內昆鐵路花土坡特大橋設計

摘　要:概要地介紹了內昆鐵路花土坡特大橋高墩大跨預應力混凝土連續梁TRANBBS設計。該橋主橋為一聯4孔預應力混凝土連續梁,主跨104ｍ,主墩高達110ｍ。

關鍵詞:高墩;長跨橋;預應力混凝土結構;連續梁;鐵路橋;橋梁設計

1　概　述

內昆鐵路花土坡特大橋位于云南、貴州兩省交界處,橋址屬于高原剝蝕、侵蝕地貌。地形起伏較大,相對高差約120ｍ,其中右岸沖溝發育,岸坡及沖溝壁陡立,靠昆明端有一古滑坡,橋渡區大部分墾為旱地,植被極差。離大橋橋位200～300ｍ為區域性大斷裂“龍翻身”斷層,該斷層為一逆掩斷層,近Ｓ～Ｎ向展布,傾向東。受其影響,地層巖體破碎,節理(裂隙)發育。橋址處屬亞熱帶季風濕潤氣候,年平均氣溫為10.4℃,極端最高氣溫35.7℃,極端最低氣溫-15.3℃。極端風速24ｍ/ｓ。橋址處地震基本烈度為7度。勘測時,對該段線路經過多方案的綜合比較,選定線路在此通過。花土坡特大橋主橋結構為一聯(64+2×104+64)ｍ預應力混凝土連續梁橋,主墩高達110ｍ。其主橋總體布置見圖1。

2　主梁結構設計

2.1　主梁構造及節段劃分

主梁采用單箱單室、直腹板、變截面變高度箱梁,其幾何尺寸的確定由梁的橫、豎向剛度及某些構造因素控制。本橋跨中梁高為4.5ｍ,為主跨的1/23.11,中支點梁高為7.6ｍ,為主跨的1/13.68。本橋箱寬在保證足夠剛度的前提下,采用5.0ｍ,寬跨比為1/20.8,突破了1/20的限制。橋面寬7.0ｍ。梁高及底板厚沿跨徑方向按二次拋物線變化,跨中設10ｍ長的直線段,使得梁體輕巧,梁底曲線流暢。箱梁頂板厚度為0.42ｍ,邊跨端塊處頂板厚由0.42ｍ漸變至0.80ｍ,主要為構造控制。底板厚度為0.40～0.90ｍ,腹板厚度為0.40～0.70ｍ,主要為強度及構造控制。主梁中支點及跨中截面尺寸見圖2。

在考慮全梁的節段劃分時,根據一般懸臂灌筑TRANBBS施工節段長度在4ｍ以下,各節段重量不宜相差太大,且節段長度不宜太多的原則,懸灌節段長度分為3.0,3.5,4.0ｍ三種。0號段長度考慮掛籃所需的長度等因素,節段長度采用12ｍ。邊跨端部節段長為3.6ｍ,合龍段長為2.0ｍ。預應力混凝土橋梁,隨著跨度的增加,恒載所占的比重也加大。因此,在設計時盡可能采用高標號混凝土以提高截面的有效承載力,同時在保證梁體必要剛度的前提下,盡可能地減輕梁體結構自重。本橋為單線鐵路橋,考慮到箱形截面抗彎及抗扭剛度大,僅在支座處設有橫隔板,這樣既減輕了梁體的自重也簡化了施工工藝。

2.2　梁體預應力體系

箱梁按全預應力設計,考慮箱梁較高、較寬以及鐵路活載較大等因素,通過計算決定對梁體采用三向預應力布置。縱向頂板、腹板鋼束采用9-7?5高強度低松弛鋼絞線,ｆｐｋ=1860ＭＰａ,ＳＴＭ15-9群錨;底板鋼束采用12-7?5高強度低松弛鋼絞線,ｆｐｋ=1860ＭＰａ,ＳＴＭ15-12群錨。橫向采用2-7?5鋼絞線,扁型金屬波紋管成孔,單端交替張拉,張拉端為ＳＴＢＭ15-2扁形錨具錨固,固定端為ＳＴＢＭ15Ｐ-2型錨具錨固。在箱梁頂板每0.5ｍ布置1根。腹板豎向預應力采用?Ｌ25高強精軋螺紋粗鋼筋,ＹＧＭ-25型錨具錨固,在腹板內雙排布置,在梁上間距為0.4～0.5ｍ。考慮到腹板根部的負彎矩,鋼筋重心布置偏向外側,它與腹板彎起的鋼絞線及橫向箍筋共同承擔梁體的主拉應力。

2.3　主梁結構計算

將連續梁劃分為98個單元進行有限元分析計算,分別按擬定的施工步驟和成橋運營進行全面計算。荷載按主力及主力+附加力進行組合,并計入列車沖擊力。主力組合:恒載+活載+預應力+混凝土收縮徐變+支點沉降;主力+附加力組合:①主力+支座摩阻+溫度變化;②主力+制動力+溫度變化。計算頂、底板最大壓應力為13.26ＭＰａ,最小壓應力為1.92ＭＰａ,截面均不出現拉應力,主跨跨中最大活載撓度4.7ｃｍ;邊跨跨中最大活載撓度1.7ｃｍ。

3　橋墩設計

主橋各墩所承受的制動力或牽引力,按各墩的抗推剛度進行分配,并考慮活動支座滑移后引起制動力的重新分配以及溫度變化引起梁體伸縮變形產生的水平力對制動力分配的影響。對于風力的影響,考慮了合理的風振系數。除常規計算外,還對墩、梁整體進行動力特性分析。連續梁3個主墩墩高分別為104,110,78ｍ,2個邊墩墩高分別為66ｍ和55ｍ。該橋地處云貴高原,風速較大,極端風速達24ｍ/ｓ。因此,對風力問題要引起足夠的重視,墩身應選擇合理的抗風結構形式,盡量減少風振的影響。本橋墩身采用鋼筋混凝土圓端形空心墩,這種墩型抗風性能良好,抗彎及抗扭剛度大。在橋墩設計中,采用ＡＮＳＹＳ的ＳＯＬＩＤ45、ＳＯＬ Ｉ

Ｄ95單元對高墩進行實體模擬。為了更好地反映墩、頂帽、實體段的各部位的應力情況,在建模時考慮了這些部分及梗脅的作用。鑒于解題的規模控制,在單元劃分時,在墩身與實體連接處單元劃分較密,墩身部分則單元劃分較稀。荷載處理時,將豎向軸力按等效均布力作用在支承墊石上,橫向(縱向)力等效到4個錨栓孔處,由于ＳＯＬＩＤ45、ＳＯＬＩＤ95單元不能直接承受彎矩,故彎矩以等效力偶來代替,作用在支承墊石4個錨栓孔處。計算結果表明,除了墩頂、墩底應力變化大,且應力較集中外,墩身部分應力分布變化均勻;墩身的應力分布反映了墩偏心受壓的受力特性,其截面應力滿足設計要求;在墩身與頂帽和基礎連接處,由于實體段的剛度較墩壁大,相當于固端,對墩壁有約束作用,因此,該部位的縱向應力和環向應力增大很多,須在設計中引起重視。

4　橫向剛度

控制橋梁設計的要素除結構本身的強度和穩定性需要外,橫向剛度控制值的選取,在一定程度上決定了橋梁設計的經濟性。像本橋這種高墩、大跨度結構尤其如此。其橫向剛度及動力性能是本橋設計中重點關心的問題。橫向剛度用什么指標控制,國內尚無統一標準。根據鐵道部有關文件規定,本橋在設計時,采用橫向自振周期控制,同時檢算墩頂位移和跨中橫向位移,并進行車橋動力分析。在橫向剛度計算中考慮了主橋墩、梁的共同作用。6號、9號

、10號墩基礎為樁基礎,考慮樁土的相互作用,按照剛度等效的原則,將群樁基礎等代轉換為同等作用效果的門式剛架,采用空間桿系有限元法計算主橋墩、梁整體自振特性,本橋橫向第Ⅰ振型自振周期Ｔ1=1.553ｓ<[Ｔ1]=1.70ｓ;主墩墩頂最大位移Δ=34.2ｍｍ<0.8(5Ｌｐ);跨中最大水平位移Δ=25ｍｍ<ＬＰ/4000。橫向剛度問題的實質是車橋共同作用的動力問題,本橋采用國內外車輛部門有關列車走行安全性和平穩性評估標準,對車橋時變系統進行空間動力分析。采用客車以120ｋｍ/ｈ、140ｋｍ/ｈ的速度,貨車以80ｋｍ/ｈ的速度過橋3種工況進行計算分析。列車最大脫軌系數為0.51;最大輪重減載率為0.48;列車心盤最大橫、豎向加速度分別為0.241ｇ、0.154ｇ;最大橫、豎向斯佩林舒適度指標為3.31;車橋系統最大振動響應在規定的行車安全、平穩的控制指標以內。雖然本橋寬跨比1/20.8<1/20,經計算分析本橋仍具有足夠的橫向及豎向剛度,列車走行具有良好的安全性和舒適性。

5　懸臂施工檢算

該橋墩高、跨度大、風大,為確保結構在施工過程中的安全,設計中對懸臂施工的各階段特別是最大懸臂狀態下可能出現的不利情況進行了檢算,并對橫向風力作用下梁體及橋墩的扭轉強度和穩定性進行了檢算。施工階段最不利狀態所受荷載按如下幾種情況考慮:(1)一側達到最大懸臂,灌筑最后一節梁段混凝土,并計入沖擊系數,另一側滯后一個梁段;(2)考慮施工尺寸誤差、梁重的變異性,超前一側梁段自重增大5%;(3)滯后一側掛籃突然墜落,沖擊系數2.0;(4)超前一側作用向下風力;(5)橫向風力最不利狀態:最大懸臂一側有風力,另一側無風力。臨時支座是懸臂施工的重要結構,要承受施工中產生的不平衡彎矩,同時也要便于拆除。按以上幾種工況進行設計計算,充分保障施工安全順利進行。

6　抗震分析

對于連續結構橋梁的抗震計算,目前規范還沒有具體的規定。結合花土坡特大橋工程進行了高墩大跨連續梁的抗震分析研究。用轉動彈簧模擬地基的約束,根據橋址處的地質情況,按Ⅱ類場地土進行反應譜分析。以最高墩(8號墩)為例,其分析計算結果見表1。