宿淮鐵路(江蘇段)橋梁設計技術創新

李 濤

(中鐵上海設計院集團有限公司,上海 200070)

宿淮鐵路(江蘇段)橋梁設計技術創新

李 濤

(中鐵上海設計院集團有限公司,上海 200070)

介紹宿淮鐵路2座特大橋結構體系設計創新特點。理論計算分析表明:采用主跨132m 連續梁 拱組合體系單線橋可有效降低梁高,節省造價,施工和運營狀態下,結構的強度、剛度、橫向穩定、行車舒適度性等指標均滿足規范要求;主跨108m連續梁采用雙向減隔震體系后,正常使用狀態及多遇地震下結構正常工作。當設計地震及罕遇地震發生時,減隔震體系顯著降低地震反應,避免了重要部位破壞,保證了橋梁結構的安全性,具有明顯的經濟效果。

鐵路橋梁;組合結構;減隔震體系

1 概況

新建鐵路宿州—淮安線位于皖、蘇兩省北部,連通安徽省宿州、江蘇省宿遷及淮安,鐵路正線長210.414 km,其中江蘇省境內線路長度97.0 km,該段由中鐵上海設計院完成勘測設計。

1.1 沿線自然特征

江蘇段線路東西向橫貫江蘇省北部,經過淮河流域,線路跨越京杭運河、徐洪河、淮沭新河等多條重要河流,沿線跨越航道5處,通航等級Ⅶ—Ⅱ(三線),標準高。跨越高速公路、國省縣道等密布的交通要道17處。沿線地層主要以第四系全新統、上中更新統黏性土和砂類土為主,第四系沉積層厚度達45～150 m,主要地層依次分別為:黏土,粉質黏土,粉土,中、粗砂,泥質砂巖,片麻巖等,軟土及液化粉土等不良地質分布廣泛。全線均位于7、8度地震區,地震動峰值加速度(0.10～0.20)g。

1.2 主要技術標準

設計行車速度為160 km/h,列車豎向活載為“中-活載”,橋涵設計洪水頻率為1/100,特大橋及重要橋渡檢算頻率為1/300。

1.3 橋梁特殊結構

該段全線新建特大橋8座。為跨越高等級航道及高等級公路,分別采用了多座大跨度特殊結構橋梁,其中較為典型的有:京杭運河特大橋,主跨為(62+132+ 62)m 連續梁-拱組合結構,徐洪河特大橋,主跨為(66+108+108+66)m預應力混凝土連續梁,位于8度地震區,采用了雙向減隔震技術,以上2座橋梁在設計中具有顯著的技術創新特點。

2 主跨132 m 單線鐵路連續梁-拱組合結構

2.1 橋式與結構特點

組合結構橋梁具有剛度大、動力性能好等優越性,成為目前大跨橋梁結構發展的主要趨勢。采用預應力混凝土連續梁與鋼管混凝土拱肋組合形成的連續梁-拱組合橋式,結構的部分恒載及活載通過吊桿傳至拱肋,由拱肋直接傳到主梁根部,因而與同等跨度連續梁相比,可有效降低主梁跨中及支點處截面高度。

京杭運河特大橋位于宿遷泗陽縣境,橋址處京杭運河航道標準為VII—Ⅱ(三線),航道凈高7 m,通航高度控制梁底高程。經過多個橋式方案比選,考慮到最大限度減少施工對航道運營的干擾,采用(62+132+ 62)m預應力混凝土連續梁拱組合體系,一跨跨越京杭大運河(圖1)。

拱肋采用鋼管混凝土,拱軸線為二次拋物線,矢高22m,矢跨比1/6;拱肋采用啞鈴形截面,拱肋高度2.8m,鋼管外直徑0.8m,壁厚16mm。上下鋼管及腹腔內灌注C50無收縮混凝土。主梁采用預應力混凝土連續梁,單箱單室。跨中及邊支點梁高3.5 m,中間支點梁高7.0m。

圖1 京杭運河特大橋主橋立面布置(單位:cm)

本橋在科研和設計過程中,開展了橋式方案研究、連續梁拱組合體系設計、空間力學分析、主梁橫向穩定分析、拱腳空間有限元分析、車橋耦合動力仿真分析、地震反應分析以及施工穩定性監測等研究工作,取得了一系列成果。

2.2 主要研究成果

(1)由于采用了組合體系,與連續梁相比,有效地降低了梁高,減少了橋長。靜活載撓度為跨度的1/6 804,遠小于規定值1/700,滿足豎向剛度要求;拱肋承載力、混凝土應力等各項計算結果也均滿足設計強度和抗裂的控制要求。運營階段主梁應力及安全系數、拱肋鋼管應力見表1、表2。

表1 運營階段主梁混凝土應力及安全系數 MPa

表2 運營階段拱肋鋼管應力 MPa

(2)本橋寬跨比為1/20.3,滿足規范要求。采用有限元計算,一類線彈性穩定系數5.6。按簡化方法計算,面內穩定系數15.6,面外穩定系數4.87,均滿足規范值4.0的要求;施工階段拱肋的穩定系數為9.95,表明結構最大懸臂狀態時穩定安全仍有足夠的保證。

(3)拱腳局部模型空間有限元分析表明,拱腳混凝土基本均處于受壓狀態,其中,最大壓應力為19.8MPa,稍大于容許應力;最大拉應力為3.4 MPa,出現在拱肋周圍。根據計算結果,在結構設計中采取了增設鋼管外壁剪力栓釘、拱腳端部設承壓鋼板、沿拱軸方向設置預應力鋼筋、局部加密普通鋼筋等措施,使得局部應力滿足規范要求。圖2為拱頂最大負彎矩時,拱腳y方向的空間分析應力云圖。

(4)當客車設計行車速度為160 km/h、貨車設計行車速度為120 km/h時,橋梁自振特性、脫軌系數、舒適斯佩林指標等參數均在規范限值以內,列車運行安全性滿足要求。圖3為C62重車通過、速度80 km/h時車輛豎向加速度時程曲線。

圖2 最大負彎矩時拱腳y方向應力云圖

圖3 重車通過時豎向加速度時程曲線

(5)7度地震時,固定支座及橋墩承受的水平地震力較大。設計時加強了墩身和樁身的配筋。

3 主跨108 m連續梁主橋雙向減隔震技術

3.1 橋梁結構特點及抗震背景

徐洪河特大橋系單線橋,主跨為一聯(66+108+ 108+66)m預應力混凝土連續梁。其位于8度地震區,動反應譜特征周期0.45 s。多遇地震水平地震加速度a值為0.07g,設計地震a值為0.2g,罕遇地震a值為0.38g。岸上橋墩采用圓端形實體墩。考慮到線路與水流斜交,水中橋墩63號、64號采用了圓形墩,基礎均采用φ150 cm鉆孔灌注樁。

本橋位于高烈度地震區,主橋連續梁跨度較大,水中墩橫向剛度相對較小,成為抗震設計的主要控制因素。按照目前鐵路抗震設計規范中兩階段設計理論,如采用強度控制的方法,提高橋梁縱、橫向剛度,則需要加大橋墩截面和樁基礎的數量,引起工程造價的增加。為此,本橋在設計中運用了先進的減隔震理念,采用了雙曲面減隔震支座和黏滯性阻尼器共同作用的縱橫雙向減隔震體系,大大降低了地震作用,使得按常規設計的墩身和基礎同時能夠滿足抗震的要求,具有明顯的經濟效益和安全性。

3.2 抗震分析主要內容

(1)采用三維有限元計算方法,對結構進行動力特性和地震反應分析。計算模型考慮了樁基礎、相鄰聯跨、支座連接特點等耦合影響因素,以充分反映結構的本構關系。

(2)依據現行的鐵路工程抗震設計規范,采用3種設計概率的地震輸入,以反應譜分析法和非線性時程分析法對該橋進行結構減隔震設計方案的地震反應分析。

(3)通過結構減隔震方案(雙曲面減隔震支座+黏滯性阻尼器)的非線性時程分析,優選減隔震裝置的設計參數。

(4)在綜合計算分析的基礎上,校核3個設防水準地震作用下結構的抗震性能,主要檢算控制截面強度和關鍵節點的位移,提出改善結構抗震性能的構造措施以及上部結構防落梁措施。

3.3 不采用減隔振措施時的主要計算結果

不采用減隔震措施時,主要計算結果如下:

(1)多遇地震下,樁基承載彎矩安全系數(允許值/計算值)Kw＞1.0,表明橋墩和樁基保持在彈性范圍;部分支座水平剪切安全系數(允許值/計算值)Kz＜0,說明水平抗剪能力不夠;

(2)設計地震下,大部分Kz＜1.0,支座水平抗剪能力不足,大部分橋墩和樁基發生屈服損傷;

(3)罕遇地震下,Kz＜1.0,支座水平抗剪能力嚴重不足,樁基出現上拔力,損害嚴重。

表3為橋上無車時,63號橋墩固定支座縱向水平剪力值和樁基彎矩值。表4為61～63號橋墩樁基彎矩及支座水平剪切力安全系數K值。

表3 63號橋墩固定支座縱向水平剪力值和樁基彎矩值

表4 橋上無車時各橋墩樁基彎矩及支座允許水平剪切力安全系數K

根據上述結果,為了滿足三水準設防要求,一般可采用加大墩身截面、增加樁基根數、加大墩身和樁身配筋的抗震方法。經計算全橋樁基共增加直徑1.0～1.5m的樁約30根,樁基配筋需增加1倍以上;63、64號墩截面尺寸增大,橋墩配筋亦增加1倍以上,工程數量增加較大,經濟性差。

3.4 雙向減隔震體系原理及布置

為了降低工程造價,提高本橋的抗震能力,本橋設計時采用了先進的減隔震理念,選擇雙向減隔震體系,即雙曲面減隔震支座與黏滯性阻尼器聯合作用的減隔震體系,有效降低2個方向的地震作用,解決了常規抗震方法的缺陷。

雙曲面球型減隔震支座是一種耗能減震裝置,當地震發生且水平橫向力超過預定值時,限位裝置的抗剪銷和安全螺釘被剪斷,支座的橫向限位約束被解除,大半徑球面摩擦副橫向即可自由滑動,通過摩擦阻力逐漸消耗地震能量、延長地震時的結構周期,達到減震和抗震的效果。地震過后,結構自重又可形成恢復力,使支座復位;黏滯性阻尼器為一種耗能減震裝置,通常由缸體、活塞、阻尼孔、黏滯性流體和活塞桿等部件組成。當活塞桿在結構變形作用下推導活塞與缸體之間發生相對運動時,內部黏滯性流體流動,與缸體表面的摩擦力轉換成熱能,可將地震能轉化為分子熱能,達到耗能的目的。其阻尼力—位移滯回曲線為飽滿近似矩形,具有穩定的動力特性和很強的耗能能力。同時因為它是無剛度的,不會改變結構的固有動力特性,只對結構提供附加阻尼。

根據本橋理論分析結果,采用如下減隔振體系布置形式(圖4):

(1)在61～65號橋墩處,分別采用曲面半徑R= 4、5m,摩擦系數μ=0.05的FPB球形支座,承擔縱、橫兩個方向的減隔震作用;

(2)在連續梁主橋墩62、64號墩處,沿縱向安裝阻尼系數2 500、速度指數0.7、行程20 cm、噸位為2 000 kN的阻尼器,增強縱向的減隔震作用。

圖4 雙向減隔震支座支座及阻尼器平面布置示意(單位:m)

采用減隔震體系后,在正常使用狀態及多遇地震時,橋梁和支座結構均正常工作;當設計及罕遇地震發生時,支座抗剪銷剪斷,減隔震體系發揮作用,降低地震反應,避免樁基、墩身等重要部位遭受破壞或損傷,極大提高了橋梁結構的安全性能。表5為罕遇地震下,樁基橫向彎矩安全系數Kw、阻尼器水平力及縱向位移值。當減隔震體系發生作用時,水平力由各墩分散承擔,阻尼器最大水平力為3 127 kN,遠小于原結構計算值15 122 kN;樁基彎矩安全系數Kw＞1.0,墩身及樁基安全。

表5 各橋墩樁基橫向彎矩安全系數Kw、阻尼器水平力、縱向位移值

4 結論

(1)主跨132m單線鐵路連續梁拱組合結構

在滿足豎向剛度要求前提下,本橋結構可有效降低梁高,降低造價。整體和局部結構在施工和運營階段的強度、剛度、穩定性等指標滿足要求;當客車設計行車速度為160 km/h、貨車為120 km/h時,橋梁自振特性、脫軌系數、舒適斯佩林指標等參數均在規范限值以內,列車運行安全性滿足要求。

(2)主跨108m連續梁主跨雙向減隔震技術

如果不采用減隔震措施,在設計地震下及罕遇地震下,支座及樁基將出現嚴重損壞。必須采用加大墩身截面、增加樁數、加大配筋等常規抗震方法,工程數量增加較大,經濟性差。

采用減隔震體系后,原設計結構在正常使用狀態及多遇地震時可正常工作。當設計及罕遇地震發生時,減隔震體系發揮作用,顯著降低了地震反應,避免樁基、墩身等重要部位遭受破壞或損傷,極大地提高了橋梁結構的安全性,具有明顯的經濟效益。

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Technology Innovation in Bridge Design of Jiangsu Section of Suzhou-Huaian Railway

LITao
(China Railway Shanghai Design Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai200070,China)

This paper introduces the characteristics of design innovation of two super major bridges in Jiangsu section of Suzhou-Huaian Railway.Firstly,theoretical calculation showed that:the girder depth and the project cost could be reduced effectively by using the single line bridge with the main span of 132m continuous girder-arch composite system,while in the process of construction or operation,the structure strength,stiffness,lateral stability,comfort level and other indexes couldmeet the requirements of relevant standards.Secondly,theoretical calculations showed that:in the case of using the bidirectional seismic isolation system in 108 m continuous girder of main span,the bridge could work normally under the normal service condition and small earthquake condition.Furthermore,in case of the design earthquake or severe earthquake,the seismic isolation system could reduce the seismic response significantly and protect the key structure parts from being damaged.So the safety of bridge structure could be assured with the obvious economic effects.

railway bridges;composite structure;seismic isolation system

U442.5

A

1004 -2954(2012)10 -0025 -04

2012 -02 -27

鐵道部科技研究開發計劃項目(2008 G023-B)

李 濤(1957—),男,教授級高級工程師,2006年畢業于北京交通大學道路與鐵道工程專業,工學博士,E-mail:litao@sty.sh.cn。