安慶市外環北路下穿寧安城際立體交叉工程設計

儲胡照

(中鐵上海設計院集團合肥有限公司，安徽 合肥　230011)

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安慶市外環北路下穿寧安城際立體交叉工程設計

儲胡照

(中鐵上海設計院集團合肥有限公司，安徽 合肥230011)

摘要：以安慶市外環北路下穿寧安城際立體交叉工程為研究對象，從橋型特點、方案研究等方面具體闡述該橋的設計方案，并通過對全橋模型的計算得出該類橋的受力特性及內力分布特點，為同類項目的設計提供參考。

關鍵詞：下穿高鐵；設計方案；受力分析

安慶市外環北路位于安慶市東北部,全長14.93 km,橫貫西北-東南。外環北路在18 km+509.4 m與寧安城際鐵路交叉,寧安城際鐵路樁號為252 km+670.130 m,交叉角度為81°46′55″,該段寧安城際鐵路為32 m后張法預應力混凝土雙線箱梁。目前,該段鐵路橋下遺留施工便道,主要為雜填土,施工單位沒有外運,采用在鐵路征地地界內攤平,填土平均高度約為5.5 m左右。擬建的外環北路下穿寧安城際鐵路,從22#、23#、24#號橋墩分幅下穿,斷面采用雙向八車道主線+非機動車道+人行道的形式(圖1)。

圖1　立面布置圖

1總體設計

寧安城際鐵路荔塘河特大橋22#橋墩～24#橋墩相鄰承臺間垂線距離為27.92 m,22#橋墩承臺尺寸為4.8 m×10.08 m,基礎為8根Φ1.0 m嵌巖樁,23#橋墩承臺尺寸為4.8×10.08 m,基礎為8根Φ1.0 m嵌巖樁,23#橋墩承臺尺寸為5.0×10.28 m,基礎為8根Φ1.25 m嵌巖樁。

安慶市外環北路道路路幅為58.4 m,雙向八車道,兩側設有非機動車道及人行道。由于寧安城際鐵路相鄰承臺間沿道路垂線距離均小于道路規劃路幅,因此本工程道路采用左右幅道路分別從橋下一跨內居中穿越寧安城際鐵路(圖2)。

圖2　平面布置圖

高速鐵路對樁基沉降要求嚴格,為避免新建道路結構自重和汽車荷載對既有鐵路樁基產生附加壓力,影響鐵路樁基沉降及水平變形,從而進一步影響鐵路運營安全,方案應選擇橋梁施工等對鐵路行車安全威脅最小的方案。并考慮設計水位等因素,采用多跨門式剛構[1-4]從鐵路橋下通過。

2計算模型及受力分析

2.1模型建立

本次設計模型采用3×20 m,梁高1.1 m,梁長60 m。主梁采用分幅布置。單幅梁頂寬25.5 m,底寬24.0 m。其下為鉆孔樁基礎,樁徑1.0 m。

對于多跨門式剛構橋來說,由于屬于超靜定結構,其下部結構必然是極為重要,尤其是對于橋墩的厚度和高度來說,其更是極為關鍵,因此,橋墩結構尺寸的擬定,其直接關系到整體橋梁結構的受力特點,但是在實際的橋梁下部結構擬定過程中,其橋墩高度是不能夠隨意設定的,往往需要針對實際情況進行恰當的設定,保障其在運營后發揮出其應有的作用和價值,但是在該項目中,因為其現場的特殊性,其高度的可調整性比較突出的,設計時就針對現場的具體情況對該橋的下部結構高度進行合理的設定,促使其表現出較為理想的經濟性和安全性效果。因此,提出了兩個不同的方案,并分別采用橋梁博士軟件建立模型,進行計算,全橋劃分71個梁單元(圖3)。

圖3　計算模型

方案一:不設置橋墩,由樁基、路基土體與鋼筋混凝土承載板、帽梁組成地面橋連續樁板結構,它充分利用樁與土、板與土之間的共同作用來滿足強度與變形要求[5-7],是介于橋梁與路基之間的一種特殊的結構形式。一般來說,在橋梁竣工時,相對應的路基土體和板是緊密連接的,也正是因為這種緊密連接才能夠較好地發揮路基的承載能力,但隨著項目的運營,活載的不斷往復作用,可能出現脫空現象,從而改變起初的受力體系。計算模擬時可將地基土對板的支撐可視為安全儲備,即不考慮地基土對板的支撐作用。

方案二:橋墩高度為5 m,將橋墩和梁板進行剛性連接,從力學角度來看,這種剛性連接的影響也是極為突出的,正是因為這種剛性連接的參與,受力體系發生了較大的改變,使結構在溫度、沉降、收縮徐變等因素的作用下,產生較大的次內力。為使其受力狀況滿足使用要求,應使下部機構有較大的柔度來抵抗上部結構的荷載。

2.2樁基礎的模擬

對于這種樁基礎的模擬工作來說,其具體的計算是比較核心的一個方面,只有保障計算的準確性才能夠提升其模擬的準確性,在該項目中,通過柱底加設1個豎直梁單元和1個水平邊界單元,等效模擬整個樁基礎,所采用的基本計算圖式見以下公式[8-10]。

等效豎直單元長度:L=3H11/(2H13);

等效豎直單元順橋向寬度:b=(12I/A)1/2;

等效豎直單元橫橋向寬度:a=A/b。

其中,H11為在承臺頂作用單位水平力時承臺頂產生的水平位移(H11>0);H13為在承臺頂作用單位水平力時承臺頂產生的轉角位移;H22為在承臺頂作用單位豎直力時承臺頂產生的豎向位移(H22>0);H31為在承臺頂作用單位力矩時承臺頂產生的水平位移(H31>0);H33為在承臺頂作用單位力矩時承臺頂產生的轉角位移(H33>0)。

2.3計算結果

針對上述的兩個方案進行詳細的分析,其具體的圖示如下,從圖4中可以看出,樁板結構最大負彎矩出現在墩頂位置,為60 578 kN·m,最大正彎矩出現在邊跨的跨中位置,為43 028 kN·m。

圖4　樁板結構各種荷載組合下彎矩

從圖5中可以看出,樁板結構最大負彎矩出現在墩頂位置,為60 537 kN·m,最大正彎矩出現在邊跨的跨中位置,為39 876 kN·m。

圖5　樁板結構各種荷載組合下彎矩

2.4計算結果比較

兩種結構形式主要區別就是墩高的高度不同,橋墩的高度變高,即結構的下部墩臺剛度變小,上部梁體剛度加大,在溫度、混凝土收縮及徐變等作用下結構的內力相應變小,對結構設計較利。而下部結構剛度的變化對上部梁體負彎矩影響不大,對正彎矩影響較大,增加7.9%。

總之,為了減小結構的附加應力,必須采取增加橋墩高度、減小厚度等措施來保證,但同時也必須滿

足下部結構的自身強度要求。下部結構的強度可通過增強結構配筋、提高混凝土強度來保證。盡量小的下部結構剛度和盡量大的下部結構強度是中等跨徑剛構設計的關鍵。當高鐵橋墩埋置較深時采用何種結構形式主要從對高鐵橋梁影響和經濟性進行。

3結束語

隨著經濟的發展,新建高鐵及城際鐵路項目實施更多,涉及與地方道路立體交叉項目越來越多,一方面由于橋下凈空限制,另一方面高速鐵路對樁基沉降要求嚴格,文中介紹的樁板結構及多跨門式剛構橋是比較好的橋型之一,可為同類工程的設計提供參考。

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收稿日期：2015-12-23；修改日期：2016-01-19

作者簡介：儲胡照(1988-)，男，安徽岳西人，中鐵上海設計院集團合肥有限公司助理工程師．

中圖分類號：U412.352

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)01-0069-03