2-100 m铁路双线预应力混凝土T形刚构设计

左家强

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 概述

1.1 桥址自然条件

前王家山2号大桥位于陕西省吴堡县前王家山村附近，为跨越307国道及张家鄢沟而设[1]。307国道即岐(口)银(川)公路，桥位处公路宽7 m，立交要求预留宽度16 m。张家鄢沟为较典型的陕北黄土高原冲沟，沟道曲折，河床纵坡大，平时无水，雨季洪水来势凶猛，历时短。两侧山势陡峻，沟底基岩出露，地形、地质条件复杂。桥址处地震动峰加速度为0.05g，地震基本烈度为六度，土壤最大冻结深度1.2 m。

地区多年平均降水量在350～493 mm。气温变化较大，最冷月平均气温-10.6 ℃、最热月平均气温33.1 ℃、极端最低气温-20.7 ℃、极端最高气温40.8 ℃，属于严寒地区。

1.2 主要技术标准

太中银铁路为客货共线铁路，设计最高行车速度为200 km/h。

1.3 桥址处线路条件

全桥位于R=2 800 m的圆曲线上，双线，线间距5.4 m，线路纵坡1‰，。采用重型轨道，铺设跨区间无缝线路，轨底至梁顶高度70 cm。根据《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》[2]相关要求，本桥未设置钢轨伸缩调节器，引桥及主跨两端各60 m设置小阻力扣件，中间设置大阻力扣件。

2 桥梁设计

2.1 孔跨布置

太中银铁路斜交跨越307国道沿张家鄢沟，法向角48°。307国道小里程侧为张家鄢沟，大里程侧为陡峻峭壁，高近50 m。张家鄢沟深窄，桥墩应布置在沟道小里程侧，避免对公路的影响，同时考虑尽量远离沟槽，有利于行洪并减小泥石冲击桥墩。陡崖一跨而过，桥台位置根据稳定边坡确定。全桥孔跨布置采用(100 m+100 m)T形刚构+1-32 m简支梁，全桥长245.5 m。对于高墩大跨桥，T形刚构的整体性、结构受力性能好，横桥向抗推刚度及抗扭刚度大，有利于悬臂施工的横向抗风要求，同时节省大吨位支座以及后期维修养护。全桥立面见图1。

图1 前王家山2号大桥立面(单位：m)

2.2 上部结构设计

2.2.1 主梁构造

主梁采用C55混凝土，封端采用C55无收缩混凝土。梁体为变截面箱梁，单箱单室直腹板。中支点处箱梁梁高11.4 m，跨中及梁端梁高4.5 m，梁底下缘采用2次抛物线过渡，抛物线起点距离梁端13 m处，终点距离主墩中心线6 m处。箱梁顶宽12.48 m，箱梁底宽7.4 m，主墩处箱梁底宽加宽至7.9 m。顶板厚度除支点处外均采用35 cm，底板厚度50～120 cm，腹板厚度55～100 cm。箱梁顶板处设置120 cm×40 cm梗胁，底板处设60 cm×30 cm梗胁。根据梁体受力及钢束张拉锚固布置的要求，梁体内底板相应位置处设有锯齿板。梁体在支点处共设置4道横隔板，端部横隔板厚1.6 m，空心墩处设置2道厚为1.6 m的横隔板并与空心墩墩身正对，隔板处设进人洞，梁端进人洞位置结合邻跨简支梁隔板空洞位置确定，以方便检查人员进入。箱梁腹板每隔200 cm左右设φ100 mm通风孔。在中支点横隔板两侧底板设置内径为100 mm的泄水孔。主梁采用C55混凝土。梁体截面见图2。

图2 主梁截面(单位：cm)

梁顶面及钢筋均按水平布置，梁体浇筑时一并浇筑同强度等级混凝土形成横向2%的排水坡。为避免桥面混凝土出现裂缝，在桥面设置HRB335抗裂钢筋网，钢筋直径7 mm，间距15 cm。

主梁0号段长度18 m，中间悬浇各段长度3～4 m，合龙段长度2 m，最大悬浇质量255 t。

2.2.2 墩梁固结区构造

墩梁固结区是T构桥的重要构造之一，是传递荷载、扩散应力的关键部位[3]。设计中有必要进行局部应力分析，以优化此部位的结构形式，使受力更加合理有利。设计利用ANSYS软件建立空间模形，选取刚臂墩顶纵向2×12 m主梁及10 m墩身范围建立空间模型，对墩梁固结部位进行局部应力分析。采用solid45号单元，因模型对称性为减小求解规模在墩顶对称取用一半模型，共用14 526个节点及62 353单元。局部应力分析模型详见图3。

图3 墩梁固结空间分析模型

计算结果表明，空间结构应力分析与平面分析结果吻合较好，在纵向预应力作用下箱梁截面受力较为均匀。主应力计算结果显示，除预应力的锚固点、横隔板、箱梁截面倒角处的局部应力集中位置外，主拉应力都比较小，整个梁体的应力状态满足梁体结构设计要求，出现应力集中的范围较小。同时设计中通过增设横隔板的横、竖向预应力改善受力状况。

2.2.3 梁体预应力体系

梁体采用三向预应力体系。纵向预应力采用9、15、19φ15.2 mm钢绞线，抗拉强度标准值为1860 MPa，其技术条件符合GB/T5224—2003标准，管道形成采用金属波纹管；横向预应力采用4φ15.2 mm钢绞线，扁形金属波纹管成孔，在顶板间隔50 cm布置，在支点隔板及墩梁固结处也布置有横向钢束；竖向预应力采用φ32 mm高强度精轧螺纹钢筋，抗拉强度标准值830 MPa，采用内径45 mm铁皮管成孔，在腹板间隔50 cm布置，除中支点两侧各约35 m范围设置2排外，其余范围设置单排。为减少收缩徐变对大跨梁变形的影响，要求纵向预应力在梁体混凝土强度及弹性模量达到设计值的100%后进行张拉，且必须保证张拉时梁体混凝土龄期大于7 d。主梁纵向钢束布置见图4。

图4 主梁纵向钢束布置(单位：m)

为确保墩梁固结处的受力安全，除顶板外，在横隔板及底板布置横向钢束，在腹板布置2道竖向预应力筋，竖向预应力筋伸入主墩5.0 m。墩梁固结处横竖预应力钢筋布置见图5。

图5 墩梁固结处横竖向钢束布置(单位：cm)

2.2.4 主梁设计指标

主桥采用MIDAS和桥梁博士2种程序进行静力计算。结构变形、变位及自振频率等指标要求均按《新建时速200 km客货共线铁路设计暂行规定》[4](以下简称“暂规”)控制。最大静活载挠度-30 mm，为跨度的1/3 333，参照《暂规》中96 m跨度的限值1/900，满足要求；中-活载作用下梁端竖向折角1.39‰，小于限值3‰；在列车横向摇摆力、风力和温度力作用下，梁体的水平挠度11.6 mm，为跨度的1/8 620，小于限值1/4 000。截面应力及强度计算结果见表1。

表1 主梁应力及强度计算结果

2.2.5 上部结构设计特点

(1)施工方案选择

本桥主梁采用悬浇法施工，因跨度较大，所以主梁墩顶负弯矩较大，同时主墩承受较大的恒载。上述情况均有可能成为设计控制因素，为此尽量减少悬浇长度的施工方法对本桥显得很重要。本桥结合现场地形，主梁两端各设置了长达19 m的现浇段，大大减少了悬浇长度，降低了主梁的墩顶负弯矩和主墩承受的竖向恒载，取得了良好的效果。

(2)钢束布置优化

为避免竖向预应力筋损失过大引起的腹板主应力状态恶化导致的大跨度主梁下挠增大，每个悬浇节段的每侧腹板均设置2束下弯钢束，同时钢束尽量向底板方向延伸。设计中综合考虑顶板和腹板纵向钢束布置，经优化，在顶板竖向只布置1排纵向束，因此，顶板厚度不受构造控制，而按受力需要采用35 cm厚。顶板厚度减薄后结构圬工量减少，自重降低，整体改善了梁体受力状态。该桥梁部混凝土每延米19.9 m3，钢束每延米1 286 kg，在相近跨度的类似结构中是较为节省的。

(3)收缩徐变控制

近几年，在我国修建的大跨连续梁(刚构)桥中，箱梁跨中下挠病害较为普遍，其中徐变是重要的影响因素[5]。徐变变形随时间的增长而增大，一般前3年影响较大，3年过后变形减缓。初始加载龄期越短徐变速率对挠度的后期影响越大，随时间的增长混凝土梁的刚度越来越大，初始加载龄期在60 d时徐变速率对挠度的后期影响非常小[6]。为减小徐变的影响，主梁设计时尽量减小上、下缘的恒载应力差，使梁体在恒载作用下趋近于轴压状态。经计算本桥二期恒载上桥时间按全联合龙后90 d计算，理论计算残余徐变拱度值跨中为-7.7 mm，满足使用要求。

2.3 下部结构设计

2.3.1 主墩构造

主墩采用矩形空心墩，墩顶及墩底分别设置2 m和10.2 m的实体段，下端实体段的高度主要结合河道百年水位确定。主墩墩高47.5 m，墩身纵向上下等宽，宽度为10 m；横向为变宽设计，墩顶横向宽度7.9 m，底宽14.4 m。墩顶纵、横向壁厚分别为1.6 m、1.4 m。纵向内坡为直坡；横向外坡为14∶1，横向内坡为18∶1。墩底以上10 m设置圆包头。墩底实体段顶部对称设2个排水孔，其上每隔4 m在墩身周围交错设置通风孔，直径0.2 m，孔口用钢筋织成的井字网封护。墩身材料分界线(梁底以下2 m)以下采用C50混凝土，以上采用与梁体同强度等级的C55混凝土。为提高墩底实体段及墩顶与梁体相接段混凝土的抗裂性及耐久性，在上述部位采用纤维混凝土。主墩构造见图6。

图6 主墩构造(单位：m)

在确定该桥主墩形式时，分别对矩形空心墩和双壁墩进行了动、静力分析，经过计算分析比较后，确定采用矩形空心墩，其优点如下：矩形空心墩的纵、横向刚度及抗扭刚度大，增加了悬臂施工及最大悬臂时的安全度；在桥墩纵、横向位移及横向刚度基本一致的前提下，双壁墩较矩形空心墩截面尺寸大，导致基础圬工量增加；空心墩横向自振频率明显优于双壁墩；张家鄢沟百年设计流量854 m3/s，山区沟道洪水来势凶猛，加带大量泥石，采用墩底设置实体段的空心墩更有利于保证桥墩安全。

2.3.2 主墩基础

桥址区大部分分布三叠系上统砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩，基本承载力400～800 kPa；局部表覆第四系全新统人工堆积层、上更新统风积层新黄土及第四系上更新统坡积层粗角砾土，中更新统风积层老黄土，基本承载力60～550 kPa。主墩采用钻孔桩基础，桩径2 m，共20根，桩长27 m，桩尖嵌入800 kPa砂岩，按柱桩设计，桩间距按《铁路桥涵地基与基础设计规范》[7]控制，采用4.2 m。承台尺寸17.9 m(纵)×24.2 m(横)，承台厚度5 m。

2.4 抗震分析

采用MIDAS建立模型，对主桥多遇地震作用下的地震力采用反应谱法进行分析并检算桥墩和基础，因本桥地震烈度较低，地震作用不控制设计。采用简化方法进行延性验算，结果满足《铁路工程抗震设计规范》[8]要求。根据震规要求，本桥提高一级按7度设置抗震措施。同时主墩钢筋布置执行震规提出的延性配筋要求。

3 主桥纵横向刚度及动力特性

3.1 自振频率

主桥的自振频率在很大程度上能反映出主桥刚度的大小，也就反映出主桥的动力特性，因此，分析主桥动力特性时应首先要准确地计算主桥的自振频率及各阶频率对应的振形特点。经分析计算，主桥前10阶自振频率的计算结果及相应振形特性见表2。

表2 前10阶自振频率及相应振形

3.2 纵横向刚度

3.3 车桥耦合动力仿真分析

采用空间有限元方法建立其全桥动力分析模型，考虑了桥墩与基础的影响，对桥梁在C62货车、SS8牵引准高速车辆、国产先锋号动力分散式动车组、中华之星动力集中式车组作用下的车桥空间耦合振动进行了分析，评价了桥梁的动力性能以及列车运行安全性与舒适性(平稳性)。主要结论如下：C62货物列车、SS8牵引准高速列车集中式动车组通过桥梁时，列车运行安全性得到保障；在C62货物列车以60～80 km/h速度运行时，机车车辆竖向与横向运行平稳性均达到“良好”；速度达到90 km/h时，其横向运行平稳性为“合格”；在SS8牵引准高速列车以160～180 km/h速度运行时，车辆竖向与横向行车舒适度均能够达到“良好”；速度200 km/h运行时，车辆竖向舒适度能达到“良好”，横向舒适性为“良好”。

4 结语

前王家山2号大桥为太中银铁路重点控制工程之一，目前该桥已顺利建成通车，通过运营表明：全桥工作状态良好，满足运营要求。该桥是目前我国时速200 km及以上铁路最大跨度的T形刚构桥梁，该桥的建设对国内的铁路高墩大跨桥有重大意义，同时对提升修建山区铁路的综合技术水平起了一定的作用，也给山区铁路选线提供了较大的空间。

[1] 左家强.太中银铁路桥梁设计综述[J].铁道标准设计，2009(12)：33-41.

[2] 中华人民共和国铁道部.铁建设函[2003]205号 新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定[S].北京：北京：中国铁道出版社，2003.

[3] 饶少臣.大跨高墩T构铁路桥设计研究[J].铁道标准设计，2005(11)：52-56．

[4] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2005]285号 新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定[S].北京：中国铁道出版社，2005．

[5] 冯鹏程.连续刚构桥设计关键技术问题的探讨[J].桥梁建设，2009(6)：46-49．

[6] 刘凯.京津城际(80+128+80)m预应力连续梁设计[J].铁道标准设计，2007(2)：19-22．

[7] 中华人民共和国铁道部.TB10002.5—2005 铁路桥涵地基与基础设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005．

[8] GB50111—2006 铁路工程抗震设计规范[S].北京：中国计划出版社，2006．

[9] 中华人民共和国铁道部.建鉴[1992]93号 关于南昆铁路四座大桥横向刚度的补充技术要求[S].北京：中华人民共和国铁道部，1992．

[10] 中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005．