蘭州至中川城際鐵路西固黃河特大橋設計

王小民

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

1 工程概況

西固黃河特大橋位于蘭州市西固區，為新建蘭州至中川城際鐵路的重點控制性工程，橋梁全長5 837.92 m，最大墩高37 m。該橋主橋采用了(80+120+120+80)m預應力混凝土雙線連續剛構，主橋為跨越黃河而設，本橋位于R=800 m的圓曲線及緩和曲線上，是同類橋梁中目前國內最大跨的鐵路橋梁。主橋立面布置見圖1。

圖1 連續剛構立面布置(單位:m)

2 主橋結構設計

2.1 主要設計技術標準

設計活載:雙線鐵路，中—活載。有砟軌道。設計行車速度160 km/h。基礎不均勻沉降按2 cm計。體系溫度:按當地氣象資料整體升溫按30℃，降溫按25℃(不包括混凝土收縮影響)。橋址地區地震基本烈度8度。地震動峰值加速度0.238g，動反應譜特征周期為0.45 s。

2.2 主梁構造

主梁為預應力混凝土結構，箱梁采用單箱單室、變高度、變截面結構，箱梁頂寬11.4 m，底寬6.7 m。箱梁計算跨度(80+2×120+80)m，梁全長401.5 m。箱梁梁底下緣按2.0次拋物線變化，拋物線方程y=0.001 68x2，中支點處梁高8.8 m，跨中及梁端26.25 m直線段梁高為4.6 m，邊支座中心線至梁端0.75 m。箱梁頂板厚0.40～0.65 m，底板厚0.5～1.2 m，腹板厚0.5～1.0 m。箱梁在支點、剛構墩頂及主跨跨中處設置橫隔墻，其中剛構墩頂處厚2.2 m，邊支點處厚1.45 m，跨中處厚0.8 m，橫隔墻上設置過人洞，供檢查人員通過。箱梁懸臂端部厚 0.25 m，根部厚0.65 m，頂板邊腹板處設有0.9 m×0.3 m梗脅，底板邊腹板、中腹板處均設有0.6 m×0.3 m梗脅，箱梁腹板設有內徑0.1 m通風孔，頂底板均設有泄水孔，頂面按兩側排水設計。箱梁橫斷面見圖2。

2.3 主梁預應力體系

圖2 連續剛構箱梁橫斷面(單位:cm)

梁體設計為縱、橫、豎三向預應力體系，縱向按全預應力構件設計。縱、橫向采用預應力鋼絞線，豎向采用預應力混凝土用螺紋鋼筋。

縱向鋼束主要采用15φs15.2 mm及19φs15.2 mm鋼絞線，分別采用M15-15/19夾片式錨具錨固;所有鋼束均采用金屬波紋管成孔，內徑分別為φ90 mm和φ100 mm，雙端張拉。

橫向鋼束:均采用4φs15.2 mm鋼絞線，70 mm×19 mm金屬波紋管，單端張拉，張拉端順橋長方向交錯布置。

豎向預應力:采用φ32精軋螺紋鋼筋，JLM-32錨具錨固，內徑φ50 mm金屬波紋管。

2.4 下部結構

2.4.1 橋墩

本橋采用(80+2×120+80)m連續剛構，結構高度達47 m左右。其主墩(165#～167#)高分別為35.5，37和36 m，均采用上部雙薄臂實體墩、下部菱形六邊形實體墩的結構形式，上部單肢薄壁為2.2 m×9.0 m(縱×橫)的矩形截面，雙肢中心距6.0 m;橫橋向迎水面設置3 m的圓弧倒角。邊墩(164#，168#)采用圓端形空心放坡橋墩，頂帽4.8 m×10.6 m×0.6 m(圓端形截面);托盤及墩身亦采用圓端形，托盤高2.5 m，其上下截面分別為4.4 m×10.2 m和4.4 m×8.8 m;墩身尺寸為4.4 m ×8.8 m，壁厚0.7 m，外坡45∶1，內坡75∶1，墩底設3.0 m的過渡實體段，墩壁四周交錯設置通風孔。墩頂實體段與空心段采用倒角過渡，縱、橫向均為60 cm×200 cm;基頂實體段與空心段采用倒角過渡，縱、橫向均為 100 cm ×300 cm。164#墩、168#墩主橋兩側分別接32，24 m簡支T梁，縱向分別設有45，50 cm的預偏心。

2.4.2 承臺及樁基

主墩承臺19.2 m×19.2 m×5 m，采用 16根φ2.0 m的樁基，165#～167#墩樁長分別為 54，56和54 m。邊墩承臺10.6 m×14.6 m×4.0 m，采用12根φ1.5 m 的樁基，164#，168#墩樁長分別為 32，31 m。

2.5 施工方法

梁部采用輕型掛籃分段懸臂澆筑施工。即先在主墩上搭設托架，在拖架上立模澆筑0#塊，將0#塊與各臨時墩固結，而后向兩側順序澆筑各梁段，形成2個T構，再合龍中跨。搭設邊跨現澆支架，澆筑邊跨現澆段，安裝邊跨永久支座，邊跨合龍，完成全部連續剛構施工。

3 主橋結構計算

3.1 縱向計算

全橋縱向計算采用BSAS程序進行。計算中恒載考慮了結構自重、預加應力、混凝土收縮徐變、基礎不均勻沉降;附加力考慮了溫度、支座摩阻、制動力等因素的影響，其中溫度影響除考慮體系升降溫外，還考慮了箱梁日照影響。活荷載按鐵路中—活載計算。對于施工全過程則按雙壁墩施工→箱梁0#節段施工→各節段對稱懸澆施工→中跨合龍→邊跨合龍→橋面施工等施工步驟劃分為多種工況，作分析計算。

箱梁計算結果如表1所示。

該剛構橋的各項計算指標滿足設計要求。

3.2 橫向計算

箱梁橫向計算時將箱梁橫向簡化成帶剛性支承的框架結構，支點在兩腹板下，按《橋規》要求計算橋梁縱向活載影響分布寬度，換算成每延米的集中荷載作用在框架頂板上。計算荷載包括恒載、活載、溫度變化等作用。根據梁體截面的橫向計算確定梁體普通鋼筋的配筋。

3.3 主橋自振特性

利用Midas建立的全橋模型進行動力分析，可以得到大橋的各階振型及大橋的自振特性，用承臺底6個自由度的彈簧剛度模擬樁土相互作用，這6個彈簧剛度是豎向剛度、順橋向和橫橋向的抗推剛度、繞豎軸的抗扭剛度和繞兩個水平軸的抗彎剛度，它們的剛度用“m”計算，方法與靜力計算相同。連續剛構計算模型見圖3。表2僅列出前6階頻率及振型。

圖3 連續剛構計算模型三維視圖

表1 主梁主要計算結果

表2 實際橋梁結構自振特性

由計算結果分析可知，本橋第一階振型為全橋縱向振動，反映了橋梁在縱向較柔，不僅對抗震有利，且改進了墩梁的受力狀況。

3.4 主橋抗震分析

本連續剛構橋是位于高地震烈度區的大跨高墩鐵路梁橋，地震動峰值加速度為0.238g。對剛構墩墩身進行了罕遇地震下的時程分析內力與反應譜法內力檢算，并且考慮重要性系數1.4。通過荷載組合計算，其墩身截面配筋滿足抗震設計要求。

4 結論

1)西固黃河特大橋在設計階段通過大量參數分析，綜合比較梁寬、墩型、墩寬及樁的布置對結構的影響，從而確定了最優的構造尺寸，節省了工程量，具有較好的經濟性能。

2)由于墩梁固結，主墩縱橫向剛度不僅影響著墩頂位移及墩身截面強度而且對主梁內力變化影響很大(主墩與主梁的相對剛度決定了主梁的內力分布，主墩的縱向剛度越大主梁受力越不合理)，因此確定合理的主墩構造尺寸是設計成敗的關鍵。本橋采用雙壁墩在保證了結構橫向剛度的前提下降低了結構縱向剛度，有效地改善了結構受力性能，使橋梁更輕盈美觀。

3)分析計算表明，西固黃河特大橋在各種不利荷載作用下能夠滿足安全使用要求，同時結構具有足夠的橫向剛度和良好的行車舒適性，以及較好的動力性能與抗震性能。

4)西固黃河特大橋是新建蘭州至中川城際鐵路的重點控制性工程，是同類橋梁中目前國內最大跨的鐵路橋梁。通過本橋的設計修建，為今后大跨度鐵路預應力結構的設計提供了有益的經驗。

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