烏蘇通溝大橋設計

寧未華（中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處，陜西西安 710043）

1 橋址自然概況

烏蘇通溝大橋所跨烏蘇通溝河發源于中天山深處的烏斯墩山區，溝槽大部分處于高山區，山大溝深，支溝發育，河溝蜿蜒曲折，河槽狹小迂回，長年流水，流域呈羽毛狀，流出溝口后逐漸變為戈壁寬淺性河流，最后匯入阿拉溝。橋址上下游河道基本順直，主河槽寬約35m 左右，流水基本通暢，河槽穩定，上下游接卡口并有小支流匯入。橋址處涉及地層主要為：第四系全新統洪積粗圓礫土、卵石土、漂石土，第四系上更新統洪積細圓礫土、卵石土，志留系下統片巖夾變質砂巖。依據《中國地震動參數區劃圖》GB18306－2001，該工程所屬區地震動峰值加速度為0.10g,動反應譜特征周期為0.35s。

2 工程概述

烏蘇通溝大橋為南疆吐庫二線跨越烏蘇通溝及順接隧道而設，小里程側接長度為8.8km的伯信特隧道，大里程側接長度為22.5km的中天山隧道，橋隧直接相連。伯信特及中天山均采用無碴軌道道床，考慮道床形式的統一及運營后的維修養護方便，烏蘇通溝大橋最終采用無碴軌道箱梁。因中天山隧道需采用TBM 掘進機施工，線路在此處由一次雙線分開為兩條單線并行，故烏蘇通溝大橋由左、右兩座單線大橋組成，左線孔跨布置為：6 孔32m 預應力混凝土簡支箱梁，全長207.4m；右線孔跨布置為：5 孔32m 預應力混凝土簡支箱梁，全長174.3m。

3 梁部構造設計及采用荷載

箱梁為單箱單室直腹板箱形截面，梁端頂、底板局部向內側加厚，腹板在梁端分別向內、外側加厚，防撞墻內側凈寬4.4m，橋上人行道欄桿內側凈寬6.5m，橋面板寬度為6.8m，橋梁建筑總寬為6.8m。梁長為32.6m，計算跨徑為31.5m，梁高為3.0m，頂板厚30～50cm，底板厚30～60cm，腹板厚30～90cm，橫向支座中心距為2.7m。箱梁橫斷面布置示意圖詳見圖1。荷載包括梁體自重、附屬設備重（鋼軌、扣件、軌枕、軌道板、底座、防水層、保護層、人行道欄桿、人行道緣石、人行道步板、防撞墻、電力電纜及電纜槽、通訊信號電纜及電纜槽，合計85.8kN/m）、中活載、離心力、搖擺力、風力、溫度力、列車脫軌荷載、地震力。分別按主力、主力+附加力進行組合，取最不利組合進行設計，并對特殊荷載進行檢算。

圖1 箱梁橫斷面布置示意圖（單位：cm）

4 梁部計算

4.1 按箱梁全寬計算

施工階段最大拉應力=-0.91MPa（支承中心線截面上緣）

施工階段最大壓應力=11.41MPa（跨中偏1.8 米和3.8m的兩截面下緣）

上緣最大應力=6.74MPa

上緣最小應力=0.65MPa

下緣最大應力=8.07MPa

下緣最小應力=1.93MPa

最大剪應力=1.94MPa 箍筋間距=0.20m

上緣抗裂安全系數最小值=5.29

下緣抗裂安全系數最小值=1.55

最大主應力=6.83MPa

最小主應力=-1.15MPa

正截面強度最小比值

(承載能力/內力絕對值)=2.21

鋼束最大應力比=0.593

張拉鋼束完成60 天后上二期恒載78kN/m 到10000天時變形值為0.02358-0.01761=5.97mm。

張拉鋼束完成60 天后上二期恒載85.8kN/m 到10000天時變形值為0.022-0.01688=5.12mm。

4.2 考慮剪力滯效應，頂板按5.4m 寬計算

施工階段最大拉應力=-1.17MPa（支承中心線截面上緣）

施工階段最大壓應力=11.71MPa（跨中偏1.8 米的截面下緣）

上緣最大應力=6.84MPa,

上緣最小應力=0.42MPa

下緣最大應力=8.20MPa,

下緣最小應力=1.98MPa

最大剪應力=1.93MPa,箍筋間距=0.20

上緣抗裂安全系數最小值=3.46MPa,下緣抗裂安全系數最小值=1.54MPa

最大主應力=7.12MPa,

最小主應力=-1.15MPa

正截面強度最小比值

(承載能力/內力絕對值)=2.22

鋼束最大應力比=0.594

張拉鋼束完成60 天后上二期恒載78kN/m 到10000 天時變形值為0.0244906-0.0181776=6.31mm。

張拉鋼束完成60 天后上二期恒載85.8kN/m 到10000天時變形值為0.0241672-0.0194364=4.73mm。

跨中豎向位移＝-0.7467E-02/1.195121951＝-6.25mm ≈L/5040

梁端轉角＝-0.7619E-03/1.195121951 ＝-0.638E-03

反 拱（0.0 2 4 1 6 7 2-0.0 1 9 8 0 8 4）+0.0198084/0.8-0.00625/2 ＝25.99mm。考 慮張拉時混凝土彈性模量只達到設計的80%。

4.3 安全系數及各階段應力限值

安全系數及各階段應力限值見表1。

4.4 計算結論

恒載作用下產生的上拱度為29.12mm；靜活載撓度為6.25mm，為計算跨度1/5040，小于計算跨徑的1/1500；為保證線路在運營狀態下的平順性，梁體應預設反拱。理論計算跨中反拱值為26.0mm，其他位置應按二次拋物線過渡。實際施工中反拱的設置應根據具體情況，充分考慮收縮徐變的影響以及預計二期恒載上橋的時間確定。本次設計二期恒載上橋時間為預應力鋼束張拉完成后60 天，理論計算殘余徐變拱度值為4.73mm，小于10mm。鋪設無縫軌道應在終張拉60 天后方可進行，同時橋上附屬設施（二期恒載）宜在鋪設無碴軌道前完成。

表1 安全系數及各階段應力限值表

梁體因混凝土干燥收縮、徐變及預應力作用下的固定支座端上緣變形量為-7.4mm，固定支座端下緣變形量為0.3mm；活動支座端上緣變形量為-20.5mm，固定支座端下緣變形量為-28.2mm；活動支座上板預設27.9mm的縱向預偏心，向梁端方向預偏。

靜活載作用下梁端轉角0.000638，小于0.001rad，結構橫向自振頻率為11.67Hz，大于55/L；橫向風力+搖擺力+離心力作用下橫向位移為0.251mm，約為計算跨徑的1/125500，小于計算跨徑的1/4000。

5 下部構造設計

橋墩采用單線實體圓端形橋墩，T 形和挖方內橋臺。因橋位處多為卵石土地層，基本承載力較好，橋墩基礎采用挖井基礎。烏蘇通溝主河槽位于大里程側山體坡腳下，位于主河槽內的墩身基礎深度應考慮水流沖刷的影響，同時由于施工期間需要將河道改移至1～2 號墩之間，1、2 號墩基礎深度設計時考慮了施工期間洪水的沖刷。

中天山隧道施工采用的施工方法是TBM 掘進機掘進施工，受場地條件限制，需要在烏蘇通溝大橋的2 號墩至大里程側橋臺臺尾之間修筑大型的TBM組裝平臺，左右線 2 號墩均位于平臺填方邊坡內，故2 號墩身及基礎設計過程中還需要考慮填土壓力。

6 橋梁施工方案

烏蘇通溝大橋位于伯信特隧道及中天山特長隧道之間，橋隧相連。由于中天山特長隧道進口采用TBM 掘進施工方案，因此需在烏蘇通溝大橋橋址處設置大型的TBM組裝平臺。綜合考慮施工期間橋下排洪、施工安全等因素，確定采用以下施工方案：

1)TBM組裝平臺填筑前，先期施工烏蘇通溝大橋墩臺及基礎。

2)待墩臺及基礎施工完畢后，在烏蘇通溝大橋大里程側進行填土，作為TBM組裝平臺。在填土坡腳處，修建進入溝內的施工便道。位于橋墩四周的填土須對稱、均勻、分層填筑，以免產生偏壓，造成橋墩結構的破壞。

3)在主河槽范圍內，利用先期修建的橋墩并增設臨時支墩，架設軍便梁，作為出碴通道。

4)中天山隧道貫通后，利用填筑好的TBM組裝平臺及便橋進行烏蘇通溝大橋箱梁的現澆施工。

5)大橋梁體施工完工后，清除橋下填土，恢復既有河道；清除橋墩周圍填土時注意對稱均勻開挖，防止橋墩偏壓。

7 結束語

隨著我國鐵路建設的飛速發展，無碴軌道箱梁的采用在鐵路橋梁的設計中越來越普遍，該類梁型的設計重點是控制梁體在設計荷載下的變形。烏蘇通溝大橋屬于典型的橋隧相連工程，其設計采用的無碴軌道箱梁技術及后續的施工方案已在南疆吐庫二線的建設中順利實施，為今后我國同類型鐵路橋梁的建設積累了寶貴的設計及施工經驗。

[1]劉建瑞.中國交通運輸協會城市軌道交通專業委員會首屆中青年專家論文集《無碴軌道預應力混凝土梁設計》

[2]范立礎.橋梁工程，北京：人民交通出版社，1993.

[3]TB10002.3-2005.鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范，北京：中國鐵道出版社，2005.