宿淮铁路(江苏段)桥梁设计技术创新

李 涛

(中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070)

宿淮铁路(江苏段)桥梁设计技术创新

李 涛

(中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070)

介绍宿淮铁路2座特大桥结构体系设计创新特点。理论计算分析表明:采用主跨132m 连续梁 拱组合体系单线桥可有效降低梁高,节省造价,施工和运营状态下,结构的强度、刚度、横向稳定、行车舒适度性等指标均满足规范要求;主跨108m连续梁采用双向减隔震体系后,正常使用状态及多遇地震下结构正常工作。当设计地震及罕遇地震发生时,减隔震体系显著降低地震反应,避免了重要部位破坏,保证了桥梁结构的安全性,具有明显的经济效果。

铁路桥梁;组合结构;减隔震体系

1 概况

新建铁路宿州—淮安线位于皖、苏两省北部,连通安徽省宿州、江苏省宿迁及淮安,铁路正线长210.414 km,其中江苏省境内线路长度97.0 km,该段由中铁上海设计院完成勘测设计。

1.1 沿线自然特征

江苏段线路东西向横贯江苏省北部,经过淮河流域,线路跨越京杭运河、徐洪河、淮沭新河等多条重要河流,沿线跨越航道5处,通航等级Ⅶ—Ⅱ(三线),标准高。跨越高速公路、国省县道等密布的交通要道17处。沿线地层主要以第四系全新统、上中更新统黏性土和砂类土为主,第四系沉积层厚度达45～150 m,主要地层依次分别为:黏土,粉质黏土,粉土,中、粗砂,泥质砂岩,片麻岩等,软土及液化粉土等不良地质分布广泛。全线均位于7、8度地震区,地震动峰值加速度(0.10～0.20)g。

1.2 主要技术标准

设计行车速度为160 km/h,列车竖向活载为“中-活载”,桥涵设计洪水频率为1/100,特大桥及重要桥渡检算频率为1/300。

1.3 桥梁特殊结构

该段全线新建特大桥8座。为跨越高等级航道及高等级公路,分别采用了多座大跨度特殊结构桥梁,其中较为典型的有:京杭运河特大桥,主跨为(62+132+ 62)m 连续梁-拱组合结构,徐洪河特大桥,主跨为(66+108+108+66)m预应力混凝土连续梁,位于8度地震区,采用了双向减隔震技术,以上2座桥梁在设计中具有显著的技术创新特点。

2 主跨132 m 单线铁路连续梁-拱组合结构

2.1 桥式与结构特点

组合结构桥梁具有刚度大、动力性能好等优越性,成为目前大跨桥梁结构发展的主要趋势。采用预应力混凝土连续梁与钢管混凝土拱肋组合形成的连续梁-拱组合桥式,结构的部分恒载及活载通过吊杆传至拱肋,由拱肋直接传到主梁根部,因而与同等跨度连续梁相比,可有效降低主梁跨中及支点处截面高度。

京杭运河特大桥位于宿迁泗阳县境,桥址处京杭运河航道标准为VII—Ⅱ(三线),航道净高7 m,通航高度控制梁底高程。经过多个桥式方案比选,考虑到最大限度减少施工对航道运营的干扰,采用(62+132+ 62)m预应力混凝土连续梁拱组合体系,一跨跨越京杭大运河(图1)。

拱肋采用钢管混凝土,拱轴线为二次抛物线,矢高22m,矢跨比1/6;拱肋采用哑铃形截面,拱肋高度2.8m,钢管外直径0.8m,壁厚16mm。上下钢管及腹腔内灌注C50无收缩混凝土。主梁采用预应力混凝土连续梁,单箱单室。跨中及边支点梁高3.5 m,中间支点梁高7.0m。

图1 京杭运河特大桥主桥立面布置(单位:cm)

本桥在科研和设计过程中,开展了桥式方案研究、连续梁拱组合体系设计、空间力学分析、主梁横向稳定分析、拱脚空间有限元分析、车桥耦合动力仿真分析、地震反应分析以及施工稳定性监测等研究工作,取得了一系列成果。

2.2 主要研究成果

(1)由于采用了组合体系,与连续梁相比,有效地降低了梁高,减少了桥长。静活载挠度为跨度的1/6 804,远小于规定值1/700,满足竖向刚度要求;拱肋承载力、混凝土应力等各项计算结果也均满足设计强度和抗裂的控制要求。运营阶段主梁应力及安全系数、拱肋钢管应力见表1、表2。

表1 运营阶段主梁混凝土应力及安全系数 MPa

表2 运营阶段拱肋钢管应力 MPa

(2)本桥宽跨比为1/20.3,满足规范要求。采用有限元计算,一类线弹性稳定系数5.6。按简化方法计算,面内稳定系数15.6,面外稳定系数4.87,均满足规范值4.0的要求;施工阶段拱肋的稳定系数为9.95,表明结构最大悬臂状态时稳定安全仍有足够的保证。

(3)拱脚局部模型空间有限元分析表明,拱脚混凝土基本均处于受压状态,其中,最大压应力为19.8MPa,稍大于容许应力;最大拉应力为3.4 MPa,出现在拱肋周围。根据计算结果,在结构设计中采取了增设钢管外壁剪力栓钉、拱脚端部设承压钢板、沿拱轴方向设置预应力钢筋、局部加密普通钢筋等措施,使得局部应力满足规范要求。图2为拱顶最大负弯矩时,拱脚y方向的空间分析应力云图。

(4)当客车设计行车速度为160 km/h、货车设计行车速度为120 km/h时,桥梁自振特性、脱轨系数、舒适斯佩林指标等参数均在规范限值以内,列车运行安全性满足要求。图3为C62重车通过、速度80 km/h时车辆竖向加速度时程曲线。

图2 最大负弯矩时拱脚y方向应力云图

图3 重车通过时竖向加速度时程曲线

(5)7度地震时,固定支座及桥墩承受的水平地震力较大。设计时加强了墩身和桩身的配筋。

3 主跨108 m连续梁主桥双向减隔震技术

3.1 桥梁结构特点及抗震背景

徐洪河特大桥系单线桥,主跨为一联(66+108+ 108+66)m预应力混凝土连续梁。其位于8度地震区,动反应谱特征周期0.45 s。多遇地震水平地震加速度a值为0.07g,设计地震a值为0.2g,罕遇地震a值为0.38g。岸上桥墩采用圆端形实体墩。考虑到线路与水流斜交,水中桥墩63号、64号采用了圆形墩,基础均采用φ150 cm钻孔灌注桩。

本桥位于高烈度地震区,主桥连续梁跨度较大,水中墩横向刚度相对较小,成为抗震设计的主要控制因素。按照目前铁路抗震设计规范中两阶段设计理论,如采用强度控制的方法,提高桥梁纵、横向刚度,则需要加大桥墩截面和桩基础的数量,引起工程造价的增加。为此,本桥在设计中运用了先进的减隔震理念,采用了双曲面减隔震支座和黏滞性阻尼器共同作用的纵横双向减隔震体系,大大降低了地震作用,使得按常规设计的墩身和基础同时能够满足抗震的要求,具有明显的经济效益和安全性。

3.2 抗震分析主要内容

(1)采用三维有限元计算方法,对结构进行动力特性和地震反应分析。计算模型考虑了桩基础、相邻联跨、支座连接特点等耦合影响因素,以充分反映结构的本构关系。

(2)依据现行的铁路工程抗震设计规范,采用3种设计概率的地震输入,以反应谱分析法和非线性时程分析法对该桥进行结构减隔震设计方案的地震反应分析。

(3)通过结构减隔震方案(双曲面减隔震支座+黏滞性阻尼器)的非线性时程分析,优选减隔震装置的设计参数。

(4)在综合计算分析的基础上,校核3个设防水准地震作用下结构的抗震性能,主要检算控制截面强度和关键节点的位移,提出改善结构抗震性能的构造措施以及上部结构防落梁措施。

3.3 不采用减隔振措施时的主要计算结果

不采用减隔震措施时,主要计算结果如下:

(1)多遇地震下,桩基承载弯矩安全系数(允许值/计算值)Kw＞1.0,表明桥墩和桩基保持在弹性范围;部分支座水平剪切安全系数(允许值/计算值)Kz＜0,说明水平抗剪能力不够;

(2)设计地震下,大部分Kz＜1.0,支座水平抗剪能力不足,大部分桥墩和桩基发生屈服损伤;

(3)罕遇地震下,Kz＜1.0,支座水平抗剪能力严重不足,桩基出现上拔力,损害严重。

表3为桥上无车时,63号桥墩固定支座纵向水平剪力值和桩基弯矩值。表4为61～63号桥墩桩基弯矩及支座水平剪切力安全系数K值。

表3 63号桥墩固定支座纵向水平剪力值和桩基弯矩值

表4 桥上无车时各桥墩桩基弯矩及支座允许水平剪切力安全系数K

根据上述结果,为了满足三水准设防要求,一般可采用加大墩身截面、增加桩基根数、加大墩身和桩身配筋的抗震方法。经计算全桥桩基共增加直径1.0～1.5m的桩约30根,桩基配筋需增加1倍以上;63、64号墩截面尺寸增大,桥墩配筋亦增加1倍以上,工程数量增加较大,经济性差。

3.4 双向减隔震体系原理及布置

为了降低工程造价,提高本桥的抗震能力,本桥设计时采用了先进的减隔震理念,选择双向减隔震体系,即双曲面减隔震支座与黏滞性阻尼器联合作用的减隔震体系,有效降低2个方向的地震作用,解决了常规抗震方法的缺陷。

双曲面球型减隔震支座是一种耗能减震装置,当地震发生且水平横向力超过预定值时,限位装置的抗剪销和安全螺钉被剪断,支座的横向限位约束被解除,大半径球面摩擦副横向即可自由滑动,通过摩擦阻力逐渐消耗地震能量、延长地震时的结构周期,达到减震和抗震的效果。地震过后,结构自重又可形成恢复力,使支座复位;黏滞性阻尼器为一种耗能减震装置,通常由缸体、活塞、阻尼孔、黏滞性流体和活塞杆等部件组成。当活塞杆在结构变形作用下推导活塞与缸体之间发生相对运动时,内部黏滞性流体流动,与缸体表面的摩擦力转换成热能,可将地震能转化为分子热能,达到耗能的目的。其阻尼力—位移滞回曲线为饱满近似矩形,具有稳定的动力特性和很强的耗能能力。同时因为它是无刚度的,不会改变结构的固有动力特性,只对结构提供附加阻尼。

根据本桥理论分析结果,采用如下减隔振体系布置形式(图4):

(1)在61～65号桥墩处,分别采用曲面半径R= 4、5m,摩擦系数μ=0.05的FPB球形支座,承担纵、横两个方向的减隔震作用;

(2)在连续梁主桥墩62、64号墩处,沿纵向安装阻尼系数2 500、速度指数0.7、行程20 cm、吨位为2 000 kN的阻尼器,增强纵向的减隔震作用。

图4 双向减隔震支座支座及阻尼器平面布置示意(单位:m)

采用减隔震体系后,在正常使用状态及多遇地震时,桥梁和支座结构均正常工作;当设计及罕遇地震发生时,支座抗剪销剪断,减隔震体系发挥作用,降低地震反应,避免桩基、墩身等重要部位遭受破坏或损伤,极大提高了桥梁结构的安全性能。表5为罕遇地震下,桩基横向弯矩安全系数Kw、阻尼器水平力及纵向位移值。当减隔震体系发生作用时,水平力由各墩分散承担,阻尼器最大水平力为3 127 kN,远小于原结构计算值15 122 kN;桩基弯矩安全系数Kw＞1.0,墩身及桩基安全。

表5 各桥墩桩基横向弯矩安全系数Kw、阻尼器水平力、纵向位移值

4 结论

(1)主跨132m单线铁路连续梁拱组合结构

在满足竖向刚度要求前提下,本桥结构可有效降低梁高,降低造价。整体和局部结构在施工和运营阶段的强度、刚度、稳定性等指标满足要求;当客车设计行车速度为160 km/h、货车为120 km/h时,桥梁自振特性、脱轨系数、舒适斯佩林指标等参数均在规范限值以内,列车运行安全性满足要求。

(2)主跨108m连续梁主跨双向减隔震技术

如果不采用减隔震措施,在设计地震下及罕遇地震下,支座及桩基将出现严重损坏。必须采用加大墩身截面、增加桩数、加大配筋等常规抗震方法,工程数量增加较大,经济性差。

采用减隔震体系后,原设计结构在正常使用状态及多遇地震时可正常工作。当设计及罕遇地震发生时,减隔震体系发挥作用,显著降低了地震反应,避免桩基、墩身等重要部位遭受破坏或损伤,极大地提高了桥梁结构的安全性,具有明显的经济效益。

[1] 黄晓斌,李涛,吴定俊.大跨度单线铁路桥连续梁拱动力特性分析[J].铁道标准设计,2007(7):59 -62.

[2] 石岩,秦洪果,刘永前.大跨度单线铁路桥连续梁拱桥施工仿真及稳定分析[J].铁道建筑,2001(1):8 -11.

[3] 陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].北京:人民交通出版社,2007.

[4] 范立础,王志强.桥梁减隔震设计[M].北京:人民交通出版社, 2001.

[5] 郭磊,李建中,范立础.大跨度连续梁桥减隔震设计研究[J].土木工程学报,2006(3):81 -85.

[6] 焦施宇,李建中.桥梁新型减隔震支座的研究进展[J].结构工程师,2007(6):83 -87.

[7] 彭天波,李建中,范立础.双曲面球形减隔震支座的开发与应用[J].同济大学学报,2007(2):176 -180.

Technology Innovation in Bridge Design of Jiangsu Section of Suzhou-Huaian Railway

LITao
(China Railway Shanghai Design Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai200070,China)

This paper introduces the characteristics of design innovation of two super major bridges in Jiangsu section of Suzhou-Huaian Railway.Firstly,theoretical calculation showed that:the girder depth and the project cost could be reduced effectively by using the single line bridge with the main span of 132m continuous girder-arch composite system,while in the process of construction or operation,the structure strength,stiffness,lateral stability,comfort level and other indexes couldmeet the requirements of relevant standards.Secondly,theoretical calculations showed that:in the case of using the bidirectional seismic isolation system in 108 m continuous girder of main span,the bridge could work normally under the normal service condition and small earthquake condition.Furthermore,in case of the design earthquake or severe earthquake,the seismic isolation system could reduce the seismic response significantly and protect the key structure parts from being damaged.So the safety of bridge structure could be assured with the obvious economic effects.

railway bridges;composite structure;seismic isolation system

U442.5

A

1004 -2954(2012)10 -0025 -04

2012 -02 -27

铁道部科技研究开发计划项目(2008 G023-B)

李 涛(1957—),男,教授级高级工程师,2006年毕业于北京交通大学道路与铁道工程专业,工学博士,E-mail:litao@sty.sh.cn。