兰合铁路刘家峡黄河特大桥主桥设计分析

王克辉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

兰合铁路刘家峡黄河特大桥主桥设计分析

王克辉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

刘家峡黄河特大桥是新建铁路兰州至合作线重点工程之一,该桥位于高烈度地震区,主桥采用(100+180+100)m连续刚构,有效解决了跨越黄河和公路立交问题,另外该桥桥高105m,是一典型的高墩大跨结构,增加了桥梁设计和施工控制的难度。概要介绍主桥梁部及主墩构造尺寸,依照划分的施工阶段进行静力计算,动力计算包括抗震设防水准及地震输入的确定、动力计算模型确定与结构动力特性分析,确定抗震性能目标与验算原则,对关键截面进行了纤维单元划分并进行地震响应及反应谱分析。计算结果显示该桥均能符合规范相关要求。

铁路桥梁；高墩大跨；连续刚构；设计

1 工程概况

刘家峡黄河特大桥位于黄河峡谷区段。桥址处地形狭窄，黄河沟谷呈典型的“V”字形沟谷。拟建桥位区域河流两岸的陡立坡面基岩裸露，在黄河右岸峡谷区段陡坡顶部地形相对平缓，局部发育有深切的沟谷，在黄河的左岸地形起伏较大，坡顶为黄土丘陵，坡面浑圆。拟建桥位位于兰州市永靖县城边缘，为跨越刘家峡水库下游黄河而设，交通较便利。地震基本烈度八度(峰值加速度值0.2g，反应谱特征周期0.45 s)。线路采用国铁Ⅰ级，单线桥梁，全桥铺设无缝线路[1]。

2 桥梁孔跨及主跨方案的确定

控制主跨的主要因素为跨越刘家峡水库下游黄河，水库下游水流流速非常大，且黄河两岸均有道路，为了一跨跨越黄河及两岸道路，主跨跨度最终确定为(100+180+100) m。全桥受地形及立交控制，桥梁孔跨布置采用3-24 m+8-32 m+(100+180+100)连续刚构+13-32 m+1-24 m简支T梁，桥梁全长1 179.93 m[2]。主跨立面见图1。

图1 主跨立面(单位：cm)

3 主跨(100+180+100) m连续刚构桥设计

3.1 梁部轮廓及构造(图2)

主梁采用连续刚构，计算跨度为(100+180+100) m，采用单箱单室，变高度变截面预应力混凝土箱梁，中支点处梁高13.0 m，高跨比为1∶13.8，跨中及边跨梁端处梁高6.8 m，高跨比为1∶26.5，梁体下缘除中跨合龙段2 m长及边跨端部12.2 m梁段为等高直线段外，其余按二次抛物线变化，二次抛物线方程为y=6.2x2/842+6.8(x=0～84 m)。梁顶道砟槽宽4.9 m，人行道宽每侧2.05 m，箱梁顶宽9.0 m；箱宽8.0 m，宽跨比为1∶22.5，支座处截面加宽至9.0 m。箱梁中心位置顶板厚45～70 cm，中支点顶板加厚至100 cm，跨中底板厚60 cm，支点处150 cm，跨中腹板厚65 cm，支点处120 cm。箱内顶板处设120 cm×40 cm梗胁，底板处设40 cm×40 cm梗胁。全梁在中支点处设置厚180 cm横隔墙，边支座处设200 cm厚横隔墙，共4道横隔板，横隔板开孔洞供人行通过。腹板设φ10 cm通风孔[3]。

图2 1/2支点和跨中构造断面(单位：cm)

3.2 主桥桥墩拟定

该桥虽位于峡谷风口区，但总体区域风压并不大，基本风压W0=500 Pa，厚壁空心墩能以较少的材料获得较大的截面惯性矩，充分发挥材料性能，且为方便施工，主桥12、13号墩墩身采用钢筋混凝土矩形厚壁空心墩。12、13号主墩墩顶纵横向尺寸为10 m×9 m，墩身纵向直坡，横向放坡。墩壁纵向等厚为1.2 m，横向外坡坡度为20∶1，内坡坡度为30∶1，墩壁横向变厚度，墩径最薄处为1.2 m，上、下段实体段高度分别为3.0 m和5.0 m，最高墩高92 m。11号边墩采用钢筋混凝土矩形实体墩，14号边墩采用钢筋混凝土矩形空心墩，桥墩具体尺寸根据计算的预偏心结合支座进行拟定。

3.3 梁底曲线对比

梁底采用二次抛物线和1.8次抛物线进行了各截面处梁高的对比，发现在跨中的1/4～1/5的截面处，2次抛物线和1.8次抛物线截面高相差最大，梁高相差最大24 cm，考虑到总的梁体截面均较高，最低梁高已达680 cm，24 cm的差别与梁高差别加大，影响不明显，同时从节约混凝土等方面综合考虑决定本次设计采用二次抛物线。

3.4 材料选择

箱梁梁体采用C55混凝土，混凝土弹性模量3.60×104MPa，极限抗压强度37.0 MPa，极限抗拉强度3.30 MPa，容重26.5 kN/m3。桥墩采用C40混凝土，混凝土弹性模量3.40×104MPa，极限抗压强度27.0 MPa，极限抗拉强度2.70 MPa[4]。

3.5 结构计算3.5.1 计算参数及荷载

环境相对湿度70%；恒载包括结构自重、预加应力、混凝土收缩徐变、基础变位影响力等；二期恒载根据计算采用97 kN/m；活载采用中-活载，单线加载，设计活载动力系数1.074；温度力升温按25 ℃计算，降温按25 ℃(不含混凝土收缩徐变影响)计算。桥面板升温根据铁路规范取5 ℃。主墩左右日照温差采用±5 ℃。混凝土线膨胀系数为1.0×10-5；桥墩台基础不均匀沉降值取2 cm；施工挂篮重力按1 600 kN计算，合龙吊架重550 kN；地震基本烈度8度[5]。

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。

3.5.2 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)程序对结构进行施工阶段和运营阶段的纵向平面静力分析计算。全桥共分为127个梁单元，其中桥梁梁体108个单元，桥墩19个单元，主墩基础采用固结，主墩与梁体采用主从约束。结合施工流程，共划分为79个施工阶段，第79阶段为运营阶段。结构模型如图3所示[6]。

主要静力计算结果：主梁采用C55混凝土，其中心受压混凝土容许应力为14.8 MPa，弯曲受压及偏心受压限值为18.5 MPa，主拉应力(有箍筋时)限值为2.97 MPa。计算中，压应力控制值为15 MPa，主拉应力尽量控制在2 MPa以内[7]。运营阶段弯矩包络图如图4所示，运营阶段剪力包络图如图5所示。具体数据结果如表1所示，其各项指标均满足规范要求。

图3 刚构桥有限元计算简图

图4 运营阶段弯矩包络图(主+附)(单位：kN·m)

运营阶段主力容许值主+附容许值施工阶段计算值容许值上缘最大应力/MPa12.2118.514.2920.35运营荷载作用下预应力钢束最大应力比0.584≤0.6上缘最小应力/MPa1.1300.430静活载中跨竖向最大挠度/cm1.5≤21.1下缘最大应力/MPa12.8518.513.7120.35静活载边跨竖向最大挠度/cm1.3≤11下缘最小应力/MPa2.9902.010施工阶段上缘最大应力/MPa12.08≤22最大主应力/MPa14.9122.2215.8322.2施工阶段下缘最大应力/MPa12.77最小主应力/MPa-1.893.3-2.563.3施工阶段上缘最小应力/MPa1.26≤-1.8强度安全系数2.322.22.222施工阶段下缘最小应力/MPa-0.54

图5 运营阶段剪力包络图(主+附)(单位：kN)

(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。[8]计算分别按照箱梁自重、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。根据计算结果，顶板底配筋10-φ25 mm，其余配筋均按10-φ20 mm，满足规范要求，不需要配顶板预应力束[9]。

3.5.3 结构动力计算

该桥进行线性动力反应分析的有限元模型如图6所示。抗震分析采用有限单元方法，在SAP2000V14分析程序中建立空间动力分析模型。有限元计算模型均以顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴。各单元局部坐标系以单元轴向为1轴(从I节点指向J节点)，3轴保持水平且垂直于1轴，2轴按右手螺旋准则确定。全桥模型采用了134个单元，145个节点[10]。

图6 (100+180+100) m SAP2000有限元模型

建模时，根据连续刚构桥的结构特点建立三维有限元动力分析模型，桥墩、主梁均采用空间的梁单元，其中主梁采用单主梁式模型，二期恒载采用梁单元分布荷载模拟，在动力分析中，利用SAP2000的定义质量源的方法将二期恒载的分布荷载转化为节点质量，承台模拟为质点；主梁和主墩采用主从约束进行模拟，墩底采用固结进行模拟[11]。

表2给出了前10阶自由振动的周期、频率及振型特征。

表2 动力特性描述

3.5.4 结构抗震性能分析

(1)抗震性能目标及检算准则

该桥各部分具体的性能目标及检算准则见表3。

表3 抗震性能目标及检算准则

注：1.表中M按恒载和地震作用最不利组合计算；2.Meq—截面相应于最不利轴力时等效抗弯强度。

(2)多遇及罕遇地震作用下的验算

经过计算在多遇地震下顺桥向及横桥向主墩及边墩均未达到屈服状态；在罕遇地震顺桥向12号主墩进入屈服，进行合理配置塑性区域的钢筋以保证桥墩的转动能力；其他桥墩在顺桥向及横桥向均未达到屈服。

4 结语

连续刚构桥外形轻巧，桥下净空大，视野开阔，顺桥向和横桥向抗推刚度大，能有效地减小温度、混凝土收缩、徐变的影响，且抗震性能好，施工方便，在铁路桥梁中被广泛应用。刘家峡黄河特大桥充分利用这些优点，结合现场地形、地质、施工等条件，对主桥进行了精细化设计，经过上述分析可知主桥各项指标均能满足规范要求，保证了桥梁在施工过程和以后运营的安全。

[1]中铁第一勘察设计院集团有限公司.兰州至合作铁路刘家峡黄河特大桥施工文件[Z].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2014.

[2]中铁第一勘察设计院集团有限公司.兰州至合作铁路初步设计文件[Z].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2014.

[3]中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[4]中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[5]中华人民共和国铁道部.GB 50111.1—2006铁路工程抗震设计规范(2009版)[S].北京：中国计划出版社，2009.

[6]强士中.桥梁工程[M].2版.北京：高等教育出版社，2011.

[7]赵建昌.混凝土结构设计原理[M].北京：中国铁道出版社，2004.

[8]赵会东.铁路高墩大跨刚构-连续组合梁桥设计[J].铁道标准设计，2007(2):35-38.

[9]刘宗峰.拉日铁路雅鲁藏布江3号特大桥设计分析[J].铁道标准设计，2013(10):41-44.

[10]杨建良.山西中南部铁路(70+3×120+70) m刚构连续梁设计[J].铁道标准设计，2014(8):42-45.

[11]张扬.高墩大跨刚构-连续组合梁桥的设计[J].铁道标准设计，2012(4):45-47.

[12]左家强.2-100 m铁路双线预应力混凝土T形刚构设计[J].铁道标准设计，2013(11):43-45.

Design Analysis of Liujiaxia Yellow River Main Bridge on Lanzhou-Hezuo Railway

WANG Ke-hui

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

The Liujiaxia Yellow River Bridge is one of the key projects of newly built railway from Lanzhou to Hezuo. It is located in high seismic intensity region. The main bridge is (100+180+100)m of continuous rigid frame to cross the Yellow River and highway interchange. The height of the pier is 105m, so the bridge has the typical characteristics of high pier and long-span, which add more difficulties in bridge design and construction control. This paper introduces the girder of main bridge and main pier size and conducts static calculation according to the construction phase. The Dynamic calculation includes the determination of earthquake fortification standard and earthquake input, determination of dynamic calculation model and the analysis of dynamic behavior of structure, the determination of anti-seismic performance target and verification principle. Fibrous unit division is made and seismic response and response spectrum analysis is carried out. The results show that the bridge meets relevant requirements of the code.

Railway bridge; High pier and long span; Continuous rigid frame; Design

2014-12-27；

2015-02-02

王克辉(1970—)，男，高级工程师，1996年毕业于兰州铁道学院系桥梁工程专业，工程学士，E-mail：TYYQSWKHBGJ@163.com。

1004-2954(2015)08-0088-04

U442.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.019