重載鐵路四線高墩大跨連續剛構設計研究

周津斌

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司,天津 300308)

1 研究背景

重載鐵路作為一種高效率的運輸方式，在大宗、長距離的貨物運輸方面具有明顯經濟性，其運輸效益已由各國的實際業績所證實，且在世界范圍內得到了進一步的發展，已成為世界鐵路發展的方向之一。

隨著我國山西中南部鐵路、蒙華鐵路、興保鐵路等山區重載鐵路的建設，由于沿線深溝、河谷等復雜地形較多，越來越多的高墩大跨預應力混凝土連續剛構被采用。此類結構可以滿足山區鐵路使用功能的要求，不僅整體性、結構受力性能好，橫橋向抗推剛度及抗扭剛度大，有利于懸臂施工的橫向抗風要求，同時節省大噸位支座以及后期維修養護[1]，且具有梁體內力分布合理、跨越能力強、線條流暢、外形優美等特點[2]。

目前國內已建成的多線鐵路大跨連續剛構并不多見，特別是重載鐵路尚未有先例。如蘭渝鐵路新井口嘉陵江四線(84+152+76) m連續剛構[3]，設計活載為中-活載，最大墩高為80.5 m。

2 工程概況

2.1 橋式說明

安家山河大橋為興保鐵路馮家川站場內四線橋，線間距從左至右依次為5.5 m+5 m+5.3 m，四線均為重載，為跨越安家山河而設。安家山河河底較寬，兩岸地形復雜，縱橫向坡度較陡，綜合考慮本橋自然地形特點，盡量避開縱橫向陡坎，故主橋推薦采用孔跨布置為(80+130+80) m連續剛構，梁頂至墩底最大高度94 m，橋跨布置見圖1。

圖1 主橋橋跨布置(單位：cm)

2.2 主要技術標準

(1)鐵路等級：國鐵Ⅰ級。

(2)設計速度：貨車120 km/h。

(3)有砟軌道：60 kg/m鋼軌，無縫線路，不設溫度調節器，線路縱坡為1‰。

(4)設計活載：重載(ZH活載)。

2.3 工程地質

橋址區地層巖性為第四系全新統沖洪積細圓礫土、粗圓礫土及粉砂；第四系上更新統風積層新黃土；上第三系上新統粉質黏土、粗圓礫土及細圓礫土；三疊系中統二馬營組砂巖夾泥巖。

本橋地震動峰加速度Ag=0.05g，動反應譜特征周期Tg=0.45 s，土壤最大凍結深度1.18 m。

3 橋梁方案研究

3.1 梁高比選

對于大跨預應力混凝土橋，自重荷載所占設計荷載的比例較大，對于連續剛構橋，墩柱的剛度直接影響梁體的內力變化，同時梁體的剛度也影響墩柱內力及承臺底外力[4]。所以在保證梁部滿足各項設計要求的前提下，應盡量優化設計以減輕梁體自重。

根據已建成鐵路連續剛構的設計經驗，中支點高跨比多在1/13～1/20，本橋在此范圍內確定了4種方案。中支點梁高分別按8.4，8.6，9.2 m和9.5 m進行對比研究，跨中梁高對應中支點梁高進行調整，梁底曲線均采用二次拋物線過渡。各方案的比較結果詳見表1、表2。

表2 主梁剛度、工程量對比及結論

由表2可知，方案3與方案4的梁部計算結果均比較理想。本橋為高墩大跨結構，減小上部結構質量，利于增大橫向自振頻率及優化橋墩尺寸，同時可以節約工程量，降低造價。綜合以上因素，選取方案3作為推薦方案，考慮到本梁跨中整體指標富余量較大，故在方案3的基礎上，施工圖設計將跨中梁高優化為4.8 m。

3.2 墩型比選

本橋主墩最大墩身高達85 m，且高差53 m，橋墩結構尺寸由主橋的縱、橫向剛度控制設計[5]。對于大跨度剛構的橫向自振頻率限值，鐵路橋梁規范尚未有相關要求，主橋橫向控制參考了《關于南昆鐵路四座大橋橫向剛度的補充技術要求》[6-7]。由于橋面較寬導致橋墩橫向尺寸較寬，故主墩可選類型較多，設計時分別選取3種墩型進行類比分析。5號墩采用A型墩與空心墩進行對比，6號墩采用空心墩與雙薄壁墩進行對比，墩型比較詳見表3，各方案墩型示意見圖2～圖4。根據不同的墩型組合，對橫向自振頻率、墩頂位移、縱向剛度、混凝土量等方面進行對比分析，結果詳見表4、表5。

表3 墩型比較

圖2 方案1 A型墩+雙薄壁墩

圖3 方案2 矩形空心墩+雙薄壁墩

圖4 方案3 矩形空心墩+矩形空心墩

根據表4可知，方案1中5號墩采用A型墩，結構自振頻率滿足要求，但富余量較大；方案2中5號墩采用矩形空心墩，結構自振頻率滿足要求，而且留有一定的富余量作為安全儲備。兩方案的墩頂縱向位移和墩身縱向剛度變化不大，但對于混凝土量，方案1較方案2增加較多，不夠經濟。A型墩受力較一般空心墩受力更為復雜[8]，而且從便于施工的角度出發，也應采用簡潔的墩型。綜上，5號墩選取方案2矩形空心墩作為設計推薦方案。

表4 5號墩在方案1與方案2中的計算結果對比

根據表5可知，方案3中6號墩采用矩形空心墩，結構自振頻率滿足要求，與方案1結果相差不大；對于混凝土量，方案3比方案1稍有增加；但對于墩身縱向剛度，方案3中6號墩采用矩形空心墩，剛度增加較多，與5號墩剛度相差懸殊，不利于結構受力。故對于6號墩，選取方案2雙薄壁作為設計推薦方案。

表5 6號墩在方案2與方案3中的計算結果對比

3.3 墩梁結合部位分析

本梁中支點墩頂反力達219 139 kN，其中梁部自重145 362 kN，二期恒載43 287 kN，恒載占總反力比例86%；最大活載反力26 443 kN，占總反力比例12%。本梁中支點反力較大，如采用連續梁體系，需設置數個大噸位支座，不僅價格昂貴且不便于后期維修養護。經綜合考慮，最終橋式方案采用連續剛構體系，中支點處墩梁固結。5號墩采用矩形空心墩，墩梁固結處為兩個矩形箱體正交相連，縱向兩墩壁向上延伸至主梁箱體內形成2道橫隔板，橫向三墩壁向上延伸與主梁腹板對應。梁體的各種力通過橫隔板和腹板傳至空心墩柱的墩壁[9]。

6號墩采用雙薄壁墩，兩壁向上延伸至主梁箱體內形成2道橫隔板。根據以往設計經驗，在墩梁固結連接處設置梗斜，避免形成直角，形成應力集中。

墩梁固結區是傳遞荷載、擴散應力的關鍵部位[10]，構造及受力十分復雜，有必要建立實體模型進行局部應力分析，優化結構形式，使受力狀態更趨于合理。采用Midas FEA軟件，選取剛壁墩頂縱向25 m主梁范圍及10 m墩高范圍建立空間實體模型，對墩梁固結部位進行局部應力分析。分析模型中，墩底施加約束，梁部左右兩側截面按照節點施加內力，模型內部預應力鋼束，按照實際形狀建立鋼筋單元并施加預應力。

5號墩墩梁固結處最大、最小主應力云圖見圖5、圖6，6號墩墩梁固結處最大、最小主應力云圖見圖7、圖8。圖中正值為拉應力，負值為壓應力。

圖5 5號墩 墩梁固結處最大主應力云圖

圖6 5號墩 墩梁固結處最小主應力云圖

圖7 6號墩 墩梁固結處最大主應力云圖

圖8 6號墩 墩梁固結處最小主應力云圖

由圖5、圖6可知，5號墩墩梁固結范圍，最大主拉應力為1.4 MPa，最大主壓應力為13.4 MPa；由圖7、圖8可知，6號墩墩梁固結范圍，最大主拉應力為1.4 MPa，最大主壓應力為13.2 MPa。均滿足規范要求，且有一定富余量，未出現明顯應力集中現象。

根據分析結果，除鋼束錨固點、截面倒角等位置局部應力比較集中外，其余截面的主應力數值均不大，梁體應力狀態較為合理，出現應力集中的范圍較小。同時本梁還通過設置橫隔板的橫、豎向預應力來優化結構受力狀態。

3.4 中跨合龍頂推力比選

在施工過程中，中跨實際環境下的合龍溫度與理論設計溫度的溫差會導致梁體產生位移，由于連續剛構的墩梁固結還會引起剛壁墩的偏位，產生二次應力。且收縮徐變效應導致的梁體豎向撓度和水平位移及附加內力，也會造成剛壁墩偏位，這些對主墩受力都會產生非常不利的影響。為了調整主梁和剛壁墩內力，合龍時一般施加一定的合龍頂力，即橋墩預先承受相反方向的彎矩[11]，以減小合龍溫差和橋梁運營后期混凝土收縮徐變等因素產生的附加次內力，基本平衡主墩水平偏位，優化橋梁結構的內力[12]。

本文通過對不同頂推力的比選，考察成橋階段恒載產生的墩底彎矩、墩頂彎矩、墩頂位移及主梁跨中位移，以期得到效果最佳的頂推力結果。根據表6可知：

(1)隨著頂推力增大，5號墩墩底彎矩和6號墩墩底、墩頂彎矩逐漸變小，且變化幅度較為明顯，5號墩墩頂彎矩逐漸增大，但變化幅度不大。綜上，適當增大頂推力，有利于改善橋墩受力。

(2)隨著頂推力增大，5號墩墩頂位移逐漸變大，6號墩墩頂位移逐漸減小，在頂推力4 000 kN時，兩墩的墩頂位移相對最小。

(3)隨著頂推力增大，兩墩主梁跨中位移錯臺逐漸加大。

綜合考慮以上因素，本橋設計頂推力采用4 000 kN，改善了后期墩身的受力及線形，優化效果較明顯。

表6 合龍頂推力對比

3.5 施工階段最大懸臂狀態分析

施工過程中對剛構合龍前的T構狀態最大懸臂階段的墩身進行檢算，應考慮結構自重、施工掛籃、墩梁風荷載、施工人員、施工器械、養護水箱等荷載及掛籃跌落等影響[13]。最大懸臂施工階段為最不利抗風狀態[14]，設計中風荷載考慮風振作用，風振系數取1.5。

經檢算，最大懸臂狀態下主墩安全性滿足結構受力要求，結果見表7。

表7 最大懸臂狀態檢算

4 采用方案設計介紹

通過以上分析研究及比選優化，確定施工圖采用方案，設計介紹如下。

4.1 主梁結構

主梁采用C55混凝土，封端采用C55無收縮混凝土。截面為單箱雙室、直腹板、變高、變截面結構，箱梁頂寬22.8 m，底寬16.8 m。箱梁中支點梁高為9.2 m，跨中梁高4.8 m。頂板厚0.45 m，腹板厚度由0.5 m跨中漸變至1.3 m。底板厚按二次拋物線由0.45 m變至墩梁固結處1.05 m。全橋除在梁端截面、墩梁固結處設置橫隔板外，跨中及中支點左右35 m位置添加1道橫隔板。箱梁橫截面見圖9。

圖9 半支點-半跨中箱梁橫斷面(單位：cm)

4.2 下部結構

5號墩為墩身高85 m的矩形空心墩，6號墩為墩身高32 m的雙薄壁墩。5號墩縱向寬度與主梁直線段相同，采用9 m，壁厚1.5 m；橫向寬度與主梁梁底寬度相同，采用16.8 m，橫向隔板位置與腹板對應，隔板厚和壁厚均為1.5 m。橫縱向墩身均為直坡。為了便于施工和養護維修，在墩頂梁底板上設置進人洞[15]。

6號墩壁厚2.0 m，雙壁凈距5.0 m，無系梁，橫縱向墩身均為直坡。

基礎采用鉆孔灌注樁，樁徑2.0 m。其中，5號墩的樁基布置為5(縱向)×7(橫向)根，6號墩的樁基布置為5(縱向)×6(橫向)根。

4.3 梁體預應力體系

梁體按縱、橫、豎三向預應力體系設計。除底板束B1、B2采用17-7φ5 mm鋼絞線外，其余縱向預應力筋均采用19-7φ5 mm鋼絞線，抗拉強度標準值為1 860 MPa。頂板設橫向預應力筋，采用5-7φ5 mm鋼絞線。腹板內設豎向預應力筋，采用φ32 mm高強度精軋螺紋鋼筋，抗拉強度標準值830 MPa，50，83 cm厚腹板內單排布置，130 cm厚腹板內雙排布置。為減少大跨梁徐變引起的變形影響，要求縱向鋼束在混凝土強度及彈性模量達到設計值的100%后方可張拉，且要保證張拉時混凝土齡期不少于7d。

4.4 支座

梁端橫向設置3個噸位為15 000 kN的球形鋼支座。

4.5 施工方法

梁部采用掛籃分段懸臂澆筑施工[16]，本橋屬于高墩大跨結構，施工中應盡早脫離T構結構懸臂狀態。如果先合龍邊跨，則需要在邊墩墩頂架設托架或滿堂支架現澆施工邊跨直線段。本橋邊跨直線段長達14.75 m(不含合龍段長度)，4號邊墩高達44 m，且縱向坡度較大，無論是墩頂架設托架還是滿堂支架，施工均較難困難。因此，本橋施工合龍順序為先中跨后邊跨，即：合龍中跨→懸澆邊跨不平衡段→合龍邊跨。

5 結語

重載鐵路由于其自身選線特點，高墩、大跨是重載鐵路不可避免的橋梁結構形式[17]，安家山河大橋(80+130+80) m四線連續剛構橋高達94 m，作為興保重載鐵路的重點控制性工程，也是國內第一座重載鐵路四線剛構橋，于2015年3月順利合龍，并于2017年7月正式運營通車。該橋結構安全可靠、具有良好的結構力學性能，施工技術成熟且后期養護及工程造價較經濟，在山區鐵路中具有顯著的優勢。通過對主梁尺寸及墩型比選、中跨合龍頂推力、墩梁結合部位分析、施工階段最大懸臂狀態分析等幾方面開展設計研究。通過分析，解決上述關鍵技術問題，同時為今后國內重載鐵路的高墩、多線大跨橋梁設計提供參考，也為山區鐵路選線提供了較大的選擇空間。