纵目沟特大桥新型柱板式空心高墩设计

李宗建

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

纵目沟特大桥新型柱板式空心高墩设计

李宗建

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

以黄陵—韩城—侯马铁路纵目沟特大桥主桥为背景,介绍一种105m墩高的新型柱板式空心墩。从主梁设计、桥墩设计构思、受力分析、试验研究方面进行研究。计算结果表明,柱板式空心墩各项指标均满足相关规范要求,克服了高烈度地震下黄土沟壑区桥梁设计的困难。

铁路桥梁;柱板式空心墩;设计

1 工程背景

黄陵—韩城—侯马铁路纵目沟特大桥位于北塬至芝阳新建双线段落内。桥址区属黄土沟壑区,纵目沟沟谷深切,岸壁陡峻,呈“V”字形。主沟冲沟发育,植被茂密,沟心略为平缓,常年流水,水量不大,百年流量为Q100=216 m3/s。桥址区地层岩性较简单,桥址区地震动峰值加速度为0.109g,相当于地震基本烈度7度,反应谱特征周期为0.51 s。

大桥跨越纵目沟主沟,主桥桥型方案的选择及孔跨布置受线路条件及主沟地形、地质条件控制,经过经济技术详细分析,主桥采用(79+2×136+79)m连续刚构方案,由于本桥主墩墩高逾百米,墩身圬工量大,占主桥的投资比例较高。因此,有必要对主墩结构形式进行专题研究,优化墩身构造,提高结构的抗震性能,确保主桥结构安全、经济、美观。全桥主桥立面如图1所示。

图1 纵目沟特大桥主桥立面(单位:cm)

2 主要技术标准

(1)铁路等级:国铁Ⅰ级;行车速度80 km/h;

(2)正线数目:双线,线间距4.0 m;

(3)线路纵坡:主桥位于6‰纵坡上;

(4)线路平曲线:主桥位于直线上;

(5)设计荷载:中-活载;

(6)洪水频率:1/100设计,1/300检算[1];

(7)地震烈度:地震基本烈度为7度。

3 主梁构造

主梁采用单箱单室直腹板箱形截面,主墩及次主墩处梁高10 m、梁端及跨中梁高5 m,梁体下缘按1.8次抛物线变化,箱梁顶宽11.5 m,箱底宽7.2 m。箱梁顶板厚45 cm,底板厚50～110 cm,腹板厚50～90 cm。全联在主墩墩顶、次主墩墩顶和边支点处共设置8道横隔墙,梁端设1处横隔墙,厚1.9 m,设宽1.5 m、高1.8 m的过人洞。两个次主墩处各设2道横隔墙,厚2.2 m,主墩墩顶处设2道横隔墙,厚3 m,横隔板中设宽1.5 m、高2.0 m的过人洞。主桥梁部横截面如图2所示。

施工方法:0号梁段采用墩顶支架立模现浇施工,边跨9.9 m长直线段在支架上现浇施工。合龙段采用在合龙吊架上浇筑。其他梁段采用挂篮悬臂浇筑施工。支架施工需对支架进行预压重处理,以消除其非弹性变形。

图2 主桥梁部横截面(单位:cm)

图3 柱板式空心墩典型横截面

图4 柱板式空心墩结构构造

4 新型柱板式空心高墩的设计构思

综合国内外高墩应用及研究现状,国内铁路高墩设计多采用结构整体性好、经济性能优越的传统圆端形或矩形空心墩[2],由于受刚度条件控制,桥墩截面尺寸与圬工量很大,占工程总投资的比例较高[3]。在罕遇地震作用下墩身结构处于弹性工作状态时,基础往往由于受力过大,设计困难,这是传统空心高墩的致命弱点。目前在国外多柱格构式桥墩已成为高墩抗震研究发展方向之一[4],各墩柱间依靠横梁联系,由于横梁的刚度相对较弱,轴力较小,且横梁梁端弯矩明显大于柱端弯矩,在罕遇地震作用下塑性铰容易形成且发生在较为理想的部位,通过横撑的变形消耗地震能量,从而保护主体墩柱及基础的安全,这样就提高了结构的整体抗震性能,从而大幅降低工程造价。

借鉴国内外高墩的研究成果及成功的应用经验[4],本桥提出了新型柱板式空心高墩的构造形式,墩柱间设置薄壁板及少量横梁联系,典型结构构造如图3所示。

新型柱板式空心高墩的力学性能介于传统空心高墩与多柱格构式桥墩之间,它既继承了传统空心高墩结构整体性好的优点,又兼有多柱格构式桥墩抗震性能优越的特性。由于有横梁和薄壁板的联系作用,在正常使用阶段和多遇地震时,桥墩可提供较大的刚度,保证桥梁结构安全运营;一旦遭遇强烈地震,薄壁板开裂后,结构刚度迅速下降,周期延长,地震作用得到大幅度消减,从而保护主体结构免受损伤。另外,如果地震力过大,柱底区域也可形成塑性铰,从而确保基础安全,避免桥梁结构整体垮塌。柱板式空心墩结构构造如图4所示。

从经济方面考虑,与传统空心高墩一样,新型柱板式空心高墩由于墩柱截面及其联系薄壁板均集中于有利于发挥桥墩刚度的部位,结构经济性能优越。在获得相同刚度的前提下,桥墩圬工量与传统空心高墩相比,也占有较大优势,如表1所示。

表1 新型柱板式空心高墩与传统空心高墩圬工量比较

5 新型柱板式空心墩结构受力分析

5.1 结构计算荷载

以纵目沟特大桥主桥1联(79+2×136+79)m连续刚构为工程背景,对新型柱板式空心高墩及其基础进行了较为全面的结构分析,主要内容包括静力分析[8]和抗震性能分析[9]。

5.1.1 恒载

(1)结构自重按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)采用。混凝土容重按26.5 kN/m3计。

(2)二期恒载

二期恒载重力包括线路设备、道砟、人行道栏杆、挡砟墙、防水层、电缆槽,设计按147.54 kN/m计。

(3)混凝土收缩徐变的影响:按规范计算。

结构自重、二期恒载(147.5 kN/m)、预应力及其次内力、混凝土收缩徐变。

(4)基础不均匀沉降:相邻两支点按2 cm不均匀沉降计算基础变位引起的结构内力。

5.1.2 活载

(1)静活载:双线中-活载

(2)列车竖向动力冲击系数:计算跨度按79 m计,1+μ=1.09。

(3)横向摇摆力取100 kN,作为一个集中活载作用于桥梁结构最不利位置,其作用点在垂直线路中心线的钢轨顶面,双线桥只计算任一线上的横向摇摆力。

(4)人行道人行荷载:按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)4.5.1条办理,并应考虑人行道检查车荷载的作用。

(5)伸缩力和挠曲力:按《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》有关内容办理。

5.1.3 附加力及特殊荷载

(1)风力:按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)计算,基本风压值W0=500 Pa。

(2)温度力:考虑日照温差荷载及降温温差荷载。按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)计算,本次设计合龙温度按10～15℃考虑,顶板非均匀升温5℃,均匀升降温20℃考虑。

(3)制动力:按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)计算。

(4)列车脱轨荷载:按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)办理。

(5)地震荷载:工点处地震动峰值加速度为0.109g,动反应谱特征周期为0.51 s。

(6)施工荷载:施工挂篮、机具、人群等按1 400 kN计。

(7)断轨力:按《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》有关内容办理。

5.2 荷载组合

主要控制荷载组合如下。

荷载组合1:恒载+ZK活载最不利加载+横向摇摆力;

荷载组合2:荷载组合1+制动力+纵向风荷载+温度荷载;

荷载组合3:荷载组合1+多遇地震(纵向及横向分别组合);

荷载组合4:恒载+罕遇地震(纵向及横向分别组合)。

5.3 全桥计算模型概述

5.3.1 全桥静力计算模型

全桥静力计算模型采用BSAS桥梁结构分析程序计算,按主力和主+附两种工况对主墩进行计算,附加力主要考虑制动力、风力对桥墩结构受力的影响。计算中考虑了桩与地基土的组合效应。

5.3.2 全桥动力计算模型

白洋河：又名清溪河，干流长63 km，河道宽50～70 m，估算20年一遇最大洪水流量1 200 m3/s，现有河道泄洪能力为400 m3/s，局部断流，正常蓄水位9.5 m。河水从城西穿杏村经西门后与秋浦河汇合，到池口入江。

全桥动力分析程序采用Midas/Civil软件,主墩空间计算模型1如图5所示,本模型按照实际结构构造进行划分,结构全部采用梁单元模拟,共划分390个节点,382个单元。承台施加3个水平弹簧、3个转动弹簧来模拟桩-土效应。主墩截面为墩柱和连接板的组合截面,考虑墩柱、连接板、横撑整体受力。本模型主要分析结构正常使用阶段和多遇地震荷载作用下的应力、强度、变形,振型模态分析。

图5 正常使用阶段及多遇地震下结构计算模型

连接板参与结构计算情况下全桥动力特性计算结果如表2所示。

表2 模型1全桥动力特性计算结果

主墩空间计算模型2如图6所示,本模型按照实际结构构造进行划分,结构除主墩连接板采用板单元模拟外,其余结构均采用梁单元模拟,共划分539个节点,662个单元。主墩的结构组合为4个墩柱(梁单元)、3处横撑(梁单元)、连接板(板单元)。本模型主要分析结构罕遇地震荷载作用下的应力、强度、变形(针对主体结构,比如中墩连接板开裂,墩柱、横撑仍处于弹性阶段受力),振型模态分析。

图6 罕遇地震工况下结构计算模型

连接板不参与结构计算工况下全桥动力特性计算结果如表3所示。

表3 模型2全桥动力特性计算结果

5.3.3 全桥计算结果分析

经过静力及动力计算分析,在施工、运营及多遇地震荷载工况下,桥墩最大混凝土压应力[11]5.64 MPa,钢筋最大拉应力[11]56 MPa;在罕遇地震力作用下,连接板开裂后,最大混凝土压应力18.13 MPa,钢筋最大拉应力171 MPa,桥墩受力满足规范要求(具体计算不在此赘述)。

6 新型柱板式空心高墩试验研究

柱板式空心墩在国内首次采用,其抗风、抗震性能、温度分布模式均无现成数据可利用,必须有针对性地开展试验研究,为该类桥墩的设计提供依据。目前,该桥墩中铁建总科研项目《新型柱板式空心高墩关键技术研究》《11-55C》正在实施中。

6.1 柱板式空心墩温度场测试方案

选取纵目沟特大桥5号桥墩作为温度场测试桥墩。整个桥墩共选取41个测试断面。考虑受日照程度的不同,每个断面均布设4条测线。每条测线分别布设7～8个温度测点。

6.2 柱板式空心墩抗风性能风洞模型试验及分析研究

纵目沟铁路特大桥位于峡谷之间,跨度大、桥墩高(105 m),深峡谷地区的风场特性较为复杂,其对大跨、高墩桥梁的影响无现成的资料可查或借鉴,同时,高墩大跨桥梁的各典型状态的自振频率往往较低,在自然风作用下的风致响应问题较为突出,可能会控制设计,因而对其进行专门的抗风性能研究十分必要。

通过对5号桥墩结构动力特性计算、桥址处风场的特性分析、桥墩墩体风载系数的测量风洞模型试验、桥墩墩体及主梁风载参数的CFD计算分析、结构风致响应计算分析等,采用风洞模型试验及数值计算相结合的方法进行研究,为纵目沟特大桥设计提供风载参数,为以后同类桥梁设计提供参考。

6.3 柱板式空心墩抗震性能试验方案

目前国内还没有针对柱板式空心高墩的理论及试验研究。为系统地了解该类桥墩的破坏模式以及滞回特性,本试验采用柱板式桥墩局部模型的拟静力试验对该类桥墩的破坏模式和滞回特性进行研究,为该类桥墩的抗震设计提供参考依据。

以黄韩侯铁路纵目沟特大桥5号柱板式桥墩为原型,截取柱板式空心墩中第二和第三横梁中间节段进行模型设计,设计比例尺为1∶10的试验模型,同时考虑纵筋配筋率和箍筋的影响。柱板组合结构在地震荷载作用下板的耗能过程先是柱间横梁弯曲破坏,在横梁破坏后,由于柱间的挤压变形使柱间板破坏耗能。为考察柱、板、横梁结构在地震荷载作用下的破坏模式,制作如下试验模型。

(1)柱板、横梁结构制作3个试验模型;墩柱采用30 cm×30 cm的正方形,连接板宽度50 cm;

(2)柱板、横梁结构制作3个试验模型;墩柱采用30 cm×30 cm的正方形,连接板宽度80 cm。如图7所示。

图7 缩尺试验计算模型(单位:cm)

主要采集的数据包括:墩顶竖向荷载、墩顶水平力-水平位移滞回曲线、钢筋及混凝土应变、裂缝位置及宽度等。

7 结语

本桥提出单墩多柱的桥墩设计理念,并进行了大量计算分析。研究结果表明:该设计使得刚度[12]向有利于发挥的部位集中,同时依靠梁体的约束进一步提高结构刚度,这就使得全桥在获得相同刚度的前提下,桥墩圬工量大为减少,根据铁一院的研究,可较传统空心墩节约圬工20%以上,从而大幅度降低工程造价;再者由于横撑的刚度相对较弱,且承受的轴力较小,同时梁端弯矩明显大于柱端弯矩,这就使得地震作用下塑性铰容易形成且发生在设计较为理想的部位,这样就可以通过横撑的变形耗散地震能量,而保证主体墩柱及基础的安全,从而系统提高了结构的抗震性能。

本设计通过巧妙构思及系统计算,并辅以试验研究,掌握了柱板式空心墩的受力特点,成功地解决了高烈度地震区、黄土沟壑区的高墩大跨桥梁设计的难题。

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The Design of New-type Column Plate Hollow Pier of Zongmugou Extra-long Bridge

LI Zong-jian
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

Railway bridge;Column plate hollow pier;Design

U443.22

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.021

1004-2954(2014)12-0084-05

2014-03-07;

2014-03-21

中国铁道建筑总公司科技研究开发计划课题(2011-55C)

李宗建(1980-),男,工程师,2005年毕业于西南交通大学土木工程专业,工学学士,E-mail:23117832@qq.com。

Abstract:Based on Zongmugou extra-long bridge on Huangling-Hancheng-Houma railway,this paper introduces a new-type column plate hollow pier of 105m high,and studies the design of main girder,the concept of pier design and the test.The calculation results show that all indexes of the column plate hollow pier meet the relevant standards and the difficulties in the design of bridges in highly seismic region and gully region of loess are solved.