大馬鐵路七里溝特大橋64 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁設(shè)計

歷　付

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津　300142)

1　概況

大馬鐵路七里溝特大橋位于山區(qū)深谷地段，橋高68 m，全橋采用簡支梁結(jié)構(gòu)，高墩部分采用12-64 m簡支箱梁，節(jié)段預(yù)制移動支架拼裝施工。本橋位于11‰坡道上，平面為直線及R=800 m曲線，設(shè)計活載為中-活載，行車速度120 km/h，主橋部分具有橋梁高、跨度大、曲線半徑小的特點。

2　結(jié)構(gòu)形式

2.1　主梁構(gòu)造

本設(shè)計為移動支架拼架法預(yù)應(yīng)力混凝土單線箱梁，梁場預(yù)制梁段，造橋機拼接梁段，現(xiàn)場澆筑濕接縫，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束聯(lián)成整體。梁全長66.2 m，計算跨度為64.0 m，截面梁高5.0 m，支座中心至梁端1.1 m。截面采用單箱單室、等高度、直腹板形式，箱梁頂寬5.5 m，底板寬度為3.40 m。為滿足支座板放置要求，支點處底板寬加寬至4.14 m。頂板厚均為320 mm，腹板厚320～560 mm，按折線變化，底板厚由跨中的450 mm變化至梁端的900 mm。全聯(lián)在支座、跨中和約1/4跨處共設(shè)置5個橫隔板，隔板厚度：支座處1.15 m，跨中和1/4跨處0.5 m。橫隔板設(shè)有孔洞，供檢查人員通過。箱梁兩側(cè)腹板與頂?shù)装逑嘟惶幫鈧?cè)均采用圓弧倒角過渡，橋面兩側(cè)設(shè)人行道，人行道寬為1.05 m，截面形式見圖1。

2.2　預(yù)應(yīng)力體系

本梁采用單項預(yù)應(yīng)力體系，即沿梁縱向施加預(yù)應(yīng)力，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用抗拉強度標準值為1 860 MPa的高強低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，其技術(shù)條件應(yīng)符合GB/T5224—2003標準。設(shè)計過程中對預(yù)應(yīng)力鋼束的布置形式和采用規(guī)格進行了分析比較，最終確定腹板束采用16束13-7φ5，排成一列，通長布置，錨下張拉控制應(yīng)力為1 230 MPa；底板束采用12-7φ5，錨下控制應(yīng)力為1 230 MPa；錨固體系采用OVM系列。鋼束布置見圖2。

圖1　箱梁截面構(gòu)造(單位：mm)

3　計算分析

3.1　縱向計算

梁部縱向計算采用BSAS軟件建立有限元模型，進行強度、抗裂計算，模擬各施工階段和運營階段工況，計算各施工階段及運營階段各截面的內(nèi)力、應(yīng)力和變形。梁部縱向劃分為44個單元，計算時模擬施工工藝，各個節(jié)點均設(shè)置支撐，完成梁段拼裝，張拉第一批鋼束，加載部分二期恒載；然后拆除節(jié)點處的支撐，張拉剩余鋼束，最后施工剩余的全部二期恒載。

設(shè)計中考慮了溫度荷載的影響，梁體按均勻升溫25 ℃、降溫25 ℃計算，運營階段非線性溫度變化，按頂板升溫5 ℃考慮。各項指標均滿足規(guī)范要求，如表1所示。

圖2　縱向鋼束布置(半立面)(單位：mm)

項目直線曲線主力主+附加力主力主+附加力上翼緣最大正應(yīng)力/MPa14.9915.4616.0416.51上翼緣最小正應(yīng)力/MPa1.831.481.220.88下翼緣最大正應(yīng)力/MPa10.6610.9811.7512.07下翼緣最小正應(yīng)力/MPa3.23.033.223.05最大剪應(yīng)力/MPa2.592.592.982.98下翼緣抗裂安全系數(shù)1.411.391.381.37最大主壓應(yīng)力/MPa16.6917.3917.918.6最大主拉應(yīng)力/MPa-1.32-1.41-1.58-1.69正截面強度安全系數(shù)2.292.292.232.23

3.2　橫向計算

箱梁橫向采用平面梁單元建立有限元模型，選取跨中和梁端支座處兩個關(guān)鍵截面，縱向單位長度，模擬支撐腹板中心線下緣的閉合框架結(jié)構(gòu)進行受力分析。計算荷載：結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、特種活載、溫度變化和收縮徐變等，箱梁計算模型見圖3。通過橫向計算確定本橋橫向不需設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力，僅配置普通鋼筋即可滿足要求。

圖3　平面框架法有限元模型

3.3　車橋耦合動力仿真分析

本橋為單線簡支梁、曲線半徑R=800 m，橋墩高68 m，整體剛度小，曲線半徑小，需對橋梁結(jié)構(gòu)的動力性能進行詳細分析。采用空間有限元程序來建立七里溝特大橋12孔64 m簡支箱梁的動力分析模型。

具體建模時采用空間粱單元來模擬上部主梁及橋墩，橋墩和主梁之間的連接通過主從約束和剛臂模擬；將樁基礎(chǔ)剛度值等效到承臺底，進行動力仿真計算，橋面二期恒載作為均布質(zhì)量分配到橋面梁體單元中。動力仿真計算全橋模型共有節(jié)點798個，粱單元773個。

七里溝特大橋12-64 m簡支箱梁的動力分析模型分別如圖4、圖5所示。

圖4　七里溝特大橋12-64 m簡支箱梁動力仿真分析模型(平面)

圖5　七里溝特大橋12-64 m簡支箱梁動力仿真分析模型(立體)

采用空間有限元建立其全橋動力分析模型，對其自振特性進行了計算；并對該橋在C80貨車作用下的車橋空間耦合振動進行了分析，評價了該橋的動力性能以及列車運行安全性與平穩(wěn)性。其主要結(jié)論如下。

(1)橋梁自振特性分析

七里溝特大橋14號墩—馬方臺之間12孔64 m簡支箱梁：全橋梁-墩體系一階橫彎頻率0.599 Hz，主梁一階豎彎頻率為2.055 Hz。橋梁動力性能根據(jù)橋梁動力響應(yīng)分析結(jié)果進行評價。

(2)橋梁振動性能

在C8貨車以速度80～120 m/h運行時，簡支梁動力分析結(jié)果如表2所示。

表2　橋梁動力響應(yīng)分析結(jié)果

可見，在C80貨車作用下，七里溝特大橋14號墩—馬方臺之間12孔64 m橋梁豎向和橫向振動加速度及振動位移均小于規(guī)范規(guī)定的限值，說明橋梁的振動性能良好。

(3)列車行車安全性

在C80貨車以速度80～120 km/h范圍通過七里溝特大橋14號墩—馬方臺之間12孔64 m簡支箱梁時，重車與空車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內(nèi)。

(4)列車運行平穩(wěn)性

在C80貨車以速度80～120 km/h范圍通過七里溝特大橋14號墩—馬方臺之間12孔64 m簡支箱梁時，重車與空車豎向和橫向平穩(wěn)性均達到“優(yōu)良”。

動力分析表明，新建鐵路大路西至馬柵線七里溝特大橋14號墩—馬方臺之間12孔64 m簡支箱梁在C80貨車以速度80～120 km/h通行時，行車安全性和舒適性滿足要求，其動力性能符合要求。

4　施工工藝

本橋橋高68 m，跨度較大，橋梁施工為本橋難點。一孔64 m單線簡支箱梁重約1 246 t，如果采用整孔預(yù)制架設(shè)施工難度很大，且需要特殊設(shè)計大噸位運梁、架設(shè)設(shè)備，如果采用支架現(xiàn)澆，支架高空作業(yè)不穩(wěn)定，風險大，且工期較長，對縮短工期不利。為了彌補上述工藝的不足，本橋研究采用節(jié)段預(yù)制拼裝法施工，這種工藝在架設(shè)設(shè)備、工程質(zhì)量控制、縮短施工工期、減低成本等方面具有明顯優(yōu)勢。

節(jié)段預(yù)制拼裝法采取化整為零的措施，將梁體分為若干小段預(yù)制，以減輕吊裝重量，再通過特制造橋機將各階段拼裝而成，此方法大大縮短了架設(shè)工期，降低了施工成本。本梁分為13節(jié)段，最大階段長4.6 m，最大吊裝重量100t，梁段間通過0.6 m寬濕接縫連接。節(jié)段預(yù)制拼裝法對現(xiàn)場施工質(zhì)量控制要求較高，要求梁段預(yù)制28天后方可進行吊裝架設(shè)，梁段吊裝方式采用鋼棒插入吊裝孔吊裝的方式，應(yīng)保證吊裝時各吊點受力均衡。梁段拼裝施工中應(yīng)采用先縱向調(diào)整，后橫向調(diào)整，再豎向調(diào)整，依次反復(fù)循環(huán)調(diào)整過程，保證梁段精確就位，然后進行濕接縫澆筑、張拉預(yù)應(yīng)力等，完成整孔梁架設(shè)施工。節(jié)段拼裝施工見圖6。

圖6　節(jié)段拼裝施工方法

[1]TB10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S]

[2]TB10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

[3]TB10005—2010鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范[S]

[4]李小珍.高速鐵路列車—橋梁系統(tǒng)耦合振動理論及應(yīng)用研究[D].西南交通大學，2000