張唐鐵路（64+64）m T型剛構設計分析

萬亞華

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津市 300142）

1 項目背景及結構特點

新建張家口至唐山鐵路工程全線共525 km，（64+64）m T型剛構共計6處，其中跨京哈鐵路、大秦鐵路兩跨越點采用轉體施工工藝（見圖1）。T型剛構橋采用墩梁固結兩端懸臂來實現跨越，具有懸臂法施工中保持體系平衡的特點。T型剛構在以下幾種地形中與其他橋型相比具有一定的優勢：（1）跨越V型沖溝、峽谷地形，簡支梁因縱向刷坡要求及剛度差限制，已不能滿足設計要求，而取T型剛構以代之。（2）跨越既有鐵路（等級公路），為減少對既有線運營的影響，采用轉體施工的T型剛構。相對連續梁而言，僅一主墩設置轉盤，降低施工難度。（3）兩隧道之間工點，因接口專業特殊要求必須設大跨，但為減少橋隧串接長度，T型剛構為更優橋式方案。

圖1 全橋立面布置圖（單位：cm）

張唐鐵路T型剛構各工點剛臂墩墩高從9 m至40 m不等，分別采用了實體、空心橋墩兩種形式，T型剛構的施工方法有懸臂澆筑法、轉體施工法。

2 技術標準

線路等級：正線為雙線、電化；設計速度目標值120 km/h。

設計活載：中-活載。

軌道類型：有砟軌道。

3 結構尺寸

3.1 梁部結構

張唐線（64+64）m T型剛構，梁部總長129.5 m。主梁采用單箱單室變高度箱形截面，邊支點處梁高3.8 m，中支點處梁高7.4 m，梁高按二次拋物線變化。主梁頂板寬度為11.9 m，頂板厚0.45 m，中支點及邊支點處局部加厚為0.95 m。主梁底板寬6.8 m，底板厚度按二次拋物線由0.45 m變化至0.95 m，中支點處局部底板厚1.5 m，邊支點處局部加厚為0.95 m。主梁腹板采用直腹板，厚度由0.5 m按折線分兩次變化至0.8m，邊支點附近線性增加至1.0 m。主梁共設4道橫隔板，邊支點橫隔板厚1.5 m共2個；中支點橫隔板厚1.4 m共2個，均設置過人孔。

圖2為端部截面圖，圖3為剛臂墩處截面圖。

圖2 端部截面圖（單位：cm）

圖3 剛臂墩處截面圖（單位：cm）

3.2 橋墩結構

橋墩采用矩形截面，墩頂縱橫向尺寸為7.0 m×8.0 m；橋墩橫向尺寸按1∶20向下放坡，縱向尺寸采用直坡。根據工點墩高不同分實體、空心墩。空心墩橋墩壁厚1.4 m，在墩壁四周按4.0 m間距設置直徑20 cm的通風孔。

4 結構分析計算

4.1 梁高的擬定及縱向計算

張唐線荷載標準為中-活載，擬定（64+64）m T型剛構的梁高時，參照其他項目不同荷載標準、相同跨度的T型剛構，如表1所列。

表1 梁高對比表（單位：cm）

對相同跨度T型剛構而言，中-活載的梁高應介于重載，ZK活載梁高之間。基于表1所列，對梁體進行不同高度檢算。以張唐線遵化跨大秦鐵路（64+64）m T型剛構為例，采用BSAS建立全橋平面模型對各施工階段及運營階段進行計算分析，T型剛構節點總數57，單元總數56,計算模型見圖4所示。計算荷載包括：恒載（結構自重、二期恒載、混凝土收縮徐變、預應力、基礎變位等）、活載（列車活載、搖擺力、牽引或制動力、鋼軌力等）、附加力（風力、溫度力）、特殊荷載（列車脫軌荷載、運架梁荷載、地震力等）。

圖4 全橋平面有限元模型

為保證運營階段截面上、下翼緣壓應力有至少1 MPa儲備，張唐線（64+64）m T型剛構在剛臂墩、支座處梁高分別取7.4 m、3.8 m。該結構尺寸下主梁在運營階段理論計算結果如表2所列。

橋梁結構在靜活載作用下的撓度結果如表3所列，滿足結構的剛度及行車的舒適性要求。

4.2 橋墩結構形式的比選（見表4）

在擬定（64+64）m T型剛構剛臂橋墩時考慮以上三種情況。張唐T型剛構的剛臂墩墩高有兩處位于18 m以下，均采用實體墩；其余工點的剛臂墩墩高均在36 m以上，均采用單箱空心墩。

4.3 關鍵技術研究

4.3.1 鋼束及鋼筋布置

T型剛構若簡單采用短束、直線形布束，在截面較大情況下，極易產生應力盲區，以致產生斜裂縫；底板縱向鋼束完全沿底板行走將導致較大的徑向力，容易底板剝落。

表2 運營階段主梁計算結果一覽表

表3 靜活載作用下的撓度一覽表

表4 橋墩形式分析表

張唐線T型剛構鋼束按如下原則進行布束：（1）頂板須保留有通長縱向鋼束；（2）底板縱向鋼束盡量靠近腹板布置并錨固；（3）相鄰腹板束向下彎折區域應有相互重疊，以避免斜裂縫的產生；（4）在T型剛構剛臂墩墩頂附近，設置部分下彎束，提供一定預剪力；（5）在邊跨現澆段布置縱向彎起束；（6）邊跨現澆段與懸臂端相接處底板縱向鋼束盡量靠近底板上緣布置，以增大截面抵抗鋼束徑向力的抗剪厚度；（7）豎向預應力鋼筋盡可能布置在腹板中心線上，在0號塊橫隔板加厚段須進行豎向預應力鋼筋加強布置，現澆段也設置豎向預應力鋼筋。

T型剛構的鋼筋布置除滿足常規的設計外，還采取了以下一些措施：箱形截面采用大U形鋼筋以增加箱梁的抗扭和穩定性；對于支座處設加強鋼筋網；底板考慮徑向力增設一定的防崩鋼筋；對墩梁固結處底板設計縱、橫向、倒角加強鋼筋。

4.3.2 轉體結構計算

張唐線（64+64）m T型剛構有兩工點采取懸臂+轉體施工工藝，對于轉體施工的T型剛構而言，須在墩底與承臺之間設轉盤系統。轉體結構由下轉盤、球鉸、上轉盤、轉體牽引系統組成。根據T型剛構轉體前豎向力確定所需要轉盤的球鉸直徑；根據球鉸直徑確定基礎尺寸；擬定下轉盤、球鉸、上轉盤尺寸并確定牽引力；對墩底、加臺、上球鉸之間固結系統進行局部分析，確定需要的預應力鋼鉸線數量，以確保上轉盤全截面受壓。

T型剛構轉體結構局部分析借助于有限元midas-FEA軟件,用實體單元模擬鋼筋混凝土，鋼筋單元模擬鋼絞線。鋼絞線型號、張拉控制應力如表5所列。

表5 轉體結構局部分析參數表

通過對墩底、加臺、上球鉸所組成的固結系統進行計算局部分析。計算結果如下：

不加預應力情況下，（1）第一主應力：最大主壓應力為7.32 MPa，分布于撐腳處；最大主拉應力為2.96 MPa，主要分布于球鉸位置。（2）縱橋向混凝土最大拉應力為0.85 MPa，加臺側面為受拉狀態；最大壓應力為6.5 MPa，主要分布于撐腳位置。（3）橫橋向混凝土最大拉應力為0.96 MPa，位于側邊及頂底面；最大壓應力為9.17 MPa，主要位于撐腳位置。該情況下加臺均為受拉狀態.

加預應力情況下，（1）第一主應力：最大主壓應力為7.1 MPa，分布于撐腳處，其余基本為全截面受壓。最大主壓應力為2.94 MPa，主要分布于球鉸位置。（2）縱橋向混凝土最大拉應力為0.068 MPa，上轉盤全截面均受壓，最大壓應力為6.62 MPa，主要分布于撐腳位置，球鉸及錨固端約為2～4 MPa的壓應力。（3）橫橋向混凝土最大拉應力為0.068 MPa，最大壓應力為9.76 MPa，主要分布于撐腳位置。該情況下除橋墩外各截面均為壓應力，加臺全截面均為受壓截面。

其應力云圖見圖5～圖7所示。

圖5 主應力云圖（預應力施加后）

圖6 縱橋向應力云圖（預應力施加后）

圖7 橫橋向應力云圖（預應力施加后）

由以上計算結果可以看出：（1）沒配預應力鋼束時，縱、橫向混凝土最大拉應力狀態下，加臺處截面出現拉應力。（2）配預應力鋼束后，出現拉應力的僅限于橋墩位置；（3）配預應力鋼束后，轉盤縱橫向正應力均為壓應力（加臺全截面受壓），錨固區滿足超過2 MPa的壓應力。

通過對轉體結構局部分析可知，上轉盤（墩底加臺處）縱、橫向預應力鋼束的設計是有必要的，合理的鋼束配置能保證上轉盤有一定壓應力儲備。下球鉸安裝聚四氟乙烯滑動片，可以將上球鉸的反力傳遞給下球鉸的集中分散到下轉盤。對于球鉸處受力較集中，在設計中增大鋼板厚度及包裹面積以增加壓應力安全儲備。

4.3.3 曲線T型剛構轉動中心偏心距E的確定

對處于曲線段的T型剛構，曲梁自重產生的不平衡荷載為橫向不平衡力矩的影響因素。位于800 m半徑圓曲線T型剛構，其橫向偏心距達15.6 cm。因此須確保T型剛構重心為承臺中心（也是轉體施工的轉動中心），T型剛構重心與橋墩中心有一個偏心距E。

（1）對于均處于圓曲線的T型剛構，可采用‘彎矩抵消法’。計算如下：

假設T型剛構梁體重為M，剛臂墩重為N，梁體有s個節段，每個節段重為mi,每一節段相對橋墩中心橫向偏距為 li，i=(1,s)。

由以上公式可知，相同曲線半徑T型剛構，墩高值越小，墩底偏心距越大。

（2）對于處于緩和曲線上T型剛構，可考慮采用文獻［3］中“等效半徑法”將緩和曲線等效成圓曲線，再采用“彎矩抵消法”計算偏距。

（3）對于處于緩和曲線及圓曲線上的T型剛構須采用實體建模以確定其偏距。

5 結語

本文結合張唐鐵路T型剛構的設計，提出了中-活載標準下（64+64）m T型剛構設計的一些設計思路及設計要點。總結如下：（1）T型剛構作為施工階段受力與結構使用狀態下受力基本一致的橋型，在某些特殊地形橋式比選中應用具有一定的優勢；（2）張唐線（64+64）m T型剛構能夠滿足鐵路行車的安全與舒適性要求，橋梁在運營階段的應力及撓度能滿足相關規范的要求；（3）本文所提的鋼束布置原則適用于其他跨度T型剛構，調束后盡量避免產生應力盲區；（4）對于采取轉體施工的T型剛構，對轉動結構須采取一定的措施，以避免出現拉應力或應力集中；（5）本文提出的‘彎矩抵消法’對處于曲線段的T型剛構具有廣泛的適用性。

[1]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[S].

[2]TB10002.1—2005，鐵路橋涵設計基本規范[S].

[3]鐵道第三勘察設計院 .橋梁設計通用資料[M].北京：中國鐵道出版社，1993.

[4]劉效堯，徐岳.梁橋[M].北京：人民交通出版社，2011.

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[7]徐岳，王亞君，萬振江.預應力混凝土連續梁橋設計[M].北京：人民交通出版社，2000.