北京南站铁路斜弯刚构连续梁桥设计与研究

孙大斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 概况

北京南站改扩建工程凉水河中桥为京沪高速铁路、京津城际铁路、京山改线共24股道跨越凉水河而设,位于北京南站西侧出口处。铁路线路跨越凉水河处为半径R=400 m、R=600 m的曲线,且股道较多；凉水河在此处为弯曲河道,行洪不利；同时北京南站站坪高度又有一定限制,一般梁式结构不能满足行洪要求。为减小结构高度,有效地降低北京南站站坪高程,为此跨越凉水河采用结构高度较小的四跨斜弯刚构连续梁结构。

凉水河中桥共16座单体桥,占地面积共12 915 m2,其中单线正做刚构连续梁桥1座,单线斜弯刚构桥8座,双线分离斜弯刚构桥3座,双线整体斜弯刚构桥3座,三线分离斜弯刚构桥1座。凉水河中桥墩、台均顺水流方向设置,由于河道弯曲,故所有墩台均不平行；同时凉水河中桥均为异形桥面,从而体现出刚构连续梁有较好的适应性。

桥址范围内地层为第四系全新统冲积层(Q4al)及第四系上更新冲洪积层(Q3al+pl),表层局部为人工堆积层(Q4ml),主要为：粉土粉砂、细砂、中砂、圆砾土、卵石土。土壤最大冻深为0.8 m。场地类别为Ⅱ类。地震基本烈度为Ⅷ度,地震动峰值加速度为0.2g。桥位地质较好,基础沉降易控制,为此，凉水河中桥采用刚构连续梁是合理的。图1为刚构连续梁立面布置图。

图1 刚构连续梁立面布置

斜弯刚构连续梁均采用无梁板结构。主梁为现浇钢筋混凝土板梁,除刚壁墩支点处板厚为1.55 m,其余板厚均为0.95 m。每座单体桥均留2 cm结构缝,悬臂板厚为0.4～0.2 m渐变。刚壁墩采用钢筋混凝土圆端形刚壁墩,刚壁墩高5.9 m,墩厚0.70 m。桥台采用一字台,斜交正做,桥台长2.5 m,并设有台后混凝土块。基础采用φ1.0 m钻孔桩基础,刚壁墩承台厚2.5 m,桥台承台厚2.0 m。由于刚构连续梁对基础刚度要求高,故凉水河中桥在基础设计时充分考虑刚构连续梁的整体受力。

2 结构分析理论

鉴于斜弯刚构连续梁结构受力复杂,计算采用大型有限元软件进行力学分析。由于桥梁受到车辆移动荷载、地震力等动力荷载作用,因此可以由动力学的Hamilton原理来推导适用于桥梁结构的动力学方程。即

式中，T为系统的动能；U为系统的弹性势能；Wc为系统的阻尼势能；WF为外力势能。

将各个单元的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵集合而成,得到整个结构体的动力学平衡方程

(2)

式中,[M]为结构的总体质量矩阵；[K]为总体刚度矩阵；[C]为阻尼矩阵；{F}为外力向量。

在下面的计算分析中采用了空间板单元,限于篇幅,下面仅给出矩形板单元的单元刚度矩阵

k1=21-6μ+30b2/a2+30a2/b2,

k2=8b2-8μb2+40a2,

k3=8a2-8μa2+40b2，

k4=3b+12μb+30a2/b,

k5=3a+12μa+30b2/a,

k6=30μab

k7=-21+6μ-30b2/a2+15a2/b2,

k8=-8b2+8μb2+20a2,

k9=-2a2+2μa2+20b2

k10=-3b-12μb+15a2/b,

k11=3a-3μa+30b2/a,

k12=21-6μ-15b2/a2-15a2/b2

k13=2b2-2μb2+10a2,

k14=2a2-2μa2+10b2,

k15=-3b+3μb+15a2/b

k16=-3a+3μa+15b2/a,

k17=-21+6μ+15b2/a2-30a2/b2,

k18=-2b2+2μb2+20a2,

k19=-8a2+2μa2+20b2,

k20=3b-3μb+30a2/b,

k21=-3a-12μa+15b2/a

3 结构计算

3.1 计算模型及结构计算参数

凉水河中桥斜弯刚构连续梁采用大型有限元软件MIDAS进行分析计算。由于桥面板直曲线不规则、刚壁墩斜交角度变化,共建立了16座桥的三维计算模型。梁部、桥墩及承台均采用空间板单元,桩基按基础实际等效刚度进行模拟。

凉水河中桥16座刚构连续梁结构计算参数详见表1。

表1 结构计算参数

3.2 刚壁墩桩基础设计

根据地质情况,估算桩长,计算桩基刚度后,对模型进行约束,粗算基础反力。再由基础反力计算桩长,并计算桩基刚度,再次对模型进行约束计算,反复计算直到形成桩基承载力与刚度的匹配,最终确定桩长及基础刚度。

通过对多线刚构连续梁进行模拟,对整体受力的桩基础进行分析,结果显示多线桥共用基础是合理、可行的。

3.3 斜弯刚构连续梁的内力分析

斜弯刚构连续梁的内力复杂,以L桥为例简要介绍斜弯刚构连续梁受力。图2为“主力+附加力”荷载工况下L桥的Mxx弯矩内力图。

图2 L桥(京山改线)Mxx弯矩内力图

L桥为双线桥,梁体分离形成左、右线两幅桥,两幅桥刚壁墩、梁部之间留有2 cm缝隙,基础共用。左、右线桥分离可基本避免在最不利荷载工况作用下梁端支座出现拉力,也可使梁部、支座和墩台所受的横向水平力较小,对支座及下部基础受力有利。整体基础可提供较大的基础横向刚度。

斜弯刚构连续梁的内力主要具有以下几个特点。

(1)斜弯刚构连续梁的墩、梁固结处,承受主梁板的负弯矩及墩梁斜交引起的斜弯及扭矩,故在墩、梁固结处梁板的钝角区(主梁边缘1.5～2 m)出现应力集中。

(2)由于刚壁墩与主梁板斜交,刚壁墩平面扭矩较大,墩底横向边缘局部(1～1.5 m)出现应力集中。

(3)为满足排洪设计要求,边跨与中跨跨度相近,对刚构连续梁来说孔跨不匹配,边跨梁部受力较大,为此边跨控制梁部的整体配筋。

(4)由于梁端与河道方向一致,梁端与线路斜交,故梁端支座反力不均匀,其中梁端钝角区的支座反力较大、锐角区的支座反力较小,经计算凉水河中桥所有支座在最不利组合下均未出现拉力。

(5)由于梁端横向支座间距较大,梁板厚较小,横向高跨比较小,故梁端横向受力较大。

3.4 斜弯刚构连续梁的挠度计算

凉水河中桥挠度计算成果详见表2。

表2 凉水河中桥竖向挠度及梁端竖向转角成果

经计算分析,斜弯刚构连续梁具有较强的竖向刚度,竖向位移及梁端竖向转角均较小,均满足规范的限值要求。

3.5 斜弯刚构连续梁的特征值分析

以L桥介绍斜弯刚构连续梁的自振特性,L桥的空间特征值分析结果详见表3。图3为L桥一阶振形。

表3 L桥(17.2+18+18+17.27)m自振特性分析成果

图3 L桥(京山改线)一阶振形

由于刚壁墩较薄,刚构连续梁的纵向刚度较弱。从上述自振特性结果可看出,刚构连续梁的整体横向、竖向刚度较大。通过计算分析,凉水河中桥中刚构连续梁的自振特性基本一致,均能满足规范对自振频率限值的要求。

3.6 结构配筋

凉水河中桥为钢筋混凝土结构,根据斜弯刚构连续梁的受力特点进行有效的配置主筋、弯起抗剪钢筋及箍筋等。主筋骨架顺线路方向设置,形成平面曲线骨架,在应力集中区域,增加主筋及其他钢筋布置,以抵抗局部应力。

4 结语

凉水河中桥为多座4跨斜弯刚构连续梁桥,位于北京南站出口跨越凉水河,规模较大,以其结构高度低,有效地降低了北京南站站坪高程；同时,刚壁墩沿凉水河河道布置,有效的放大了排洪能力。

斜弯刚构连续梁的受力较为复杂,尤其是墩梁固结钝角区、刚壁墩底部边缘及梁端部位,是凉水河中桥设计中的控制点。此外,斜弯刚构连续梁的基础设计也是控制桥梁受力的关键。

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