拉日鐵路雅魯藏布江3號特大橋設計分析

劉宗峰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 工程概況

拉薩至日喀則鐵路雅魯藏布江3號特大橋是為線路第三次跨越雅魯藏布江大峽谷而設,是峽谷區規模最大橋梁。橋址位于峽谷開闊區,橋址處江面寬約280 m,海拔3 790 m,河道水流下切強烈。線路于IDK163+620～+794跨越雅魯藏布江,于IDK164+195～+205處斜交54°上跨318國道,318國道來往車輛頻繁。橋位附近風沙大,有滑坡、泥石流洪積扇堆積區、風積沙覆蓋層等。地震基本烈度八度(峰值加速度值0.20g,反應譜特征周期0.45 s)。線路采用國鐵Ⅰ級,列車速度160 km/h,單線橋,橋上最大縱坡10.0‰,全橋鋪設無縫線路。

2 橋梁孔跨及主橋方案的確定

控制主跨的主要因素為雅江江面寬度,基于減少深水橋墩個數,以及高地震烈度區軌道溫度對聯長限制的綜合考慮,橋梁主跨最終按(88+148+88) m考慮。結合地形及立交控制點等,橋梁孔跨布置采用16-32 m簡支梁+(88+148+88) m梁+19-32 m簡支梁,橋梁全長近1.5 km(圖1)。橋址處屬高烈度地震區,橋梁宜采用上部結構輕型化及抗震性能較好的結構。由于梁高不受控制,排除拱結構體系；本線存在鋼梁加工運輸困難的因素,排除鋼梁結構;排除其他幾種主要橋型后,主跨最終按部分斜拉橋和連續剛構橋考慮。

圖1 雅魯藏布江3號特大橋立面(單位：m)

2.1 (88+148+88) m部分斜拉橋方案

橋高約56 m,鐵路橋對行車的舒適性和平順性要求高,活載效應大,加之部分斜拉橋梁部質量大,因此采用塔墩梁全固結體系。主塔采用鋼筋混凝土框架結構,橋塔塔柱為實心矩形截面,順橋向長4.0 m,橫橋向寬1.7 m。梁頂以上橋塔有效高度21 m,約為主跨的1/7.05?？缰袩o索區長度12 m。斜拉索為雙索面,采用鋼鉸線索,塔上斜拉索索距1 m,梁上斜拉索索距5.5 m,如圖2所示。

圖2 (88+148+88) m部分斜拉橋方案(單位：m)

2.2 (88+148+88) m連續剛構橋方案

連續剛構橋型,主墩無需大噸位支座,因橋梁較高,順橋向抗推剛度小,能有效地減小溫度、收縮徐變和地震的影響。高墩、大跨度的結構剛度控制采用車橋耦合分析結果及自振周期雙控制的原則。目前，我國采用橫向自振周期不大于1.7 s的標準來控制[8]。經對連續剛構抗震分析計算,在適當加強下部結構的情況下,能夠滿足抗震要求。如圖3所示。

圖3 (88+148+88) m連續剛構橋方案(單位：m)

2.3 橋式方案的比選結論(表1)

表1 橋式方案比選

綜合以上比較,連續剛構方案從施工方法,經濟因素等多方面都優于斜拉橋方案,連續剛構橋剛度大、變形小、動力性能好,主梁變形撓曲線平緩,利于行車。雅魯藏布江3號特大橋主橋最終按(88+148+88) m連續剛構橋設計。

3 主跨(88+148+88) m連續剛構橋設計

3.1 上部結構

主梁采用單箱單室變高度直腹板箱形截面,梁高5.8～11.0 m,梁底變化段曲線為2.0次拋物線。箱梁頂寬9.0 m,箱梁底寬7.4 m,單側懸臂長0.8 m,頂板厚0.4～0.9 m,腹板厚0.5～1.0 m,底板厚0.45～0.95 m。梁體采用C55混凝土。箱梁在主墩及邊墩墩頂設置橫隔墻,采用懸掛吊籃法施工。箱梁斷面如圖4、圖5所示。

圖4 1/2支點和跨中構造斷面(單位：cm)

預應力體系：箱梁采用全預應力理論設計。梁體采用縱、橫、豎三向預應力體系?？v向按全預應力體系設計?？v、橫向預應力采用鋼絞線,豎向采用精軋螺紋鋼筋。

3.2 下部結構

主墩采用圓端形空心橋墩,實體部分高約13 m,空心部分墩高約27 m,壁厚0.65～1.38 m；墩頂截面最小,為縱×橫=6 m×7.4 m圓端形截面。主橋下部結構尺寸見表2。

表2 主橋下部結構尺寸

圖5 1/2支點和跨中鋼束布置(單位：cm)

3.3 結構計算3.3.1 計算參數及荷載

環境相對濕度70%；恒載包括結構及附屬設備自重、預加力、基礎變位影響力等；二期恒載采用78 kN/m；活載采用中-活載,設計活載動力系數1.0；溫度力升溫按20 ℃考慮,降溫按25 ℃。橋面板升溫5 ℃對結構的影響；基礎不均勻沉降值取1 cm；施工掛籃按1 000 kN計算；地震基本烈度8度(地震動峰值加速度Ag=0.2g,T=0.45 s)。

荷載組合根據相關規范分別按主力組合和主力+附加力組合進行組合驗算,并對特殊荷載按規范進行組合驗算。

3.3.2 結構靜力計算

(1)總體平面桿系模型：采用西南交大編制的《橋梁結構分析系統》(BSAS)程序對箱梁進行施工階段和運營階段的縱向平面靜力分析計算。全橋共劃分單元133個,節點136個。結合施工流程,共劃分為69個施工階段,第69階段為使用階段。結構模型圖如圖6所示

主要靜力計算結果：運營階段彎矩包絡圖如圖7所示,運營階段剪力包絡圖如圖8所示。具體數據結果如表3所示,其各項指標均滿足規范要求。

圖6 剛構橋有限元計算簡圖

圖7 運營階段彎矩包絡圖(主+附)(單位：kN·m)

圖8 運營階段剪力包絡圖(主+附)(單位：kN)

運營階段主力容許值主+附容許值項目計算值上緣最大應力/MPa117918513682035運營荷載作用下預應力鋼束最大應力比06上緣最小應力/MPa11901060靜活載中跨豎向最大撓度/cm14下緣最大應力/MPa96918511042035靜活載邊跨豎向最大撓度/cm12下緣最小應力/MPa26600920施工階段上緣最大應力/MPa1213最大主應力/MPa1242221432222施工階段下緣最大應力/MPa1142最小主應力/MPa1153312833施工階段上緣最小應力/MPa123強度安全系數231222182施工階段下緣最小應力/MPa059容許值≤06≤211≤11≤222≤-18(拉)

(2)橫向計算

主要用于箱梁橫向環框靜力計算。順橋向截取1.0 m長度,分箱梁施工、橫向預應力束張拉、二期恒載施工及運營4個階段計算。計算按箱梁自重、橋面二期恒載、混凝土收縮徐變、預應力效應、活載、箱梁內外溫差等荷載進行荷載組合驗算。根據結果,豎向設φ32 mm PSB830螺紋粗鋼筋,橫向設4φ15.2 mm鋼絞線,間距均為50 cm。

3.3.3 結構動力計算

以MIDAS( Civil)程序建立空間桿系模型進行全橋動力分析計算,全橋共劃分單元152個,節點157個；定義3種PC材料類型；截面共56個,變截面8組。靜力荷載工況3組,反應譜荷載工況2組。組合各種不同類型荷載及工況進行計算。

采用有限元數值方法對大橋進行自振特性(頻率、振型、阻尼)分析,前10階振型見表4。

表4 雅魯藏布江3號特大橋(88+148+88) m主橋振型特征

按照《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111—2006)規定,本橋屬于B類橋梁。按B類橋梁計算要求,通過有限元模型進行計算,得出有車、無車等各種工況下的地震力,代入橋墩進行驗算,全橋以剛構橋進行計算,計入橋墩基礎剛度。橋墩的主要計算結果如表5所示。

表5 橋墩主要計算結果

3.3.4 結構抗震設計

主墩與梁固結，邊墩支座通過計算結果采用TQGZ-7000系列球形鋼支座，每個支點設2個支座，邊跨支座中心線距離梁端0.75 m，距離橋梁中心線2.75 m。為減小地震對橋梁的破壞影響，在兩個邊墩支座處設防震鋼料，在鋼料和支撐墊石間填塞緩沖橡膠墊塊。當地震發生時，防震鋼料限制了箱梁邊跨梁端的位移，使箱梁產生的慣性力由主墩承擔改為由主墩與邊墩共同承擔，并且鋼料能產生塑性變形，耗散輸入橋梁中的能量。這就有效的降低了地震對主墩的作用力。緩沖橡膠墊塊的設置能延長作用時間，減小了作用力，對橋梁抗震起到很好的作用。防震鋼料及緩沖橡膠墊塊具體如圖9所示。

圖9 邊墩預埋抗震鋼料

在橋墩抗震中,利用結構和構件的彈塑性變形循環耗散掉大量的地震輸入能量,即利用塑性鉸減小地震力,同時延長結構自振周期,從而減小地震反應。采用延性抗震的設計理念在橋梁抗震設計中是非?？茖W的。

根據《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111—2006)2009年版附錄F提供的橋墩延性設計簡化計算方法。由MIDAS(Civil)模型,代入反應譜計算得到的罕遇地震下墩身截面最大彎矩Mmax,由橋墩加強后的配筋率反算出鋼筋屈服時候的橋墩屈服彎矩My。代入橋墩的非線性位移延性比與線性彎矩比的公式,得出非線性位移延性比μm,詳細計算數據如表6所示。

表6 非線性位移延性比μm計算數據

非線性位移延性比μu<4.8,滿足規范延性驗算的要求。在橋墩根部塑性鉸區域加強箍筋及拉筋的設置,使橋墩根部很好起到鉸的作用(圖10)。

圖10 建設中的雅魯藏布江3號特大橋

4 結語

本橋橋址工程地質條件差，橋跨周圍受控因素較多。通過詳細的勘察及設計，選出了較為合理的橋型及構造。目前，主橋下部施工已經完成，大橋主梁已于2013年6月23日合龍。本橋在結構選型及連續剛構的設計計算分析中，利用Bsas及midas等軟件建立模型，實現了設計計算的精確化模擬，將“減隔震設計”思想很好地運用到了設計中，為同類型橋梁設計積累了經驗，為以后同類型橋梁方案比較及設計提供參考。

[1] 拉薩至日喀則鐵路雅魯藏布江3號特大橋施工圖文件[Z].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2010.

[2] 拉薩至日喀則鐵路初步設計文件[Z].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2010.

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