呼準鐵路黃河特大橋引橋T形剛構橋設計研究

陳兆毅

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300142)

?

呼準鐵路黃河特大橋引橋T形剛構橋設計研究

陳兆毅

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300142)

依托呼準鐵路大路黃河特大橋北引橋2×52 m預應力混凝土T形剛構橋設計為背景，結合橋址實際情況，利用有限元程序著重對關鍵技術：引橋橋跨方案研究、結構靜力特性、結構自振特性及結構罕遇地震下彈塑性抗震性能進行分析。通過研究得到以下結論：北引橋孔跨設計方案采用3聯2×52 m T形剛構橋方案經濟合理；結構構造及鋼束布置形式合理；為保證墩底塑性鉸區域的可靠性，應重視墩底的抗剪強度驗算和箍筋配置；該橋結構強度、剛度及抗震性能等指標均符合規范規定，滿足鐵路運行安全要求。

T形剛構；鐵路橋；有限元法；靜力特性；自振特性；地震分析

T形剛構橋為一種經典橋型，該橋型結構簡潔，外形美觀，橋下視野開闊。該橋式受力優勢明顯，T形剛構橋的主梁與墩之間采用剛性連接，在豎向荷載作用下，全橋最大彎矩發生在主梁與墩剛性連接處即主梁根部，根部梁高增加后引起的自重彎矩增加值較小。該橋式常用于大跨度橋梁，在鐵路建設中得到了廣泛的應用。

1　工程概況

呼準鐵路大路黃河特大橋為跨越黃河、沿黃公路而設，橋梁軸線與水流法線方向夾角為5°。該橋為呼和浩特至準格爾鐵路控制性工程。橋位跨越區段上游是黃河上游的包頭至頭道拐河段，河道平緩開闊，河道平均縱比降約0.095‰。大路黃河特大橋的小里程側引橋位于黃河河灘部分，采用3聯2×52 m T形剛構橋與主橋相接，橋址處為黃河河床及其河漫灘，地形平坦開闊。橋址處地震動峰加速度為0.15g，地震基本烈度為7度，土壤最大凍結深度1.55 m。年平均氣溫7.2 ℃，最高氣溫38.4 ℃，最低氣溫-36.3 ℃。

主要技術標準鐵路等級：Ⅰ級；正線數目：雙線；線間距：4.2 m；牽引種類：電力；線路平縱斷面：主橋位于直線及平坡上；設計速度目標值160 km/h。

2　橋梁設計

2.1北引橋孔跨方案設計

根據河道防汛要求，橋位處河段灘地孔跨不小于40 m，且工程位于黃河河灘防洪區，黃河岸邊2 km范圍內為國家重點公益林。北引橋該段橋梁孔跨設計方案采用3聯2×52 m T形剛構橋方案，采用懸灌施工，相鄰兩聯T形剛構共用一個橋墩，墩頂設置縱向活動支座。相對簡支梁方案而言，該方案采用懸灌施工，不需要設置臨時梁場，避免了對公益林的破壞，減少對環境影響，加快了工程實施。通過與墩、梁固結的多次超靜定連續剛構橋方案對比，在該跨度范圍內，該方案避免了由預應力、混凝土收縮、徐變和溫度變化所引起的結構縱向位移所產生的較大次內力的不利影響，結構受力明確。另外，T形剛構橋具有整體性、結構受力性能優越，構造簡潔，橫橋向抗推、抗扭剛度大，節省大噸位支座便于養護維修的特性[1]。該方案在橋型構造上簡潔明了，在視覺上給人以簡明而生動、線條柔美的橋梁美學效應。通過方案比選分析，該方案很好適應了橋址處的各項要求，經濟合理，為最優方案。引橋孔跨布置立面見圖1。

圖1　新建3聯2×52 mT形剛構橋立面(單位：cm)

2.2主梁設計

2.2.1結構尺寸及構造

本橋設計為3聯(52+52) m預應力混凝土T構，支座中心線至梁端0.84 m，梁全長105.68 m。中支點截面中心處梁高5.6 m；邊跨8.84 m等高段，邊支點處梁高3.05 m。

截面采用單箱單室、變截面直腹板形式。箱梁頂寬11.66 m，底寬7.0 m。頂板厚度除梁端附近及中支點附近外均為400 mm；腹板厚500～700 mm，按折線變化；底板厚由跨中的400 mm按二次拋物線變化至根部的900 mm。全聯在端支點及中支點處共設置4個橫隔板。隔板厚度：端支點處1.5 m；中支點處1.4 m。橫隔板設有孔洞，供檢查人員通過。主梁典型橫斷面見圖2。

圖2　主梁截面(單位：mm)

2.2.2梁部預應力體系

本橋梁體按縱、橫、豎三向預應力體系設計。

(1)縱向預應力體系

本橋配束方式采用頂板束、底板束和下彎束方式，該配束方式能夠提供較大預剪力，有助于提高箱梁的抗剪能力，限制腹板的主拉應力，能有有效防止腹板產生斜裂縫[2]。具體配束設計：預應力束采用15-7φ5 mm、17-7φ5 mm及19-7φ5 mm3種型號鋼絞線，抗拉強度標準值為1860 MPa的高強低松弛鋼絞線，其技術條件應符合《預應力混凝土用鋼絞線》(GB/T5224—2014)[3]標準。孔道形成采用金屬波紋管。錨固體系采用自錨式拉絲體系，錨具應符合《鐵路工程預應力筋用夾片式錨具、夾具和連接器技術條件》(TB/T 3193—2008)[4]。張拉采用與錨具配套的千斤頂設備。

(2)橫向預應力體系

預應力束采用5-7φ5鋼絞線，抗拉強度標準值為1 860 MPa的高強低松弛鋼絞線，單端張拉，錨下張拉控制應力0.70倍抗拉極限強度，其技術條件應符合《預應力混凝土用鋼絞線》(GB/T5224—2014)標準。錨固體系采用BM15-5、BM15P-5。孔道形成采用90 mm×19 mm扁形金屬波紋管。

(3)豎向預應力體系

豎向預應力鋼筋采用φ32 mm預應力混凝土用螺紋鋼筋PSB830，抗拉強度標準值830 MPa，其技術條件應符合《預應力混凝土用螺紋鋼筋》(GB/T 20065—2006)[5]要求。錨固體系采用JLM-32型錨具，張拉采用YC60A型千斤頂；孔道形成采用內徑45 mm鐵皮管成孔。為保證豎向預應力筋的有效作用，施工過程中應進行二次或多次張拉。

本橋預施應力采用兩端同步張拉，并左右對稱進行，最大不平衡束不應超過1束。張拉順序先腹板束，后頂板束，從外到內左右對稱進行。各梁段先張拉縱向再豎向再橫向，并及時壓漿。

2.3橋墩設計

設計中秉承在滿足實用、經濟的條件下，力求使橋式美觀，為保證該段引橋與主橋協調統一，采用圓端形空心墩，并配合主橋在橋墩與主梁連接處做了造型處理，為母親河增添了一道亮麗的風景線。采用該墩形可有效減小墩橫向迎風面積、改善氣動外形以減小風載體形系數，對橋梁在懸臂施工階段和運營階段控制風荷載的作用有利。本橋墩高較高，圓端形空心墩的抗扭剛度大，有利于保證懸臂施工時結構的穩定性[6-7]；橋梁位于黃河河灘，為保證橋墩在黃河行洪、行凌期的安全，空心墩墩底設置實體段。經過綜合分析后，確定該橋橋墩采用圓端形空心墩。

3聯T形剛構剛臂墩墩高分別為62.5、63.5 m和63.5 m，縱向采用變寬設計，最小寬度為5.8 m，壁厚1.0 m；橫向采用變寬設計，最小寬度為9.0 m，壁厚1.0 m。縱、橫向外坡均按30∶1變化；縱、橫向內坡按80∶1變化。墩身材料分界線以下采用C40混凝土，以上采用與梁體同強度等級的C55混凝土。橋梁主墩構造見圖3。

圖3　主墩構造(單位：cm)

2.4橋墩基礎設計

橋址區地層為第四系全新統人工堆積層填筑土，第四系全新統風積層粉土、粉質黏土、粉砂、細砂、粗砂，第四系全新統沖風積層粉砂、細砂、中砂、粗砂、礫砂，第四系全新統沖洪積層粉土、粉質黏土、粉砂，第四系全新統沖積層粉土、粉砂、細砂、中砂、粗砂，白堊系下統砂巖、泥巖。根據地形地質條件，主墩采用20根φ1.5 m等長鉆孔灌注樁基礎，3聯T形剛構橋樁長分別為50 m、53 m和52 m，樁端置于300 kPa泥巖層或500 kPa砂巖層，按照摩擦樁設計，樁間距按照《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》[8]控制，采用4.0 m。承臺尺寸為15.8 m×18.6 m，厚度為5 m。

3　結構靜力分析

本結構為2跨T形剛構，位于鐵路線路直線段，結構縱向計算采用BSAS平面有限元程序計算，對施工階段進行了應力及施工穩定性檢算；對成橋后運營階段內力及應力、變形進行檢算，確定主梁截面預應力鋼束布置以及剛臂墩控制截面內力，整體模型見圖4。主梁38個單元，49個節點，橋墩13個單元，橋墩頂與主梁節點剛性連接。橋墩底部固結模擬，邊墩頂處均為活動支座。在模型中按照實際的施工順序，對每個現澆節段施工分別澆筑混凝土，張拉預應力兩種荷載工況。計算模型見圖4。

圖4　縱向計算模型結構(BSAS模型)

計算結果表明，結構變形、變位等指標要求均滿足《鐵路橋涵設計基本規范》[9]要求。最大靜活載撓度11.5 mm，撓跨比1/4 523，滿足規范限值1/800；中-活載梁端豎向折角：正彎0.92‰，反彎0.29‰，小于限值3‰。截面應力及強度計算結果見表1。由表1可知，梁體在主力及主力+附加力的作用下，全截面處于受壓狀態，應力滿足《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)[10]要求。

表1　全梁截面應力及強度計算結果

本橋橫向計算采用“橋梁博士”有限元程序計算，采取中墩處截面以及邊支點附近一般截面分別檢算。全截面共分50個單元，50個節點，支座設置在腹板中心34、39節點上。按照規范及設計標準進行加載，列車荷載采用中活載的特種活載，計算結果表明應力及裂縫寬度指標均滿足規范要求。

本橋0號塊是T形剛構橋墩梁固結區，是傳遞上部結構荷載、擴散應力的關鍵部位[11]。本設計采用Midas/FEA程序對其進行三維有限元法的應力分析[12]。計算結果表明，在縱向預應力作用下箱梁截面受力較為均勻，出現應力集中的范圍較小，整個梁體的應力狀態滿足梁體結構設計要求。同時設計中通過增設橫隔板的橫、豎向預應力筋改善受力狀況。

4　結構動力分析

4.1全橋自振特性分析

橋梁的結構動力特性是評價橋梁運營狀態和承載能力的重要指標。橋梁結構的振動特性主要取決于它的各階自振頻率和主振型，自振頻率是表征結構剛性的重要指標[13]。采用Midas有限元軟件建立動力特性的空間有限元計算模型，進行罕遇地震計算，計算模型見圖5。

圖5　全橋有限元計算模型

主梁、橋墩結構采用變截面的三維空間梁單元進行模擬，橋面附屬物作為均布質量分配于梁單元中。進行罕遇地震計算時，不考慮活載影響，將二期荷載、橫隔板、主墩與主梁固結塊、橋面頂部橫坡均轉換為質量計入。將地基土對結構的約束作用簡化成轉動彈簧及平動彈簧施加在橋墩底部，考慮到公路、城市抗震規范中土的動力m值是靜力m值的2～3倍，本計算中計算罕遇地震時采用的土彈簧剛度為靜力的土彈簧剛度的2倍，邊、主墩底部彈簧計算數值列于表2。經計算分析本橋前10階自振頻率、周期和振型描述列于表3。

表2　轉動彈簧及平動彈簧計算參數

表3　前10階自振頻率、周期和振型描述

由計算結果可得如下結論。(1)該橋基頻為0.736 Hz，第1階振型是以主墩為主的縱向面內振動，主梁縱飄彎曲變形，反映了主墩對該橋的動力特性影響較大。由于本橋橋位較高，縱橋向保持一定的柔性對橋梁抗震是有利的。這一振型對結構在橫向荷載(包括橫向風載尤其是懸臂施工過程中及橫向地震力)作用下是有利的。(2)振動的第2階振型出現主梁和橋墩的面外振動，即主梁橫橫飄和主墩的側傾。橋梁的最大振幅均出現在墩頂位置，因此應提高橋梁的橫向剛度，以抵抗橋梁在橫向風載作用下的產生的扭曲和變位，改善橋梁的側傾穩定性。(3)本橋的分析表明，在實際工程中采用梁單元進行動力計算，既可以滿足工程實際需求，又可以節省建模和計算時間。

4.2地震反應分析

依據《鐵路工程抗震設計規范(2009年版)》(GB50111—2006)[14](以下簡稱“震規”)的規定，本橋的抗震設防類別為B類，應按多遇地震、設計地震、罕遇地震三個地震動水準進行抗震設計。

4.2.1多遇地震分析

在多遇地震作用下，利用Midas軟件建立該橋有限元模型，采用反應譜法進行分析，經過組合得出橋墩的內力，對主橋橋墩配筋進行檢算，經驗算墩身鋼筋配筋率需滿足規范要求，并保證墩身配筋率不小于0.5%，并不大于4%。滿足抗震設計性能要求：地震后不損壞，能夠保持其正常使用功能，結構處于彈性工作階段。

4.2.2罕遇地震分析

按“震規”要求，罕遇地震作用下采用的抗震設防目標如下：結構進入彈塑性工作階段，結構發生較大的非彈性變形，但應控制在規定的范圍內，可能產生較大的破壞，但不出現整體倒塌，經搶修后可限速通車。因此，需要在彈塑性地震分析的基礎上，對橋梁結構進行抗震驗算。

采用Midas/Civil對(52+52)m T形剛構進行彈塑性抗震分析時，其計算模型見圖6。計算時，地基土對樁的作用采用水平和轉動彈簧來模擬(彈簧的剛度用m法計算)。建立纖維模型時，混凝土與鋼筋分別采用Mander本構關系[15]。采用彈塑性纖維梁單元，單元沿軸向離散成多段，每一段的特性由橫斷面代表，同時橫斷面又進一步被離散成許多纖維，每一根纖維可以是混凝土的，也可以是鋼筋。考慮到T形剛構的受力特點，同主梁固結的主墩在地震荷載工況下是受力最不利的，本設計重點分析主墩的罕遇地震響應并對其進行截面驗算。

圖6　(52+52) m T形剛構梁彈塑性分析模型(示出塑性鉸)

在分析時，基于平截面假定和鋼筋、混凝土纖維各自的應力、應變關系，考慮縱向、橫向兩個方向彎矩平衡條件和軸力平衡條件，根據地震分析報告給出的3條罕遇地震下人造地震波時程進行檢算。計算結果見表4、表5。

主墩剛壁墩在罕遇縱向地震激勵下，墩身截面混凝土開裂，鋼筋未屈服(空心段邊緣鋼筋應力最大204 MPa，實心段邊緣鋼筋應力最大198 MPa)，結構基本處于彈性范圍之內，受力滿足要求。觀察墩底截面的滯回曲線可以看出滯回曲線并未呈標準的線性骨架模型，這是由于混凝土開裂所致，發揮了一小部分滯回耗能作用，但截面鋼筋未屈服，結構基本仍處于彈性范圍之內，滿足受力和變形要求。

主墩剛壁墩在罕遇橫向地震激勵下，墩身截面混凝土開裂，鋼筋未屈服(空心段邊緣鋼筋應力最大234.9 MPa，實心段邊緣鋼筋應力最大218 MPa)，結構基本處于彈性范圍之內，受力滿足要求。觀察墩底截面的滯回曲線可以看出滯回曲線并未呈標準的線性骨架模型，這是由于混凝土開裂所致，發揮了一小部分滯回耗能作用，但截面鋼筋未屈服，結構基本仍處于彈性范圍之內，滿足受力和變形要求。

表4　主墩縱向時程反應的最大值

表5　主墩橫向時程反應的最大值

計算主要結論：

(1)主橋剛壁墩橋墩底截面在當前配筋率下順橋向地震激勵時，墩底空心段截面和實心段截面結構發生混凝土開裂，但鋼筋未屈服，整個截面基本保持在彈性范圍內，滿足受力和變形要求；

(2)主橋剛壁墩橋墩底截面在當前配筋率下橫橋向地震激勵時，墩底空心段截面和實心段截面結構發生混凝土開裂，但鋼筋未屈服，整個截面基本保持在彈性范圍內，滿足受力和變形要求；

(3)應特別引起注意的要重視橋墩的抗剪強度驗算和箍筋配置，保證截面避免發生剪切破壞的脆性破壞模式，以保證墩底塑性鉸區域的可靠性。

本設計在采用彈塑性纖維梁單元對(52+52) m T形剛構連續梁進行非線性地震時程反應分析時，在可能出現塑性鉸的區域，設置纖維非彈性鉸。通過對(52+52) m T形剛構簡支連續梁的受力特點分析和在罕遇地震動縱、橫向激勵作用下彎矩包絡圖的分析，對于主墩來說，墩底部的地震響應彎矩最大，可能出現塑性鉸，考慮到墩底部實心段和空心段配筋的差別，加大塑性鉸區域的添加以包絡住塑性鉸區域，再保證結構的鋼筋和混凝土本身的非線性特征真實、合理地體現出來的同時，有效的節約計算成本提高分析效率。

5　結語

大路黃河特大橋為呼和浩特至準格爾鐵路工程的重點控制性工程，該橋北引橋采用3聯(52+52) m T形剛構橋結構形式，較好地適應了現場地形，滿足了環保要求，有效加快了工程實施，縮短了工期。該橋設計過程中，通過構造上的概念設計、靜力分析和動力分析，確保了結構的各項設計指標滿足規范規定要求。目前該橋已順利建成，橋梁狀態良好。

[1]李亞東.橋梁工程概論[M].成都:西南交通大學出版社，2001.

[2]劉效堯，徐岳.公路橋涵設計手冊——梁橋[M].2版.北京：人民交通出版社，2011.

[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 5224—2014預應力混凝土用鋼絞線[S].北京：中國質檢出版社，中國標準出版社，2014.

[4]中華人民共和國鐵道部.TB/T 3193—2008鐵路工程預應力筋用夾片式錨具、夾具和連接器技術條件[S].北京：中國鐵道出版社，2008.

[5]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 20065—2006預應力混凝土用螺紋鋼筋[S].北京：中國標準出版社，2006.

[6]左家強.2-100 m鐵路雙線預應力混凝土T形剛構設計[J].鐵道標準設計，2013(11)：51-54.

[7]鄢玉勝.黃韓侯鐵路2×64 m T形剛構橋設計[J].鐵道標準設計，2014(11)：94-96.

[8]中華人民共和國鐵道部.TB10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[9]中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[10]中華人民共和國鐵道部.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].北京：中國鐵道出版社，2005.

[11]饒少臣.大跨高墩T構鐵路橋設計研究[J].鐵道標準設計，2005(11]：52-56.

[12]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社，2003.

[13]陶玉蓮.2×95 m鐵路單線預應力混凝土T形剛構橋設計[J].世界橋梁，2014(3)：11-14.

[14]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50111—2006鐵路工程抗震設計規范(2009年版)[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[15]岳迎九.金水溝特大橋彈塑性抗震分析[J].鐵道標準設計，2014(9)：79-84.

The Design and Research of T-shaped Rigid Frame Bridge of Yellow River Bridge Approach on Hohhot-Zhungeer Railway

CHEN Zhao-yi

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142，China)

Based on 2×52 m prestressed concrete T-shaped rigid frame bridge of the north approach of Dalu Yellow River grand bridge on Hohhot-Zhungeer railway and in view of the situations of the bridge site，this paper analyzes emphatically the key technologies with finite element program，including the arrangement of bridge span，static behavior of the structure，free vibration characteristics of the structure and elastic-plastic seismic performances of the structure in case of rare earthquake.The research draws the conclusion as below: the design of 3 units of T-shaped rigid frame bridge of the north bridge approach is economical and reasonable; the structure details and steel tendon arrangement are rational.In order to ensure the reliability of the plastic hinge region of the pier bottom，shear strength checking and stirrups arrangement should be emphasized.The structural strength，stiffness and seismic performances of the bridge meet the specifications and satisfy the requirements for railway operation safety.

T-shaped rigid frame bridge; Railway bridge; Finite element; Static performance; Vibration characteristics; Seismic analysis

2016-04-05;

2016-04-15

陳兆毅(1982—)，男，工程師，2008年畢業于大連理工大學橋梁與隧道工程專業，工學碩士，E-mail：chenzhaoyi@foxmail.com。

1004-2954(2016)10-0048-06

U448.23+1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.012