鐵路四線連續剛構橋分修合修方案研究

于 洋

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

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鐵路四線連續剛構橋分修合修方案研究

于 洋

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

文章通過某工程實例對鐵路四線連續剛構橋存在的4種布置方案進行了經濟技術比較，重點對基礎及墩身下段合修、墩身上段及梁部分修和基礎及墩身合修、梁部分修兩種方案在應力、剛度、自振特性、橫向環框、混凝土用量、普通鋼筋用量等方面進行分析。提出基礎及墩身下段合修、墩身上段及梁部分修方案是一種成熟、經濟、合理的方案。

鐵路四線連續剛構橋； 布置方案； 分修； 合修

隨著交通運輸事業的飛速發展，大跨度高墩連續剛構橋不斷涌現，但建成的三線及三線以上的大跨度連續剛構非常少。隨著全國鐵路的建設，跨大江、大河的多線連續剛構的應用會越來越廣。因此，開展鐵路多線連續剛構橋關鍵技術的研究是十分有必要的。本文主要針對蘭渝線新井口嘉陵江四線連續剛構橋分修合修方案進行研究。

1 工程概況

1.1 技術標準

(1)鐵路等級：Ⅰ級鐵路。

(2)正線數目：四線，其中蘭渝線雙線，渝利貨車外繞線雙線。

(3)設計行車速度：蘭渝線200 km/h，渝利貨車外繞線120 km/h。

(4)設計荷載：中-活載。

(5)牽引類型：電力牽引。

(6)軌道結構：60 kg/m重型軌，鋪設Ⅲ型預應力混凝土軌枕。

(7)環境：環境類別為碳化環境，作用等級為T2。

(8)地震動峰值加速度為0.05g。

(9)施工方法采用懸臂灌注施工。

1.2 橋型方案

該橋采用預應力混凝土連續剛構橋型，橋跨布置為(84+152+76) m。本橋位于直線上，為蘭渝線、渝利貨車外繞線共用橋梁。蘭渝線線間距4.6 m。渝利貨車外繞線線間距4.0 m。蘭渝線右線與渝利貨車外繞線左線線間距5.3 m(圖1)。

圖1 新井口嘉陵江特大橋立面布置(單位：cm)

2 橋式方案比選

2.1 分修合修方案比較

本橋蘭渝鐵路與渝利鐵路四線并行，預應力混凝土連續剛構橋方案存在以下4種可能布置形式：

(1)方案1：四線完全分修，即設置獨立的兩座雙線橋方案。四線完全分修，橋梁結構為完整的雙線橋，橋梁布置最為簡單，受力最為明確。由于本橋引橋達數公里，橋梁穿越城區，完全的分修方案將大大增加橋墩、基礎的工程數量，同時也將引起征地拆遷數量的大幅增加。該方案經濟性差，控制因素較多，實施難度較大。

(2)方案2：四線基礎及墩身下段合修，墩身上段及梁部分修方案。該方案技術經濟性能較優，為本文重點研究的方案。

(3)方案3：四線基礎及墩身合修，梁部分修方案。由于連續剛構橋特殊的墩梁協同受力特點，作為雙幅橋梁，基礎及墩身合修，梁部分修方案將導致主墩墩頂的縱向變形與梁體變形不協調，易導致混凝土開裂及裂縫發展，結構受力不明確，傳力途徑不合理。

(4)方案4：四線完全合修方案。該方案亦為可行方案，技術經濟性能較好，為本文重點研究的比較方案。

2.2 方案比選

上述4個方案，我們將技術經濟性能的四線基礎及墩身下段合修、墩身上段及梁部分修方案(下文稱方案1)和四線完全合修方案(下文稱方案2)進行比較。

方案1：蘭渝線與渝利線分別布置于一個梁體上，梁體均采用單箱單室箱梁截面，其箱梁截面、橋墩構造見圖2、圖3。

圖2 方案1梁體橫斷面

圖3 方案1橋墩構造

方案2：蘭渝線與渝利線共用一個箱梁，截面為單箱雙室截面，其箱梁截面、橋墩構造見圖4、圖5。

方案1和方案2的主要區別在于是采用整體布置還是分幅布置。方案1基礎和下部墩身合修，梁部采用兩個獨立的小箱梁，橋墩頂部20 m范圍也由整體橋墩分岔為兩個獨立的橋墩。方案2為四線鐵路共用一個大箱梁，橋墩也為一個整體。為了對兩種方案的適用性及合理性進行對比，本文將從應力水平、梁體剛度、自振特性、橫向環框、混凝土用量、普通鋼筋用量等方面進行對比分析。

2.2.1 梁體應力

主力組合、主力+附加力組合作用下兩種不同梁型的各截面應力包絡圖如圖6～圖9所示。運營階段及施工階段應力最值見表1、表2。

由圖6、圖7可知，橋梁運營階段各不利工況作用下兩種不同梁型沿梁體的應力分布規律大致相同，均在中支點以及跨中截面位置達到應力最值，且方案1頂板、底板的應力包絡范圍大于方案2。結合表1可知，主力以及主力加附加力最大工況作用下，方案1頂板、底板最大應力大于方案2；主力以及主力加附加力最小工況作用下，方案1頂板、底板最小應力小于布置方案2。故運營階段方案2受力更佳。

由表2可知，兩種不同梁型橋梁懸臂施工過程中底板均出現了拉應力。方案2頂板最小應力小于方案1，且其最大應力大于方案1；方案2底板最小應力小于方案1，而且其最大應力小于方案1。故懸臂施工階段方案1的受力更佳。

兩種方案在施工、運營階段的應力最值均未超過C55混凝土容許應力18.5 MPa。

2.2.2 梁體豎向撓度

列車荷載作用下兩種不同梁型梁體的撓度值見表3。

圖4 方案2梁體橫斷面

圖5 方案2橋墩構造

圖6 主力作用下箱梁頂板最大應力

圖7 主力作用下箱梁底板最大應力

從表3可知，列車荷載作用下方案2梁體撓度略小于方案1，即方案2梁體剛度相對方案1梁體更大?；钶d作用下兩種不同梁型的梁體撓度值均小于規范所規定的撓度限值。

2.2.3 自振特性

對兩種不同梁型橋梁進行自振特性分析，其自振特性結果見表4。

兩種方案的自振特性分析表明：兩種布置方案的縱向、橫向和豎向基頻相差很小。差異最大的橫向自振頻率基頻也僅相差3 %。

2.2.4 橫向環框分析

針對兩種布置方案進行橫向環框分析，建立橫向環框模型見圖10、圖11。

表1 運營階段箱梁頂板、底板應力最值匯總 MPa

表2 施工期間梁體頂板、底板應力最值 MPa

橫向環框模型選取最為控制的主跨跨中截面進行計算，計算結果見表5、表6。

由計算結果和配筋檢算結果可知，方案2相對于布置方案1橫橋向寬度更大，頂底板和腹板在主力和主加附工況下彎矩更大，其頂底板所需配置的橫向鋼筋數量也更大。

經計算，方案2所需鋼筋重量比方案1大10.9 %左右，綜合考慮，布置方案1經濟性更好。

3 結論

綜合以上對應力、剛度、自振特性、橫向環框分析、混凝土用量、鋼筋用量的分析對比結果可知：

(1)梁體應力：對于運營階段，布置方案1和布置方案2梁體的最大壓應力值分別是14.4 MPa和12.9 MPa，兩者相差12 %，兩種布置方案的最大應力值均小于規范限值，但布置方案2在施工階段的最大壓應力值16.48 MPa已接近容許應力值，因此從安全度的角度來看，布置方案1更為合理。

圖8 主力+附加力組合作用下箱梁頂板最大應力

圖9 主力+附加力組合作用下箱梁底板最大應力

表4 橋梁自振特性

表5 方案1橫向環框截面配筋檢算

(2)梁體豎向撓度：在列車活載作用下，方案1和方案2梁體主跨的豎向撓度值分別為39.11 mm和34.63 mm，兩者相差13 %，但均遠小于規范所要求的豎向撓跨比限值，表明兩種方案的豎向剛度均有較大的安全富裕。

(3)自振特性：兩種方案的自振頻率相差很小。

(4)橫向環框分析：方案2相對于方案1橫橋向寬度更大，頂底板和腹板在主力和主加附作用下方案2彎矩更大，其頂底板所需配置的橫向鋼筋數量也更大，全橋來看方案2所需橫向鋼筋重量大約比布置方案1大10.9 %，綜合考慮，方案1經濟性更好。

表6 方案2橫向環框截面配筋檢算

圖10 方案1橫向環框模型

圖11 方案2橫向環框模型

整體來看，兩種方案均能滿足本項目的需求。方案1與普通雙線剛構橋差別不大，是一種成熟、經濟的布置方案；方案2采用單箱雙室截面，梁體寬度大，施工節段重量大。從受力的角度橫向剪力滯效應較明顯，應力的不均勻分布程度較大容易引起結構的病害，并且在施工階段其壓應力水平接近規范的容許限值；且其橫橋向寬度更大，橫向彎矩更大，頂底板需要配置更多的橫向鋼筋；從施工的角度不能夠利用普通橋梁的既有設備，需專門研制大噸位、大尺寸掛籃，這會導致掛籃前移等工序的施工時間增長，總體上會增長施工時間，且增大施工設備的投入。

因此本橋采用基礎及墩身下段合修、墩身上段及梁部分修的布置方案較為合理。

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于洋(1976～)，男，學士，高級工程師，主要研究方向為橋梁。

U448.23

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[定稿日期]2017-02-21