延力強

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津　300142)

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高速鐵路矮墩大跨連續(xù)剛構(gòu)拱橋設(shè)計研究

延力強

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300142)

摘要:商合杭高速鐵路跨越亳州渦河、阜陽潁河等多處特殊工點，需要選擇一種跨度較大，而墩高較矮的橋式，根據(jù)鐵路橋梁既有的設(shè)計成果，對連續(xù)剛構(gòu)、V形墩連續(xù)剛構(gòu)及連續(xù)剛構(gòu)拱橋3種方案分別進行研究，從適用、經(jīng)濟、受力性能、軌道長波不平順等方面，對3種方案的軌道長短波不平順性進行對比分析，最終確定(88+168+88) m連續(xù)剛構(gòu)拱橋方案為最佳方案。通過對連續(xù)剛構(gòu)拱橋梁高、剛壁墩間距、剛壁墩壁厚、拱肋截面等結(jié)構(gòu)尺寸的計算調(diào)整，使結(jié)構(gòu)的受力得到了很大的改善，并且使長短波不平順值滿足規(guī)范要求，成功地實現(xiàn)了矮墩大跨連續(xù)剛構(gòu)拱橋在高速鐵路橋梁設(shè)計中的運用。

關(guān)鍵詞:V形墩;連續(xù)剛構(gòu);連續(xù)剛構(gòu)拱橋;鐵路橋;高速鐵路

1　概述

在商合杭高速鐵路橋梁設(shè)計中，為了跨越亳州渦河、阜陽潁河等多處特殊工點，需要一種跨越能力大，效果美觀且經(jīng)濟性較好的橋式。受鐵路縱斷面的影響，橋墩墩高較矮，墩高最小值僅為16.5 m，而為了滿足通航的需要，橋梁的主跨達到了168 m。

若采用連續(xù)梁拱橋加勁或者剛構(gòu)連續(xù)梁等橋型方案，結(jié)構(gòu)的溫度跨長較大，鋼軌會受到較大的應(yīng)力，需要設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，而這幾處工點均位于平面曲線上，根據(jù)規(guī)范的要求不能設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。為了減小橋梁結(jié)構(gòu)的溫度跨長并且降低造價，將本橋橋式擬定為連續(xù)剛構(gòu)體系，結(jié)合目前國內(nèi)鐵路橋梁的設(shè)計成果，選取了(96+168+96) m連續(xù)剛構(gòu)、(88+168+ 88) m V形墩連續(xù)剛構(gòu)及(88+168+88) m連續(xù)剛構(gòu)拱橋3種方案作為比選方案。

2　結(jié)構(gòu)方案研究

連續(xù)剛構(gòu)橋橋式簡單，受力明確，施工也比較方便; V形墩連續(xù)剛構(gòu)可減小結(jié)構(gòu)計算跨度，有效地降低結(jié)構(gòu)建筑高度，且V形墩線形流暢，景觀效果比較好;連續(xù)剛構(gòu)拱橋，梁體自重主要由連續(xù)剛構(gòu)承受，二期恒載與活載由拱肋及主梁共同承受，與常規(guī)的連續(xù)剛構(gòu)相比，由于拱肋的存在，可將結(jié)構(gòu)跨中的荷載傳遞至墩頂，主梁跨中及支點處的彎矩有較大幅度的降低，因此主梁的截面尺寸與自重均相應(yīng)減小，充分發(fā)揮了梁、拱的受力優(yōu)越性，具有整體剛度性能優(yōu)越，豎向剛度大等優(yōu)點。

3　結(jié)構(gòu)方案比選

本橋由于橋梁高度較矮，對于墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)體系，除剛壁墩受混凝土收縮徐變及溫度力影響，附加縱向彎矩、剪力較大，結(jié)構(gòu)受力不利外，溫度引起的軌道長波不平順更為控制，因此，方案比選時重點分析由溫度變化產(chǎn)生的長波不平順值。

計算過程中，主梁及橋墩混凝土結(jié)構(gòu)整體升溫按25℃計，整體降溫按－25℃計;拱肋混凝土整體升溫按30℃計，整體降溫按－25℃計;鋼管拱肋、橫撐及吊桿整體升溫按41.5℃計，整體降溫按－41.5℃計。頂板日照溫差按10℃計。對各種溫度工況進行組合包絡(luò)，計算長波不平順值。

3.1連續(xù)剛構(gòu)橋方案

本方案采用(96+168+96) m預(yù)應(yīng)力混凝土雙薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)，梁體為單箱單室變截面箱梁，中支點附近梁高11.6 m，中跨跨中和邊支點附近梁高6 m，按二次拋物線變化。箱梁頂板寬11.6 m，底板寬7.8 m。頂板厚度為55 cm，底板厚度按二次拋物線由50 cm變化至110 cm，腹板厚度由50 cm變化至120 cm。梁體在端部、跨中和主墩處共設(shè)置了7道橫隔板，梁端橫隔板厚度1.6 m，跨中橫隔板厚度1.0 m，剛臂墩墩頂處橫隔板厚度1.5 m。

采用midas civil軟件建立(96+168+96) m連續(xù)剛構(gòu)的空間模型，單元156個，節(jié)點162個，空間模型如圖1所示。

圖1　連續(xù)剛構(gòu)空間模型

經(jīng)計算，若采用(96+168+96) m連續(xù)剛構(gòu)，軌道長波不平順即150 m范圍內(nèi)軌道變形最大高差達到了33.5 mm，遠遠超過了高速鐵路無砟軌道長波不平順不超過10 mm的限制，由此可見連續(xù)剛構(gòu)橋剛壁墩墩高較矮，適應(yīng)變形的能力較差。

3.2(88.9+168+88.9) m V形墩連續(xù)剛構(gòu)方案

本方案主梁采用單箱單室變高箱形截面，橋面寬12.6 m，箱寬7 m，箱梁梁高變化采用2次拋物線，V撐三角區(qū)內(nèi)梁高10 m，跨中合龍段及邊跨現(xiàn)澆段處梁高5 m。箱梁腹板厚度按50～110 cm直線變化;箱梁底板厚度由根部的150 cm漸變到跨中的50 cm;頂板厚度均采用45 cm。V撐全高21 m，采用板式截面，尺寸為7.0 m×2.4 m，軸線與豎直面夾角35°，V撐與箱梁相交處以圓曲線過渡。

箱梁墩梁節(jié)點共設(shè)橫隔板4道，每道厚2.5 m，中跨跨中設(shè)橫隔板1道，厚0.4 m，邊跨支點設(shè)橫隔板1道，厚2.0 m。方案如圖2所示。

圖2　V形墩連續(xù)剛構(gòu)立面(單位:cm)

V形墩連續(xù)剛構(gòu)空間模型共有單元164個，節(jié)點171個，空間模型如圖3所示。

由計算結(jié)果可知，若采用(88.9+168+88.9) m V形連續(xù)剛構(gòu)，軌道長波不平順即150 m范圍內(nèi)軌道變形最大高差達到了48.1 mm，遠遠超過了高速鐵路無砟軌道長波不平順要求限值的要求，由此可見V形連續(xù)剛構(gòu)比雙壁墩連續(xù)剛構(gòu)適應(yīng)變形的能力差，該方案不能滿足要求。

圖3　V形墩連續(xù)剛構(gòu)空間模型

3.3 (88+168+88) m連續(xù)剛構(gòu)拱橋方案

3.3.1模型的建立

本方案采用單箱雙室變高截面形式，橋面寬17.8 m，箱寬14.4 m，箱梁梁高變化采用2次拋物線，墩梁固結(jié)處梁高10 m，跨中合龍段及邊跨現(xiàn)澆段處梁高4.5 m。箱梁腹板厚度按50～150 cm直線變化;箱梁底板厚度變化采用了2次拋物線，由根部的150 cm漸變到跨中的50 cm;頂板厚度均采用45 cm。主梁采用C55混凝土。

雙薄壁墩墩中心間距8 m，墩高16.5 m，單肢墩為板形實心截面，壁厚2 m，橫橋向16.8 m。

鋼管混凝土拱拱軸線方程采用二次拋物線形式，橫橋向采用兩片等高拱加勁，拱肋采用啞鈴形鋼管混凝土，拱肋截面高3.0 m，拱管Φ1.2 m。拱肋中心距15 m。鋼管拱矢高34 m，矢跨比為1/5。拱管內(nèi)灌注C55補償收縮混凝土。

吊索采用平行鋼絲束PES(FD) 7－151，抗拉強度標(biāo)準值為1670 MPa，全橋共設(shè)23對吊索。為了保證拱肋的橫向剛度和穩(wěn)定性，拱肋間橫向聯(lián)結(jié)系采用密布一字形橫撐，全橋橫撐共11道。橫撐采用Φ1.2 m、全高1.8 m的圓端形截面，壁厚20 mm。全橋共設(shè)4道K形撐，K形撐的斜撐采用Φ0.9 m的圓形鋼管截面。

方案立面及橫斷面如圖4～圖6所示。

圖4　連續(xù)剛構(gòu)拱橋立面(單位:cm)

圖5　墩梁固結(jié)處橫斷面(單位:cm)

連續(xù)剛構(gòu)拱橋結(jié)合方案空間模型共有單元449個，節(jié)點345個，空間模型如圖7所示。

3.3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對連續(xù)剛構(gòu)拱橋的主梁截面尺寸、墩的截面尺寸、拱肋的截面尺寸等不同方案進行了比選，現(xiàn)列出主要比選過程。

(1)主梁梁高比選

參照已建成鐵路連續(xù)剛構(gòu)拱橋的設(shè)計經(jīng)驗，中支點高跨比大部分在1/13～1/20，本橋參照類似跨度橋梁確定了3種梁高方案，中支點梁高分別為12、11 m 和10 m，合龍段處梁高對應(yīng)中支點梁高分別調(diào)整為6、5、4.5 m，梁底曲線均采用2次拋物線過渡。

各方案的比較結(jié)果如表1～表3所示。對于各方案應(yīng)力、抗裂、強度驗算結(jié)果，僅列出主力+附加力作用下的結(jié)果。

圖6　主跨跨中合龍段處橫斷面(單位:cm)

圖7　連續(xù)剛構(gòu)拱橋空間模型

表1　各方案梁高對比

表2　主力+附加力工況主要計算結(jié)果　MPa

表3　各方案軌道長、短波不平順值　mm

由表1～表3可知:各方案計算的剛度、應(yīng)力情況均滿足規(guī)范要求，隨著梁高截面的減小主梁的壓應(yīng)力逐漸增大，150 m范圍內(nèi)長波不平順以及10 m范圍內(nèi)短波不平順最大高差顯著降低，方案3的長波不平順指標(biāo)最好。本橋為高墩大跨結(jié)構(gòu)，減小上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量，對橋梁抗震也是有利的，同時可以節(jié)約工程量，降低投資，綜合考慮以上因素，選取方案3作為推薦方案。方案3主+附工況主梁上、下緣應(yīng)力圖如圖8、圖9所示。

圖8　主+附主梁上緣應(yīng)力圖

圖9　主+附主梁下緣應(yīng)力圖

(2)剛壁墩間距比較

隨著隧道的掘進，0#和1#承臺Y向位移先增加后減小。0#承臺4個角點Y向位移最大約為0.17 mm。1#承臺的4個角點Y向位移最大約為0.15 mm。

選取雙薄壁間距4、8、13 m三種工況作為比較對象，通過優(yōu)化的薄壁墩間距達到降低軌道長、短波不平順值的目的。各方案計算情況如表4所示。

表4　各方案軌道長、短波不平順值

由表4可知:隨著雙薄壁墩間距的加大，對本橋比較控制的長波不平順數(shù)值減小，但是按照以往設(shè)計的相類似結(jié)構(gòu)，雙薄壁的間距一般為1/25～1/20L(L為主跨長度)，所以雙薄壁墩間距取為8 m。

(3)剛壁墩壁厚比較

選取雙薄壁壁厚1.8、2、2.2 m 3種工況作為比較對象，挑選最優(yōu)的雙薄壁墩壁厚滿足軌道長波、短波不平順限值的要求。采用Midas Civil建立不同雙薄壁墩壁厚的3個模型，各方案情況如表5所示。

表5　各方案軌道長、短波不平順值

由表5可知:隨著雙薄壁墩墩壁厚度的加大，對本橋比較控制的長短波不平順數(shù)值增大，考慮到墩壁厚度比較小時，混凝土主壓應(yīng)力會比較大，剛壁墩的厚度取為2 m。

(4)拱肋尺寸優(yōu)化

表6　各方案軌道長、短波不平順值

由表6可知，隨著拱肋高度的加大，剛構(gòu)拱的整體剛度加大，150 m范圍內(nèi)長波不平順及10 m范圍內(nèi)短波不平順最大高差逐漸減小，考慮到拱肋的加工難度，拱肋高度取為3.0 m。

3.3.3全橋穩(wěn)定計算

全橋穩(wěn)定計算情況如表7所示。

表7　梁體自振特性

連續(xù)剛構(gòu)拱橋的第一階模態(tài)彈性穩(wěn)定特征值為8.98，滿足規(guī)范中彈性穩(wěn)定特征值不應(yīng)小于4～5的要求。

4　結(jié)論

(1)通過優(yōu)化梁體截面尺寸、雙薄壁墩間距、拱肋截面等方面，合理地改善了高速鐵路(88+168+88) m連續(xù)剛構(gòu)拱橋的受力狀態(tài)。

(2)高速鐵路橋梁墩高較矮而跨度又較大時，由于線路平面線形控制，需要采用連續(xù)剛構(gòu)體系橋梁時，連續(xù)剛構(gòu)橋、V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋兩種結(jié)構(gòu)，很難滿足規(guī)范中長、短波不平順性的要求，而連續(xù)剛構(gòu)拱橋方案通過合理的優(yōu)化，可有效地解決這一難題。

(3)本橋連續(xù)剛構(gòu)拱橋的剛度、長、短波不平順值、應(yīng)力情況等均滿足規(guī)范要求。其中主梁上、下緣應(yīng)力最大差值為8 MPa，小于0.4倍的主梁混凝土軸心抗拉強度。

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The Application Research on Short-pier-long-span Continuous Rigid Frame Arch Bridge in High-speed Railway

YAN Li-qiang
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

Abstract:In the design of Shangqiu-Hefei-Hangzhou high speed railway bridge，the long span and short pier bridge has to be employed to cross over Bozhou Wo River，F(xiàn)uyang Yinghe River and other special worksites.With reference to the practices in railway bridge design，the three schemes of continuous rigid frame，V-shaped pier continuous rigid frame and continuous rigid frame arch bridge are studied in perspectives of applicability，economy，power performance，long wave track irregularity，and(88+168+ 88) m continuous rigid frame bridge is finalized as the most suitable type of bridge based on the comparison of the long and short wave irregularity of the three schemes.Through optimization calculation of the height of continuous rigid frame arch bridge，the distance between rigid wall piers，the thickness of rigid wall and the arc rib size，its structural bearing capacity is much improved，which satisfies the requirements for long and short wave irregularities and makes it applicable to high-speed railway.

Key words:V-shaped pier; Continuous rigid frame; Continuous rigid frame arch bridge; Railway bridge; High speed railway

作者簡介:延力強(1982—)，男，工程師，2009年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail:649308952@ qq.com。

收稿日期:2015-07-17;修回日期:2015-08-16

文章編號:1004-2954(2016) 03-0056-05

中圖分類號:U442.5

文獻標(biāo)識碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.013