拉日铁路雅鲁藏布江3号特大桥设计分析

刘宗峰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 工程概况

拉萨至日喀则铁路雅鲁藏布江3号特大桥是为线路第三次跨越雅鲁藏布江大峡谷而设,是峡谷区规模最大桥梁。桥址位于峡谷开阔区,桥址处江面宽约280 m,海拔3 790 m,河道水流下切强烈。线路于IDK163+620～+794跨越雅鲁藏布江,于IDK164+195～+205处斜交54°上跨318国道,318国道来往车辆频繁。桥位附近风沙大,有滑坡、泥石流洪积扇堆积区、风积沙覆盖层等。地震基本烈度八度(峰值加速度值0.20g,反应谱特征周期0.45 s)。线路采用国铁Ⅰ级,列车速度160 km/h,单线桥,桥上最大纵坡10.0‰,全桥铺设无缝线路。

2 桥梁孔跨及主桥方案的确定

控制主跨的主要因素为雅江江面宽度,基于减少深水桥墩个数,以及高地震烈度区轨道温度对联长限制的综合考虑,桥梁主跨最终按(88+148+88) m考虑。结合地形及立交控制点等,桥梁孔跨布置采用16-32 m简支梁+(88+148+88) m梁+19-32 m简支梁,桥梁全长近1.5 km(图1)。桥址处属高烈度地震区,桥梁宜采用上部结构轻型化及抗震性能较好的结构。由于梁高不受控制,排除拱结构体系；本线存在钢梁加工运输困难的因素,排除钢梁结构;排除其他几种主要桥型后,主跨最终按部分斜拉桥和连续刚构桥考虑。

图1 雅鲁藏布江3号特大桥立面(单位：m)

2.1 (88+148+88) m部分斜拉桥方案

桥高约56 m,铁路桥对行车的舒适性和平顺性要求高,活载效应大,加之部分斜拉桥梁部质量大,因此采用塔墩梁全固结体系。主塔采用钢筋混凝土框架结构,桥塔塔柱为实心矩形截面,顺桥向长4.0 m,横桥向宽1.7 m。梁顶以上桥塔有效高度21 m,约为主跨的1/7.05。跨中无索区长度12 m。斜拉索为双索面,采用钢铰线索,塔上斜拉索索距1 m,梁上斜拉索索距5.5 m,如图2所示。

图2 (88+148+88) m部分斜拉桥方案(单位：m)

2.2 (88+148+88) m连续刚构桥方案

连续刚构桥型,主墩无需大吨位支座,因桥梁较高,顺桥向抗推刚度小,能有效地减小温度、收缩徐变和地震的影响。高墩、大跨度的结构刚度控制采用车桥耦合分析结果及自振周期双控制的原则。目前，我国采用横向自振周期不大于1.7 s的标准来控制[8]。经对连续刚构抗震分析计算,在适当加强下部结构的情况下,能够满足抗震要求。如图3所示。

图3 (88+148+88) m连续刚构桥方案(单位：m)

2.3 桥式方案的比选结论(表1)

表1 桥式方案比选

综合以上比较,连续刚构方案从施工方法,经济因素等多方面都优于斜拉桥方案,连续刚构桥刚度大、变形小、动力性能好,主梁变形挠曲线平缓,利于行车。雅鲁藏布江3号特大桥主桥最终按(88+148+88) m连续刚构桥设计。

3 主跨(88+148+88) m连续刚构桥设计

3.1 上部结构

主梁采用单箱单室变高度直腹板箱形截面,梁高5.8～11.0 m,梁底变化段曲线为2.0次抛物线。箱梁顶宽9.0 m,箱梁底宽7.4 m,单侧悬臂长0.8 m,顶板厚0.4～0.9 m,腹板厚0.5～1.0 m,底板厚0.45～0.95 m。梁体采用C55混凝土。箱梁在主墩及边墩墩顶设置横隔墙,采用悬挂吊篮法施工。箱梁断面如图4、图5所示。

图4 1/2支点和跨中构造断面(单位：cm)

预应力体系：箱梁采用全预应力理论设计。梁体采用纵、横、竖三向预应力体系。纵向按全预应力体系设计。纵、横向预应力采用钢绞线,竖向采用精轧螺纹钢筋。

3.2 下部结构

主墩采用圆端形空心桥墩,实体部分高约13 m,空心部分墩高约27 m,壁厚0.65～1.38 m；墩顶截面最小,为纵×横=6 m×7.4 m圆端形截面。主桥下部结构尺寸见表2。

表2 主桥下部结构尺寸

图5 1/2支点和跨中钢束布置(单位：cm)

3.3 结构计算3.3.1 计算参数及荷载

环境相对湿度70%；恒载包括结构及附属设备自重、预加力、基础变位影响力等；二期恒载采用78 kN/m；活载采用中-活载,设计活载动力系数1.0；温度力升温按20 ℃考虑,降温按25 ℃。桥面板升温5 ℃对结构的影响；基础不均匀沉降值取1 cm；施工挂篮按1 000 kN计算；地震基本烈度8度(地震动峰值加速度Ag=0.2g,T=0.45 s)。

荷载组合根据相关规范分别按主力组合和主力+附加力组合进行组合验算,并对特殊荷载按规范进行组合验算。

3.3.2 结构静力计算

(1)总体平面杆系模型：采用西南交大编制的《桥梁结构分析系统》(BSAS)程序对箱梁进行施工阶段和运营阶段的纵向平面静力分析计算。全桥共划分单元133个,节点136个。结合施工流程,共划分为69个施工阶段,第69阶段为使用阶段。结构模型图如图6所示

主要静力计算结果：运营阶段弯矩包络图如图7所示,运营阶段剪力包络图如图8所示。具体数据结果如表3所示,其各项指标均满足规范要求。

图6 刚构桥有限元计算简图

图7 运营阶段弯矩包络图(主+附)(单位：kN·m)

图8 运营阶段剪力包络图(主+附)(单位：kN)

运营阶段主力容许值主+附容许值项目计算值上缘最大应力/MPa117918513682035运营荷载作用下预应力钢束最大应力比06上缘最小应力/MPa11901060静活载中跨竖向最大挠度/cm14下缘最大应力/MPa96918511042035静活载边跨竖向最大挠度/cm12下缘最小应力/MPa26600920施工阶段上缘最大应力/MPa1213最大主应力/MPa1242221432222施工阶段下缘最大应力/MPa1142最小主应力/MPa1153312833施工阶段上缘最小应力/MPa123强度安全系数231222182施工阶段下缘最小应力/MPa059容许值≤06≤211≤11≤222≤-18(拉)

(2)横向计算

主要用于箱梁横向环框静力计算。顺桥向截取1.0 m长度,分箱梁施工、横向预应力束张拉、二期恒载施工及运营4个阶段计算。计算按箱梁自重、桥面二期恒载、混凝土收缩徐变、预应力效应、活载、箱梁内外温差等荷载进行荷载组合验算。根据结果,竖向设φ32 mm PSB830螺纹粗钢筋,横向设4φ15.2 mm钢绞线,间距均为50 cm。

3.3.3 结构动力计算

以MIDAS( Civil)程序建立空间杆系模型进行全桥动力分析计算,全桥共划分单元152个,节点157个；定义3种PC材料类型；截面共56个,变截面8组。静力荷载工况3组,反应谱荷载工况2组。组合各种不同类型荷载及工况进行计算。

采用有限元数值方法对大桥进行自振特性(频率、振型、阻尼)分析,前10阶振型见表4。

表4 雅鲁藏布江3号特大桥(88+148+88) m主桥振型特征

按照《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)规定,本桥属于B类桥梁。按B类桥梁计算要求,通过有限元模型进行计算,得出有车、无车等各种工况下的地震力,代入桥墩进行验算,全桥以刚构桥进行计算,计入桥墩基础刚度。桥墩的主要计算结果如表5所示。

表5 桥墩主要计算结果

3.3.4 结构抗震设计

主墩与梁固结，边墩支座通过计算结果采用TQGZ-7000系列球形钢支座，每个支点设2个支座，边跨支座中心线距离梁端0.75 m，距离桥梁中心线2.75 m。为减小地震对桥梁的破坏影响，在两个边墩支座处设防震钢料，在钢料和支撑垫石间填塞缓冲橡胶垫块。当地震发生时，防震钢料限制了箱梁边跨梁端的位移，使箱梁产生的惯性力由主墩承担改为由主墩与边墩共同承担，并且钢料能产生塑性变形，耗散输入桥梁中的能量。这就有效的降低了地震对主墩的作用力。缓冲橡胶垫块的设置能延长作用时间，减小了作用力，对桥梁抗震起到很好的作用。防震钢料及缓冲橡胶垫块具体如图9所示。

图9 边墩预埋抗震钢料

在桥墩抗震中,利用结构和构件的弹塑性变形循环耗散掉大量的地震输入能量,即利用塑性铰减小地震力,同时延长结构自振周期,从而减小地震反应。采用延性抗震的设计理念在桥梁抗震设计中是非常科学的。

根据《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)2009年版附录F提供的桥墩延性设计简化计算方法。由MIDAS(Civil)模型,代入反应谱计算得到的罕遇地震下墩身截面最大弯矩Mmax,由桥墩加强后的配筋率反算出钢筋屈服时候的桥墩屈服弯矩My。代入桥墩的非线性位移延性比与线性弯矩比的公式,得出非线性位移延性比μm,详细计算数据如表6所示。

表6 非线性位移延性比μm计算数据

非线性位移延性比μu<4.8,满足规范延性验算的要求。在桥墩根部塑性铰区域加强箍筋及拉筋的设置,使桥墩根部很好起到铰的作用(图10)。

图10 建设中的雅鲁藏布江3号特大桥

4 结语

本桥桥址工程地质条件差，桥跨周围受控因素较多。通过详细的勘察及设计，选出了较为合理的桥型及构造。目前，主桥下部施工已经完成，大桥主梁已于2013年6月23日合龙。本桥在结构选型及连续刚构的设计计算分析中，利用Bsas及midas等软件建立模型，实现了设计计算的精确化模拟，将“减隔震设计”思想很好地运用到了设计中，为同类型桥梁设计积累了经验，为以后同类型桥梁方案比较及设计提供参考。

[1] 拉萨至日喀则铁路雅鲁藏布江3号特大桥施工图文件[Z].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司,2010.

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