重載鐵路高墩大跨剛構連續梁橋設計研究

李偉龍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 研究背景

重載鐵路具有軸重大、牽引質量大、運量大的技術特點[1]。隨著我國的經濟發展，對運輸的需求不斷提高，運能大、效率高、運輸成本低的重載鐵路得到廣泛關注。目前我國已建成并運營的重載鐵路有大秦鐵路、朔黃鐵路、山西中南部鐵路等[2]。

受沿線地形和運輸特點的影響，重載鐵路不可避免要穿越山區溝谷，因此高墩大跨的結構形式被廣泛采用[3]。目前國內已建成的高墩大跨剛構連續梁已比較常見，但是重載鐵路設計較少，特別是橋高大于110 m的剛構連續梁結構更為罕見，如山西中南部重載鐵路(70+3×120+70) m剛構連續梁[4]，橋高為90 m。隨著跨度、墩高、聯長的增加，剛構連續梁的剛臂墩個數、合龍順序、中跨合龍頂推力的選取以及結構穩定性等成為設計的難點。

2 項目概況

新建神木至瓦塘重載鐵路永興溝特大橋位于黃土梁峁區，屬于山區橋梁，主橋采用(66.75+4×115+66.75) m預應力混凝土剛構連續梁，聯長593.5 m，主橋布置如圖1所示。本線的技術標準和主梁的主要設計參數見表1。

圖1 主橋孔跨立面布置(單位：cm)

表1 主橋主要設計參數

3 關鍵參數比選

3.1 結構形式的比選

國內外大量橋梁的使用經驗表明，橋梁的耐久性對橋梁的安全性和經濟性起著決定作用[5]，經濟合理性應當使建造費用與使用期內的檢查維修費之和達到最小[6]。針對該橋的特點，對幾種常用結構形式的橋梁進行了詳細對比，見表2。

表2 結構形式比選

大跨剛構連續梁的主要優點在于：節省了大噸位支座和運營期間檢查維修方面的麻煩[7]，同時節省了橋墩和基礎工程，墩梁固結更利于懸灌施工，對于連續且有較高墩的結構適用性好[8]。因此，經綜合經濟、技術和運維比較，本橋主橋采用剛構連續梁結構形式。

3.2 剛臂墩個數比選

主橋有5個主墩，受制動力、溫度、收縮徐變的作用，墩與梁固結數不同時，墩、梁的受力差異較大[9]，所以設計時對不同剛臂墩個數下的結構進行計算分析。為保證結構的對稱性，分別對中間3個剛臂墩和中間1個剛臂墩兩種結構進行計算，選取了降溫、制動力及收縮徐變作用下剛臂墩及主梁的最大內力，主要計算結果見表3。

表3 墩梁固結數不同時結構計算結果 kN·m

由計算結果可以看出，無論是剛臂墩還是梁部，采用3個剛臂墩均比采用1個剛臂墩受力更為合理，因此主橋確定采用3個剛臂墩的剛構連續梁結構形式。

3.3 合龍順序比選

根據本橋的特點，提出兩種可行的合龍方案[10]。方案Ⅰ：中跨→次中跨→邊跨；方案Ⅱ：次中跨→中跨→邊跨。針對這兩種合龍方案，對橋梁的豎向撓度、支座位移及剛臂墩內力進行計算[11]，主要計算結果分別見表4、表5、圖2。

表4 不同合龍方案結構計算結果 kN·m

表5 不同合龍方案支座偏移量

圖2 不同合龍方案主梁撓度

成橋狀態時，方案Ⅰ工況下剛臂墩的最大彎矩為253 730 kN·m，方案Ⅱ工況下為206 315 kN·m，方案Ⅰ較方案Ⅱ大23%；方案Ⅰ工況下主梁撓度、支座縱向位移均較方案Ⅱ大。經綜合分析，本橋合理的合龍順序應為方案Ⅱ，即先合龍剛構-連續跨，再合龍剛構跨，最后合龍邊跨。

3.4 中跨合龍頂推力比選

剛構連續梁結構，由于墩梁固結，隨著混凝土收縮徐變的發生，剛臂墩的墩底會產生次內力[12]。為了改善主梁與剛臂墩的受力，合龍時一般會施加一組合龍頂推力[13]，使橋墩預先承受反向彎矩，以減小合龍溫差、混凝土收縮徐變等因素產生的次內力[14]。表6為不同合龍頂推力作用下剛臂墩的內力。

表6 不同合龍頂推力作用下剛臂墩內力計算結果

由計算結果可以看出，在一定范圍內，隨著頂推力的增大，剛臂墩預先承受的彎矩逐漸增大，收縮徐變完成后的彎矩逐漸減小，活載產生的最大彎矩為173 083 kN·m。為了使剛臂墩在施工及運營階段主力作用下的彎矩比較均勻且比較小，本橋合龍頂推力采用3 000 kN。

4 主梁靜力計算

主梁截面形式為單箱單室直腹板，梁體混凝土采用C55高性能混凝土，梁高按二次拋物線變化，中支點處梁高9.0 m，邊支點和跨中位置梁高5.0 m。箱梁頂寬13.9 m，頂板厚連續梁跨0.40～1.2 m，連續剛構跨0.4～1.7 m；底寬7.5 m，與墩頂等寬，底板厚0.5～2 m；腹板厚0.5～1.5 m。

4.1 運營階段結構計算

全橋靜力分析時，取主力和主+附兩種工況分別按照最不利組合進行檢算[15]，表7給出了主梁控制性截面的計算結果。

表7 主梁結構靜力計算結果

4.2 主梁撓度、預拱度及支座預偏量

在ZH(z=1.2)靜活載作用下，主梁的跨中最大撓度為41.6 mm，撓跨比為1/2 764.4，梁端轉角為0.80‰，搖擺力作用下的最大橫向位移為0.95 mm，橫向風荷載作用下的最大位移為16 mm，計算結果均滿足規范限值的要求。

根據規范要求，需對主梁設置預拱度[16]，預拱度為恒載產生的撓度加1/2靜活載產生的撓度。

為了平衡梁體在張拉預應力、混凝土的收縮徐變及升降溫作用所產生的縱向位移，滑動支座處均應設置水平預偏量[17]，表8為本橋的支座安裝順橋向水平預偏量(合龍溫度取15 ℃)。

表8 支座安裝預偏量

5 結構穩定性計算

主橋9號～11號剛臂墩采用矩形空心橋墩，壁厚為100 cm，縱向為直坡，橫向自箱梁底面以下3 m處至63 m處采用外坡30∶1、內坡70∶1的坡率，箱梁底面以下63 m處至承臺頂采用外坡15∶1、內坡70∶1的坡率，橋墩橫橋向呈“掃把”形狀。高墩大跨剛構連續橋，在施工階段中最高墩的最大懸臂狀態以及運營狀態下的穩定性往往對于結構來講至關重要[18]。

5.1 單墩穩定性分析

本橋主橋采用懸灌法施工，主墩的最大懸臂長度為52.2 m，取11號墩為研究對象，荷載包括：(1)恒載(懸臂自重偏差5%)；(2)一側掛籃跌落，考慮掛籃動力系數；(3)施工機具的不均勻堆放；(4)梁段澆筑不同步引起的偏差；(5)橋墩順、橫向風荷載；(6)溫度梯度升、降溫；(7)整體升、降溫。分別取以上荷載的最不利工況組合進行分析[19]。圖3給出了115 m高主墩最大懸臂模型下的一階失穩模態。

圖3 115 m高主墩最大懸臂一階失穩模態

單墩前10階穩定性計算所得特征值見表9。

表9 橋墩穩定性特征值計算結果

5.2 運營階段穩定性分析

對成橋階段進行穩定性分析，荷載類型主要包括：(1)自重；(2)二期；(3)車道荷載；(4)制動力；(5)整體升、降溫；(6)溫度梯度升、降溫；(7)縱、橫向風荷載。分別取這些荷載的最不利工況組合進行分析[20]。圖4給出了運營階段全橋模型下的一階失穩模態。

圖4 運營階段一階失穩模態

全橋前10階穩定性計算所得特征值見表10。

表10 全橋穩定性特征值計算結果

由計算可知，本橋在施工及運營階段均具有良好的穩定性。

6 剛臂墩地震作用分析

主橋位于6度(Ag=0.05g)區，選取最高墩11號墩的地震作用計算結果進行分析，計算結果見表11。

表11 地震作用計算結果

地震作用下剛臂墩的鋼筋及混凝土應力均滿足規范要求，且與主力、主+附作用下剛臂墩中鋼筋的最大應力σs=225 MPa，混凝土最大應力σc=10.6 MPa相比，本橋地震作用不控制橋墩的設計。

7 結語

隨著國家經濟的發展需要，重載鐵路的修建越來越多。重載鐵路高墩、大跨剛構連續梁橋設計中關鍵參數的選取對設計的成敗至關重要。依托重載鐵路神瓦鐵路永興溝特大橋主橋的設計，通過一系列研究分析，結論如下。

(1)該橋主橋采用中間3個剛臂墩的結構形式較為合理，采用先合龍剛構連續跨，再合龍剛構跨，最后合龍邊跨的合龍順序，可有效改善成橋后梁部和橋墩結構受力。

(2)合理的頂推力對改善剛構連續梁運營階段橋墩內力至關重要。

(3)通過計算主橋的靜力計算結果均滿足規范要求，主橋在施工階段及運營階段均有良好的穩定性以及本橋的設計不受地震作用控制。

該橋9號、10號主墩基礎施工已于2019年9月完成，計劃于2022年3月底完工。

該橋的設計建成將為今后類似工程設計和施工積累了有益經驗，具有一定的參考價值。