圖1 田家窯2號大橋立面布置(單位:cm)

2 結構概況

梁部為雙幅剛構梁，聯(lián)長218.1 m。梁體采用單箱單室變高度直腹板預應力混凝土箱梁，橋面為雙向2%“人字坡”。梁端距邊支座中心距離1.0 m，計算跨度為2×108 m。支點梁高11.5 m，跨中梁高4.6 m，梁體下緣按1.7次拋物線變化。箱梁上頂寬10.1 m，下底寬5.6 m。箱梁頂板厚除支點附近局部加厚外均采用0.4 m，底板厚0.5 m，在支點處線性過渡到1.1 m，腹板厚0.5 m，在支點處分段線性過渡到1.1 m。單幅梁體邊支點處支座中心橫向間距為3.9 m。

全橋在邊支點、中支點共設置了4道橫隔板，橫隔板預留過人洞。其中中支點處橫隔板貫通，將雙幅橋可靠聯(lián)結，以增強梁部的整體性。邊支點處橫隔板厚1.5 m，中支點每處橫隔板厚2 m。

梁部構造見圖2，半中支點、半梁端截面見圖3。

圖2 梁部構造(單位:cm)

圖3 半中支點、半梁端橫截面(單位:cm)

梁體采用掛籃懸灌澆筑施工，剛構中支點與橋墩固結。澆筑時以橋墩為中心，先澆筑0號段，然后兩側對稱澆筑，澆筑時控制T構兩端梁段混凝土方量，保障橋梁施工過程中的平衡與穩(wěn)定。

橋墩墩高56 m，采用“單墩多柱”的結構形式，由4片薄壁柱組成，薄壁柱之間采用橫梁和橫向聯(lián)系聯(lián)接成整體。

3 橋墩的減震措施研究

3.1 “單墩多柱”的概念設計

本橋位于7度地震區(qū)，為四線橋，梁部質量較大。在地震荷載作用下，由唯一的橋墩承擔梁部質量引起的較大的地震力[1-4]。按照常規(guī)抗震設計思想，為保證強度必須加大橋墩結構尺寸，這會導致橋墩剛度增大，反過來又增強了結構的地震力，造成惡性循環(huán)[5-7]。

為解決此種不利狀況，應當借鑒減震設計的思路。橋墩采用“單墩多柱”的形式，將4個薄壁柱用橫梁和橫向聯(lián)系聯(lián)結，保證在常見荷載作用下橋墩有足夠的剛度。當發(fā)生地震時，橋墩橫梁和橫向聯(lián)接系首先進入塑性，耗散地震能量，同時橋墩剛度減小，降低了結構的地震響應[8-10]。這樣既保障了薄壁柱不被破壞，又簡化了震后橫梁和橫向聯(lián)系的修復工作，解決了以往設計的橋墩進入塑性破壞后難以修復的難題。

另一方面，“單墩多柱”4個薄壁柱的結構形式，增加了梁部支點的間距，降低了梁部的彎矩，減少了梁部質量，也在一定程度上降低了地震力[11，12]。

3.2 設置橫梁的效果研究

采用有限元軟件Midas軟件分析結構動力特性，全橋共劃分為264個節(jié)點，267個梁單元，樁基礎及橋臺的邊界條件按實際情況模擬。動力計算模型見圖4。

圖4 動力計算模型

在橋墩h/3、2h/3處設置橫梁(h為墩高)。設置橫梁前后，薄壁柱的彎矩圖如圖5、圖6所示，橫梁使薄壁柱彎矩分布更加均勻。設置橫梁前后，主要設計參數(shù)對比結果見表1。

圖5 不設橫梁橋墩彎矩圖(單位：kN·m)

圖6 設橫梁橋墩彎矩圖(單位：kN·m)

對比內容設置前設置后設置后/設置前薄壁柱最大剪力/kN2097199995.3%薄壁柱最大彎矩/(kN·m)501542198543.8%橋梁縱向周期/s4.532.4854.7%

從上述計算結果中可以看出，設置橫梁后，剪力引起的彎矩顯著減少，同時橋墩的縱向剛度大幅提高。

橋墩設置橫梁一方面能提高橋墩的整體性，改善地震荷載作用下各柱受力，發(fā)揮“單墩多柱”形式的優(yōu)點；另一方面，能減少各柱的長細比，提高橋墩的穩(wěn)定性能。

3.3 下部結構設計

橋墩墩高56 m，由4片薄壁柱組成。薄壁柱厚2 m，縱向采用直坡，橫向外坡50∶1，頂寬6.6 m，底寬7.62 m。薄壁柱中心縱向間距11 m，兩薄壁柱之間設置2道橫梁，橫梁長9 m，高2 m，中心豎向間距19 m。為使兩幅橋具有較好的整體性，在兩幅橋薄壁柱間設置4道橫聯(lián)連接，橫向聯(lián)系長3.82 m，寬2 m，高3 m，中心豎向間距10 m。墩身采用C50混凝土，全高范圍內均添加聚丙烯纖維。橋墩橫橋向、縱橋向構造見圖7。

圖7 橋墩橫橋向、縱橋向構造 (單位:cm)

橋墩承臺橫向寬32.6 m，縱向寬21.2 m，高5 m。樁基采用40根φ2 m鉆孔灌注樁，按摩擦樁設計，樁長22 m。

4 橋臺的減震措施研究

田家窯2號橋僅有一個橋墩承擔結構的地震力，需要結合地形和結構特性，利用T形剛構梁端與橋臺直接聯(lián)結的特點，在橋臺處設置減震裝置。以此將橋墩承擔的部分地震力分配給橋臺，減少橋墩承擔的地震力，降低工程造價和保證結構安全。

利用有限元分析軟件Midas其中提供的間隙單元，模擬梁端減震裝置。梁端減震裝置的減震效果主要與其初始間隙和彈性剛度兩個參數(shù)有關，分別給定若干組值，從中選擇減震效果最好的一組作為推薦結果。分析表明，初始間隙1.0 cm，彈性系數(shù)1.5×105kN/m時，減震效果最好，將此作為推薦方案。

以承臺底水平反力和彎矩作為比選目標，梁端設置減震裝置前后計算對比結果見表2。

表2 設置減震裝置前后承臺底水平反力和彎矩對比

從表2可以看出，設置減震裝置后，橋墩所承受的地震力大大減少，該減震措施效果明顯。本橋采用的減震橡膠阻尼見圖8，其價格僅為常規(guī)粘滯阻尼器的1/10左右，經濟效果顯著。并且該減震橡膠阻尼日常維護簡單，耐久性好，性能可靠。

圖8 梁端安裝的減震橡膠阻尼裝置

5 結語

田家窯2號大橋位于7度地震區(qū)，采用2×108 m的T型剛構，橋高68 m。梁部為四線橋，質量較大，由此當?shù)卣鸢l(fā)生時，梁部產生的水平地震力較大。而該橋僅有1個橋墩承擔水平地震力，常規(guī)抗震設計難以滿足要求。為減少地震力，降低工程造價，本文借鑒減震設計的思想，研究了橋墩采用“單墩多柱”的形式，并在橋臺設置減震阻尼的減震效果。理論分析表明：這兩項減震措施的效果明顯，經濟可靠。田家窯2號大橋已于2013通過靜態(tài)驗收和動態(tài)驗收，并在該年年底通車運營，達到了設計預期和驗收指標的要求。

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Damping Research on 2×108 m T-Frame Bridge of Four-track Railway

ZHANG Peng

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.， Xi’an 710043， China)

Tianjiayao NO.2 bridge of Xi～Ping railway is the longest four-track railway T-frame bridge in China with span arrangement of 2×108 m， 218.1 m long and 68 m high. The bridge is located in grade 7 earthquake zone and the earthquake force on structure is only taken by piers. In order to reduce earthquake force， the dynamic characteristics of the structure are analyzed with finite element software and “single pier with multiple columns” is finalized with damping at abutment. Theoretical analysis， construction and acceptance processes demonstrate that these measures are effective to satisfy the requirements of standard.

Railway bridge; Rigid T-frame; Single pier with multiple columns; Damping measures

2015-03-19；

2015-04-03

張 鵬(1984—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于同濟大學橋梁與隧道工程專業(yè)，工學碩士，E-mail：zhangpeng12348@163.com。

1004-2954(2015)11-0056-03

U441+.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.014