巴伦台至伊尔根地方铁路保然特大桥主桥设计

余艳霞

(中铁第四勘察设计院集团有限公司　武汉　430063)

巴伦台至伊尔根地方铁路保然特大桥主桥设计

余艳霞

(中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063)

摘要以实际工程为背景，介绍了集高墩、大跨、小曲线半径、严寒、高烈度地震及高风压于一体的铁路连续刚构桥梁受力特点。对其上、下部结构尺寸的拟定及设计进行了研究，介绍了桥梁结构尺寸与技术关键点，使用MIDAS/Civil分析软件对其支反力、刚度、自振频率与抗震进行了分析，并对关键的施工措施进行了简单的阐述。

关键词高墩大跨连续刚构桥梁设计

保然特大桥位于和静县巴仑台镇哈布其汗萨拉沟内，位于巴伦台天山区和巴音布鲁克岭部丘陵区中间地带，年平均气温-4.5 ℃；年降雨量216.4～268.8mm；年蒸发量 1 808.3～1 110.4mm；最大积雪深度45cm。场地存在季节性冻土，其标准冻深1.6m。地基土冻胀等级为Ⅰ级。桥址处基本风压pw=900 Pa，地震动峰值加速度0.15g，抗震设防烈度为7度。

本桥以50～60m高度跨越深沟，考虑到高风压和高烈度地震，拟采用高墩大跨连续刚构跨越深沟。因为对于高墩大跨桥，连续刚构桥具有结构整体性好，抗震性能优，结构受力合理，桥型简洁明快等优点[1]。连续刚构的横向抗推刚度和抗扭刚度大，有利于悬臂施工的横向抗风要求，且避免了连续梁仅一个制动墩承受横向水平力和地震力的不利情况，同时节省了大吨位抗震型支座以及后期维修养护费用。

本桥孔跨布置为：24m简支梁+14×32m简支梁+140m+72m+40m连续刚构+132m简支梁+3×24m简支梁，桥梁全长757.285m，桥梁主跨采用40m+72m+40m高墩大跨连续刚构，16号主墩50.8m，17号主墩59.8m，全桥布置见图1。

图1　保然特大桥全桥布置图(单位：cm)

1主桥主要设计参数

本桥列车最高运行速度80km/h，中-活载，曲线单线桥，曲线半径500m，桥面宽7.2m，桥面布置见图2。地震动峰值加速度0.15g，地震动反应谱特征周期为0.45s，抗震设防烈度为7度，场地类别属II类，所属设计地震分组为第二组。

图2　桥面布置图(单位：cm)

本桥处于高风压、严寒地区，主梁及桥墩的温度变化影响力对桥梁结构极为关键，本桥纵向温度荷载考虑整体升降温±25 ℃，顶板不均匀升温5 ℃，桥墩墩身日照时按一侧升温10 ℃，另一侧升温25 ℃考虑，寒潮时按桥墩内外温差-15 ℃考虑，温度沿壁厚按指数规律变化。

2结构尺寸

2.1上部结构

梁体为单箱单室、变高度、变截面结构。梁高在中支点处5.20m，边支点和跨中处3.2m，梁底按圆曲线变化，半径R=242.636m。箱梁顶宽7.2m，底宽4.6m，顶板厚度36cm，腹板厚度45～65cm，支点位置局部加厚，底板厚度36～80cm支点位置局部加厚。在端支点、中支点、跨中共设7个横隔板，隔板设有进人孔，供检查人员通过。

箱梁采用C50高性能混凝土，预应力混凝土结构，为提高梁体抗剪能力，在支点及左右几个梁段范围布置竖向预应力，并在支点范围设置横向预应力。主梁典型截面布置见图3。

图3主梁典型截面布置图(单位：cm)

2.2下部结构

主墩采用钢筋混凝土矩形空心墩，16号桥墩墩高50.8m，墩身纵向长6m，壁厚0.9m，纵向内外坡均为直坡，墩顶横向宽5.7m，墩底横向宽10.78m；17号桥墩墩高59.8m，墩身纵向长6m，壁厚0.9m，纵向内外坡均为直坡，墩顶横向宽5.7m，墩底横向宽11.68m。桥墩横向外坡坡率20∶1，横向内坡坡率50∶1。墩顶设梗肋过渡。桥墩四角采用R=10cm的圆角。

桥墩与梁部相接5m范围内采用C50高性能混凝土，下部采用C40混凝土。主墩顶横截面见图4。

图4主墩顶横截面图(单位：cm)

3技术关键点

3.1小曲线半径

本桥位于小曲线半径上，恒载、不均匀沉降、列车荷载、离心力、制动力、风力、整体升降温、主梁线性温度、桥墩线性温度均可能产生边支点的竖向上拔力、横向弯矩，从而导致一侧支座消压。

采用maidas进行结构计算，从实际计算结果来看，恒载、风力(主梁及列车)、离心力、桥墩横向日照产生的边墩墩顶横向弯矩较大，出现负反力。采取以下2种措施解决。

(1) 采用加宽梁端横梁宽度以加大支座横向间距的措施。

(2) 在梁端边直段范围采用铁砂混凝土压重的措施。

通过以上2种方式共同作用，解决负反力问题，采用措施后，梁端支座反力见表1。

表1　支反力　kN

3.2主桥动力特性与纵、横向刚度

连续刚构桥的桥墩与连续梁共同承受内力，且结构内力是按桥墩与连续梁的刚度比来分配的。桥墩的刚度大则其承担的内力大，不能有效地发挥梁的抗弯能力，而连续梁在墩顶处受力很大，也达不到降低墩顶负弯矩的目的。总之，桥墩纵向刚度应在满足桥梁施工、运行稳定的前提下尽量小，而横向桥梁在横向不平衡荷载或风载的作用下，易产生扭曲、变位，为了增大横向稳定性，桥墩在横向的刚度应大一些。

主桥的自振频率、桥墩墩顶纵横向位移能准确反应主桥刚度的大小，也就反应了主桥的动力特性，因此准确掌握主桥的自振频率和各阶频率对应的振型特点及桥墩墩顶纵横向位移相当重要。采用maidas进行分析计算，表2为主桥前5阶自振频率的计算结果和相应振型特点，图5为主桥第1～3阶振型图。

表2　主桥前5阶周期、频率及振型描述

a)　第1阶振型图

b)　第2阶振型图

c)　第3阶振型图

3.3主桥的地震分析

如前所述主桥的纵、横向刚度已足够大，能保证列车的运行平稳、舒适。但是主桥的纵、横向刚度越大，则主墩的地震反应也越大。因此，地震作用也成为本桥设计的主要因素。

采用MIDAS/Civil软件利用多振型反应谱叠加的方法进行多遇地震作用下的结构响应分析，并检算各构件的强度，经检算满足规范的要求。考虑到墩柱的非线性特性及边墩支座的非线性特性进行设计地震及罕遇地震作用下的非线性时程分析，经检算主墩的位移延性系数满足规范的要求，有足够的延性能力。

在支座选型上，根据抗震计算，需要在满足支座竖向承载力的情况下，加大支座型号，以满足横桥向水平力剪力。

3.4关键的施工措施

连续刚构主墩，由于与梁体固结，桥墩刚度越小则桥墩承担的弯矩越小，反之越大；而为了满足列车运行安全、平稳、舒适要求，又需要控制桥墩具有相应的刚度。为了尽量减小桥墩墩顶、墩底弯矩，采用在中跨合龙前在两侧梁体上施加相应的对顶力抵消部分弯矩和位移，从而优化桥墩设计。经计算，本梁设置了1 000kN的对顶力，对桥墩墩顶弯矩和位移有一定的改善作用。

4结语

从以上分析可知，高墩、大跨、小曲线半径、严寒、高烈度地震地区的铁路桥梁其边支点支座脱空、桥墩纵横向刚度控制、相应的地震反应分析是设计的重要技术关键点，应引起足够的重视。保然特大桥则是集高墩、大跨、小曲线半径、严寒地区、高烈度地震区及高风压区于一体的典型铁路桥梁工程，可供类似的工程设计参考。

参考文献

[1]马保林,李子青.高墩大跨连续刚构桥[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]中铁第四勘察设计院集团有限公司.铁路工程设计技术手册 ：桥梁墩台[M].北京:中国铁道出版社,1997.

收稿日期：2014-10-17

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.013