小曲線半徑下長聯大跨剛構 -連續組合梁的方案比選

王 聰

(中鐵二院工程集團有限責任公司,四川成都 610031)

1 工程概述

新建貴陽至廣州鐵路(簡稱貴廣線)是我國西南山區的一條高標準快速鐵路,起于貴陽,經貴州、廣西、廣東三省區,最終止于廣州,是西南地區通達華南沿海地區的重要區際鐵路通道。

貴廣線圣泉一號特大橋是貴廣線引入貴陽樞紐的控制工程,線路專業在該處以R=600m的圓曲線和緩和曲線通過,線路縱坡 -24‰,系地形、景觀及規劃道路控制工程設計。

該橋位于貴陽市西北的黔靈公園對面,出于景觀考慮,橋跨結構在黔靈公園范圍內采用連續結構通過,以盡量減小梁縫所引起的視覺沖擊效應。

因為結構聯長較長,若全聯采用連續梁結構,則固定墩所受縱向制動力過大,勢必引起下部結構設計困難,同時從經濟和景觀的角度出發,制動墩與非制動墩結構尺寸難以保持一致,視覺效果較差,因此本橋最終采用剛構 -連續組合梁——剛構墩主要承受縱向制動力,連續梁墩主要承受豎向荷載,通過受力的“分工”來確保各墩外形輪廓的一致。經方案綜合研究,主橋部分擬采用(48+6×80+48)m剛構 -連續組合梁。主橋范圍內各主墩墩高如圖1所示。

圖1 圣泉一號雙線特大橋三剛構方案橋面布置圖

對于主橋具體采用剛構墩的數目,本文擬從墩頂縱橫向位移、結構自振頻率和墩頂內力三個方面進行研究。研究對象分別為 3剛構墩方案、4剛構墩方案和 5剛構墩方案。圖1為三剛構方案總布置圖。

2 方案比選

2.1 各比較方案簡介

三剛構方案中 9#、10#、11#墩采用墩梁固結;四剛構方案中 8#～11#墩采用墩梁固結;而五剛構方案則在 8#～12#墩采用墩梁固結,其它墩墩頂處設支座,且連續梁墩和邊墩墩頂均設為抗扭支座。

剛構墩、連續梁墩和邊墩外形尺寸保持一致,均采用帶圓弧面的矩形空心墩。各墩截面如圖 2所示。墩身縱向輪廓尺寸及壁厚均采用直坡且一坡到底,橫向外輪廓采用兩段式變坡,即距墩頂 55 m以內采用 20∶1坡率,距墩頂 55 m以下部分,除 10#、12#墩采用 1∶1放坡外,其余均采用采用 5∶1放坡;橫向內坡采用 60∶1放坡。剛構墩僅在墩底設 4 m厚實體段;非剛構墩墩頂不設頂帽、托盤,墩頂、墩底分別設 3 m、4 m厚實體段。除剛構墩墩頂 4 m范圍內采用 C 55混凝土外,剛構墩其它部位及非剛構墩均采用 C 40混凝土。基礎均采用 4.0 m厚承臺和直徑 2.0 m的鉆孔樁樁基礎。承臺采用 C 40、樁基礎采用 C 35。各墩樁間距縱向采用 4.8 m、橫向采用 5.0 m。

圖 2 主墩墩頂截面示意

計算采用大型有限元程序 ANSYS9.0和橋梁專業設計軟件GQJS9.7。其中靜力計算中預應力效應、列車移動加載和支座沉降通過GQJS計算,其它荷載通過 ANSYS計算,然后與 GQJS計算結果進行手動組合。

分析中,首先按墩底固結情況計算出各種方案中各墩墩底內力,然后根據墩底內力配置樁基,樁基布置如圖 1所示。最后在計算結構自振頻率和墩頂位移時,將基礎轉換為雙向門式桿件,并與原模型共同受力。

2.2 各方案自振頻率比較

三種方案下,橋跨結構的縱橫向首階振型及周期如圖 3所示。

圖 3 各方案首階縱橫向自振頻率示意圖

從圖 3可以看出,橋跨結構的縱向自振周期隨剛構墩的 增加而減小,說明增加墩梁固結約束,能提高結構順線路方向剛度。

橫向自振周期(頻率)幾乎不受墩梁固結約束的影響,這是因為墩梁固結與抗扭支座對于約束梁部、墩部的面外變形是完全等效的,因此對其面外剛度及振型均影響較小。

2.3 各方案墩頂縱橫向位移比較

各方案下,各墩墩頂縱橫向位移分別如表 1、表 2所示。

從表 1、表 2可以看出,增加墩梁固結約束,可提高橋跨結構抵抗縱向變形的剛度,減小墩頂縱向位移;但其對墩頂橫向位移影響不大。本結構中墩梁固結約束的增加導致墩頂橫向位移略有增大,主要由建模誤差所引起。因為墩梁固結處梁部與墩身是通過虛擬單元連接而成,而設支座處則通過剛臂連接梁、墩,剛臂的抗彎剛度遠大于虛擬單元,因而在墩梁連接處,剛構墩產生的變形大于連續梁墩。

2.4 各方案墩頂內力比較

各方案墩頂控制組合如表3所示,各組合均為彎矩最大時所對應的荷載。

從表 3中內力組合可以看出,增加墩梁固結約束將增加結構超靜定次數,導致在溫度荷載下的次內力急劇增加,不利于結構設計。從墩頂內力來看,采用三剛構墩方案優于其它方案。

3 結論

(1)圣泉一號雙線特大橋位于最小半徑為 600 m的曲線上,對于此類結構,一般是第一階橫彎自振周期和墩頂橫向位移控制設計。但通過計算及概念分析表明,增加或減少墩梁固結約束,對橫向自振周期和墩頂橫向位移均無明顯改善。

(2)增加墩梁固結約束后,溫度荷載將在結構內部產生較大的次內力,控制結構設計。

(3)對于剛構連續梁組合結構,建議在能滿足墩頂縱向位移的基礎上,盡可能減少墩梁固結約束。

[1] T B10002.1-2005鐵路橋涵設計基本規范[S]

[2] T B10002.5-2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S]

[3] 陳思孝,岳強.牛角坪雙線特大橋剛構 -連續組合梁及連續剛構橋式研究[J].鐵道勘察,2007(增刊)

[4] JTGD 62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S]