关键词:高墩;长跨桥;预应力混凝土结构;连续梁;铁路桥;桥梁设计
1 概 述
内昆铁路花土坡特大桥位于云南、贵州两省交界处,桥址属于高原剥蚀、侵蚀地貌。地形起伏较大,相对高差约120ｍ,其中右岸冲沟发育,岸坡及冲沟壁陡立,靠昆明端有一古滑坡,桥渡区大部分垦为旱地,植被极差。离大桥桥位200～300ｍ为区域性大断裂“龙翻身”断层,该断层为一逆掩断层,近Ｓ～Ｎ向展布,倾向东。受其影响,地层岩体破碎,节理(裂隙)发育。桥址处属亚热带季风湿润气候,年平均气温为10.4℃,极端最高气温35.7℃,极端最低气温-15.3℃。极端风速24ｍ/ｓ。桥址处地震基本烈度为7度。勘测时,对该段线路经过多方案的综合比较,选定线路在此通过。花土坡特大桥主桥结构为一联(64+2×104+64)ｍ预应力混凝土连续梁桥,主墩高达110ｍ。其主桥总体布置见图1。
2 主梁结构设计
2.1 主梁构造及节段划分
主梁采用单箱单室、直腹板、变截面变高度箱梁,其几何尺寸的确定由梁的横、竖向刚度及某些构造因素控制。本桥跨中梁高为4.5ｍ,为主跨的1/23.11,中支点梁高为7.6ｍ,为主跨的1/13.68。本桥箱宽在保证足够刚度的前提下,采用5.0ｍ,宽跨比为1/20.8,突破了1/20的限制。桥面宽7.0ｍ。梁高及底板厚沿跨径方向按二次抛物线变化,跨中设10ｍ长的直线段,使得梁体轻巧,梁底曲线流畅。箱梁顶板厚度为0.42ｍ,边跨端块处顶板厚由0.42ｍ渐变至0.80ｍ,主要为构造控制。底板厚度为0.40～0.90ｍ,腹板厚度为0.40～0.70ｍ,主要为强度及构造控制。主梁中支点及跨中截面尺寸见图2。
在考虑全梁的节段划分时,根据一般悬臂灌筑施工节段长度在4ｍ以下,各节段重量不宜相差太大,且节段长度不宜太多的原则,悬灌节段长度分为3.0,3.5,4.0ｍ三种。0号段长度考虑挂篮所需的长度等因素,节段长度采用12ｍ。边跨端部节段长为3.6ｍ,合龙段长为2.0ｍ。预应力混凝土桥梁,随着跨度的增加,恒载所占的比重也加大。因此,在设计时尽可能采用高标号混凝土以提高截面的有效承载力,同时在保证梁体必要刚度的前提下,尽可能地减轻梁体结构自重。本桥为单线铁路桥,考虑到箱形截面抗弯及抗扭刚度大,仅在支座处设有横隔板,这样既减轻了梁体的自重也简化了施工工艺。
2.2 梁体预应力体系
箱梁按全预应力设计,考虑箱梁较高、较宽以及铁路活载较大等因素,通过计算决定对梁体采用三向预应力布置。纵向顶板、腹板钢束采用9-7?5高强度低松弛钢绞线,ｆｐｋ=1860ＭＰａ,ＳＴＭ15-9群锚;底板钢束采用12-7?5高强度低松弛钢绞线,ｆｐｋ=1860ＭＰａ,ＳＴＭ15-12群锚。横向采用2-7?5钢绞线,扁型金属波纹管成孔,单端交替张拉,张拉端为ＳＴＢＭ15-2扁形锚具锚固,固定端为ＳＴＢＭ15Ｐ-2型锚具锚固。在箱梁顶板每0.5ｍ布置1根。腹板竖向预应力采用?Ｌ25高强精轧螺纹粗钢筋,ＹＧＭ-25型锚具锚固,在腹板内双排布置,在梁上间距为0.4～0.5ｍ。考虑到腹板根部的负弯矩,钢筋重心布置偏向外侧,它与腹板弯起的钢绞线及横向箍筋共同承担梁体的主拉应力。
2.3 主梁结构计算
将连续梁划分为98个单元进行有限元分析计算,分别按拟定的施工步骤和成桥运营进行全面计算。荷载按主力及主力+附加力进行组合,并计入列车冲击力。主力组合:恒载+活载+预应力+混凝土收缩徐变+支点沉降;主力+附加力组合:①主力+支座摩阻+温度变化;②主力+制动力+温度变化。计算顶、底板最大压应力为13.26ＭＰａ,最小压应力为1.92ＭＰａ,截面均不出现拉应力,主跨跨中最大活载挠度4.7ｃｍ;边跨跨中最大活载挠度1.7ｃｍ。
3 桥墩设计
主桥各墩所承受的制动力或牵引力,按各墩的抗推刚度进行分配,并考虑活动支座滑移后引起制动力的重新分配以及温度变化引起梁体伸缩变形产生的水平力对制动力分配的影响。对于风力的影响,考虑了合理的风振系数。除常规计算外,还对墩、梁整体进行动力特性分析。连续梁3个主墩墩高分别为104,110,78ｍ,2个边墩墩高分别为66ｍ和55ｍ。该桥地处云贵高原,风速较大,极端风速达24ｍ/ｓ。因此,对风力问题要引起足够的重视,墩身应选择合理的抗风结构形式,尽量减少风振的影响。本桥墩身采用钢筋混凝土圆端形空心墩,这种墩型抗风性能良好,抗弯及抗扭刚度大。在桥墩设计中,采用ＡＮＳＹＳ的ＳＯＬＩＤ45、ＳＯＬ Ｉ
Ｄ95单元对高墩进行实体模拟。为了更好地反映墩、顶帽、实体段的各部位的应力情况,在建模时考虑了这些部分及梗胁的作用。鉴于解题的规模控制,在单元划分时,在墩身与实体连接处单元划分较密,墩身部分则单元划分较稀。荷载处理时,将竖向轴力按等效均布力作用在支承垫石上,横向(纵向)力等效到4个锚栓孔处,由于ＳＯＬＩＤ45、ＳＯＬＩＤ95单元不能直接承受弯矩,故弯矩以等效力偶来代替,作用在支承垫石4个锚栓孔处。计算结果表明,除了墩顶、墩底应力变化大,且应力较集中外,墩身部分应力分布变化均匀;墩身的应力分布反映了墩偏心受压的受力特性,其截面应力满足设计要求;在墩身与顶帽和基础连接处,由于实体段的刚度较墩壁大,相当于固端,对墩壁有约束作用,因此,该部位的纵向应力和环向应力增大很多,须在设计中引起重视。
4 横向刚度
控制桥梁设计的要素除结构本身的强度和稳定性需要外,横向刚度控制值的选取,在一定程度上决定了桥梁设计的经济性。像本桥这种高墩、大跨度结构尤其如此。其横向刚度及动力性能是本桥设计中重点关心的问题。横向刚度用什么指标控制,国内尚无统一标准。根据铁道部有关文件规定,本桥在设计时,采用横向自振周期控制,同时检算墩顶位移和跨中横向位移,并进行车桥动力分析。在横向刚度计算中考虑了主桥墩、梁的共同作用。6号、9号
、10号墩基础为桩基础,考虑桩土的相互作用,按照刚度等效的原则,将群桩基础等代转换为同等作用效果的门式刚架,采用空间杆系有限元法计算主桥墩、梁整体自振特性,本桥横向第Ⅰ振型自振周期Ｔ1=1.553ｓ<[Ｔ1]=1.70ｓ;主墩墩顶最大位移Δ=34.2ｍｍ<0.8(5Ｌｐ);跨中最大水平位移Δ=25ｍｍ<ＬＰ/4000。横向刚度问题的实质是车桥共同作用的动力问题,本桥采用国内外车辆部门有关列车走行安全性和平稳性评估标准,对车桥时变系统进行空间动力分析。采用客车以120ｋｍ/ｈ、140ｋｍ/ｈ的速度,货车以80ｋｍ/ｈ的速度过桥3种工况进行计算分析。列车最大脱轨系数为0.51;最大轮重减载率为0.48;列车心盘最大横、竖向加速度分别为0.241ｇ、0.154ｇ;最大横、竖向斯佩林舒适度指标为3.31;车桥系统最大振动响应在规定的行车安全、平稳的控制指标以内。虽然本桥宽跨比1/20.8<1/20,经计算分析本桥仍具有足够的横向及竖向刚度,列车走行具有良好的安全性和舒适性。
5 悬臂施工检算
该桥墩高、跨度大、风大,为确保结构在施工过程中的安全,设计中对悬臂施工的各阶段特别是最大悬臂状态下可能出现的不利情况进行了检算,并对横向风力作用下梁体及桥墩的扭转强度和稳定性进行了检算。施工阶段最不利状态所受荷载按如下几种情况考虑:(1)一侧达到最大悬臂,灌筑最后一节梁段混凝土,并计入冲击系数,另一侧滞后一个梁段;(2)考虑施工尺寸误差、梁重的变异性,超前一侧梁段自重增大5%;(3)滞后一侧挂篮突然坠落,冲击系数2.0;(4)超前一侧作用向下风力;(5)横向风力最不利状态:最大悬臂一侧有风力,另一侧无风力。临时支座是悬臂施工的重要结构,要承受施工中产生的不平衡弯矩,同时也要便于拆除。按以上几种工况进行设计计算,充分保障施工安全顺利进行。
6 抗震分析
对于连续结构桥梁的抗震计算,目前规范还没有具体的规定。结合花土坡特大桥工程进行了高墩大跨连续梁的抗震分析研究。用转动弹簧模拟地基的约束,根据桥址处的地质情况,按Ⅱ类场地土进行反应谱分析。以最高墩(8号墩)为例,其分析计算结果见表1。
由上述计算结果可知,地震烈度为7、8度时,按抗震规范所计算的桥墩截面混凝土和钢筋应力均未超出允许值,从现行抗震规范的计算方法来看,花土坡特大桥的设计是安全的。
7 结 语
花土坡特大桥地质条件复杂,集高墩、大跨于一体,是西南山区铁路桥梁的典型代表。该桥在具有足够的横向刚度的前提下,突破了宽跨比1/20的限制。通过本桥的设计,为今后高墩、大跨度铁路预应力结构的设计提供了有益的经验。该桥已于2000年8月建成,并于2001年11月进行了静动载试验,实测各项指标均在规范要求以内。该桥承载力具有足够的安全储备,动力性能良好
