圣泉1号双线特大桥刚构-连续组合梁设计

王 聪 鄢 勇

(中铁二院工程集团有限责任公司, 成都 610031)

圣泉1号双线特大桥刚构-连续组合梁设计

王 聪 鄢 勇

(中铁二院工程集团有限责任公司, 成都 610031)

小半径曲线梁由于弯扭耦合效应，结构受力比直梁更为复杂；贵广线圣泉1号双线特大桥主桥采用(40+6×80+40)m预应力混凝土刚构-连续组合梁，位于R=600 m的曲线和-24.0‰纵坡上，为目前国内曲线半径最小、联数最多、跨度最大的双线铁路桥，设计难度较大。为了准确模拟结构受力及变形状态，文章通过“Midas Civil 2011”建立空间有限元模型，对其进行详细计算分析，最终得到该桥的受力响应，从而验证了结构设计的正确性。文章从孔跨确定、构造尺寸、参数选用、计算结果等方面对该桥的设计进行介绍，以供类似结构参考。

刚构-连续组合梁； 小半径； 曲线梁

1 工程概况

贵广客运专线，线路自贵阳北站起，经黔南州、黔东南州、广西柳州(北部，非市区)、桂林、贺州、广东肇庆、佛山终至广州南站。是西南地区最便捷的铁路出海大通道，是连接“一带一路”，实现长江经济带、珠江经济带、西江经济带、中孟缅印经济走廊“互联互通”的高速通道，大大缩短了西南与珠三角地区间的时空距离。

圣泉1号特大桥位于贵阳市西北的黔灵公园附近，受地形、车站站位及桥下公路隧道、高压电塔等构建物控制，线路以R=600 m的曲线、-24.0‰纵坡通过。该桥孔跨布置为：(24+6×32)m+(40+6×80+40)m预应力混凝土刚构-连续组合梁，大桥全长798.845 m，其中主桥全长561.5 m，全桥布置如图1所示。经方案比选，最终采用主桥中部10～12号墩墩梁固结，其余4个主墩墩顶设纵向活动支座的设计方案。主桥范围7～14号墩墩高分别为65 m、73 m、89 m、68 m，66 m、70 m、54 m、11 m。

图1 圣泉一号双线特大桥桥型布置示意图(cm)

本桥设计条件为：ZK活载，设计速度100 km/h，有砟轨道，双线，线间距4.371～4.0 m。

桥址范围属贵阳地区，为亚热带湿润季风气候特征，冬季受北部寒潮影响较弱，夏季受东南海洋季风的影响显著，具有温和湿润的气候特征。年平均气温14.1℃，1月为4.9℃，7月为24℃。年平均风速为2.7 m/s，极端最大风速为23.5 m/s。

根据GB 18306-2001《中国地震动参数区划图》，测区地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期0.35 s。

2 结构设计

2.1 下部结构

2.1.1 主墩构造

主桥桥址位于峡谷，风速较大，为减小风力对高墩的影响并综合考虑美观和施工便利，主跨范围内7～13号墩墩身均采用横向带圆弧面的矩形空心墩，14号墩因墩高较矮，采用带圆弧面的矩形实体墩。

10～12号墩为采用墩梁固结的刚构墩，墩高依次为68 m、66 m、70 m，各墩仅在底部设置4 m厚的实体段，墩顶不设实体段，墩顶截面尺寸如图2所示。墩顶纵向宽6 m，纵向壁厚1 m，内外侧均采用1∶0直坡；墩顶横向宽8.3 m(不含两侧各0.50 m的圆弧矢高)，为满足全桥结构横向刚度和主桥上下部结构的传力的要求，主墩外侧采用横向双变坡结构——梁底以下55 m内墩身横向为20∶1坡度，55 m以下至承台顶为5∶1变坡，桥墩横向呈扫把形；墩顶横向壁厚为1.45 m，横向内坡为60∶1。

图2 刚构墩墩顶截面示意图(cm)

8号、9号、13号墩为墩顶设支座的主桥主墩，各墩墩顶、墩底分别采用3 m、4 m厚的实体段。墩顶纵向外轮廓6 m，壁厚1 m，内外侧均采用1∶0直坡；墩顶横向宽8.6 m(不含两侧各0.5 m的圆弧矢高)，墩高较高的8号、9号墩外轮廓采用横向双变坡结构——梁底以下55 m内墩身横向为20∶1坡度，55 m以下至承台顶为5∶1变坡； 13号墩横向外轮廓采用20∶1的坡度一坡到底。各墩墩顶横向壁厚0.75 m，横向内坡均为60∶1。

14号主墩采用横向带圆弧面的矩形实体墩，墩顶纵向宽5.2 m，采用1∶0直坡；墩顶横向宽8.6 m(不含两侧各0.373 m的圆弧矢高)，横向外坡采用20∶1坡度。

7号墩为边墩，大里程侧为本刚构-连续组合结构，小里程侧接“通桥(2005)2101-1”简支T梁，简支梁按平分中矢布置，刚构侧梁部按曲梁曲做布置。本墩墩高65 m，墩身构造与13号墩一致。

主桥大里程接15号台，台高6 m，采用T型桥台，参照160 km/h双线T台“二设桥参(2005)4222”设计。

2.1.2 主桥基础

桥址处地质条件较差，对设计影响较大的主要工程地质问题为岩堆、断层破碎带、人工弃土、基坑边坡顺层。

主桥范围内基础全部采用承台、钻孔桩柱桩。7～14号墩采用直径2.0 m柱桩，15号台采用直径1.25 m柱桩。桩基布置中各墩台纵向均设3排桩基，横向设3～7列不等。承台的尺寸应保证将墩底的巨大荷载向群桩基础传递，7号、8号、13号、14号承台厚4 m，9～12号墩承台厚5 m，15号台承台厚2.5 m。桥位处基岩倾斜明显的8号、10号、14号桩基础采用不等长桩设计。

代表性的9号、10号墩桩基布置平面如图3、图4所示。

图3 9号墩桩基布置平面图(cm)

图4 10号墩桩基布置平面图(cm)

2.2 上部构造

主桥梁部为单箱单室、变高度、变截面箱梁，梁体全长为561.5 m，跨中、主墩墩顶处梁高分别为3.8 m、6.8 m，梁跨范围内梁高按二次抛物线变化。箱梁顶板宽为10.98 m。为增加梁体抗扭能力，箱宽采用7 m。梁体底板厚0.42～0.8 m(梁端及主墩墩顶局部加厚至1 m)；腹板厚0.4～0.8 m(梁端局部加厚至1 m)；顶板厚0.42 m(支座附近局部加厚至0.6 m)。

全梁在10～12号墩墩顶对应刚构墩纵向壁厚处各设2道1 m厚横隔板；在8号、9号、13号、14号墩处各设1道2.2 m厚横隔板；为提高边支座的反力储备，在7号、15号墩台处各设1道3.75 m厚横隔板，全梁共计12道横隔板。中横隔板、边横隔板中间分别设1.4 m×2.0 m和1.4 m×1.4 m的进人孔。

代表性的主梁截面及纵断面如图5～图8所示。

图5 主墩墩顶梁部截面示意图(cm)

图6 梁端及跨中梁部截面示意图(cm)

2.3 计算分析主要结果

2.3.1 计算模型

大桥的整体内力分析及变形计算采用大型商业软件“Midas Civil 2011”。其采用空间杆系的有限元法，适用于任意的桥梁结构体系，程序能逐段形成结构体系，能从体系形成至使用阶段连续地进行综合分析，能自动完成施工阶段静力体系的转换。

图7 8号墩墩顶T构构造(cm)

图8 10号墩墩顶T构构造(cm)

各墩的群桩基础及承台换算为下端固定、上端与墩底联结的双向、等刚度门式杆件。墩、梁均按实际曲线坐标准确建模模拟。

墩顶设支座的7～9号、13～15号墩台，在设支座的实际位置用弹性连接模拟，弹性连接与墩身、梁体之间采用刚度较大的虚拟梁元模拟。弹性连接在约束方向上均按刚度无穷大模拟，其约束方向与支座的实际方向保持一致。

结构共划分为511个节点，468个单元，其中梁部梁单元300个，墩身采用梁单元114个，桩基双向门式杆件采用梁单元32个，模拟梁体重心与支座的横向联系采用梁单元22个。计算模型如图9所示。

图9 Midas中主桥计算模型示意图

2.3.2 设计荷载

结构设计中考虑了结构自重、二期恒载、支座沉降、列车活载、预应力及混凝土收缩徐变、横向摇摆力、纵向制动力、纵横向风力、离心力、温度荷载及施工荷载，并按规范要求进行荷载组合。

2.3.3 梁部主要计算结果

运营阶段，梁体上下缘最大正应力为16.3 MPa(主力+附加力组合时)≤[σc]=20.35 MPa。最小正应力为0.59 MPa，均不出现拉应力。梁体上下缘在曲线内外侧的正应力差别不大，一般在0.2 MPa以内。

施工阶段，梁体最大压应力为14.30 MPa≤[σc]=24.98 MPa。最大拉应力为0.98 MPa≤[σct]=2.08 MPa。

运营阶段，正(斜)截面抗弯强度、正(斜)截面抗裂性计算、钢绞线最大拉应力、混凝土最大剪应力等计算均满足设计要求。

2.3.4 位移计算

(1) 墩顶纵向水平位移

经检算，主桥范围内7～14号墩墩顶纵向位移如表1所示。

表1 各墩在考虑基础刚度影响后的墩顶纵向位移 (mm)

(2) 墩顶横向水平位移

TB 10621-2009《高速铁路设计规范》(试行)中7.3.9条要求“墩台横向水平线刚度应符合高速行车条件下列车安全性和旅客乘车舒适度要求，并应对最不利荷载作用下墩台顶横向弹性水平位移进行计算。在ZK活载、横向摇摆力、离心力、风力和温度的作用下，墩顶横向水平位移引起的桥面处梁顶水平折角应不大于1.0‰弧度。”各荷载工况的组合原则参照TB 10002.5-2005《铁路桥涵设计基本规范》中5.3.3-2执行。

为此，对主桥范围内各墩墩顶横向位移及其限值计算如表2所示。

表2 考虑基础刚度影响后墩顶横向位移计算汇总 (mm)

(3)梁体竖向挠度

为适应列车高速安全平稳运行的要求，TB 10621-2009《高速铁路设计规范》(试行)中7.3.2条提出了ZK竖向静活载作用下，梁体的竖向挠度限值。

表3 梁体的竖向挠度限值

本梁在双线列车静活载作用，主跨跨中最大竖向变形为14.6 mm≤1.1L/1 400=62.9 mm；边跨跨中最大竖向变形5.4 mm≤1.1L/1 400=31.4 mm。

(4)梁体梁端转角

TB 10621-2009《高速铁路设计规范》(试行)中7.3.7条要求有砟轨道桥台与桥梁之间的梁端转角应限制在θ≤2‰以内。经检算，本桥梁部的梁端转角为0.356‰～-0.371‰≤2‰。

(5)梁体残余徐变上拱

为满足高速铁路轨道铺设的要求，且为确保轨道平顺性，TB 10621-2009《高速铁路设计规范》(试行)中7.3.2要求，有砟桥面梁体的竖向变形不应大于20 mm。经检算，梁部各点的残余徐变值均满足设计要求。

2.3.5 梁部抗扭计算及梁部普通钢筋布置

按照JTGD 62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中5.5.2、5.5.3及5.5.4进行抗剪扭承载力检算。荷载组合按JTGD 60-2004《公路桥涵设计通用规范》中4.1.6办理(将铁路活载视为公路活载处理)，桥梁重要性系数取1.1。

对全桥所有梁部单元进行验算，得出各截面满足抗扭承载力所需要的最少钢筋数量，然后根据TB 1002.3-2005《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》中4.3.9的要求，将其与环框计算的结果组合，确定最终所需的钢筋配置，结果如表4所示。

表4 梁部普通钢筋配置汇总(表中数值为钢筋直径) (mm)

横向普通钢筋均按10 cm间距配置，其中跨中合龙段、9～5及0号节段腹板、底板及0号块的顶板普通钢筋按2根1束布置。纵向通长钢筋按φ12 mm配置，此外为提高结构抗扭性能，腹板、底板普通钢筋均设计成闭合状。

2.3.6 支反力计算

全桥支反力计算结果汇总如表5所示。

表5 梁部支反力汇总 (kN)

梁端最小支反力774 kN，满足结构安全要求。边支座、中支座分别选用“MD型多向智能测力支座”和“LQZ球型支座”，支座吨位分别为8 000 kN、35 000 kN。

设计中要求支座限位方向水平承载力为竖向承载力的15%，横向固定支座设于曲线内侧，其中7号、15号墩横向最大水平力为646 kN、507 kN、8号，9号，13号，14号主墩分别为1 614 kN、2 329 kN、1 985 kN和1 174 kN。

2.3.7 结构自振周期计算

根据设计经验，连续刚构/连续梁的第一阶横弯周期应控制在1.70 s以内。经计算，本桥第一阶横弯频率为0.768 Hz(1.301 s)，如图10所示，满足要求。

图10 结构第一阶横向模态示意图

2.3.8 列车走行性分析

本桥列车走行性分析委托中南大学开展专题研究，研究结论为圣泉一号(40+6×80+40)m主桥具有良好的动力特性及列车走行性。当CRH2客车、德国ICE高速客车以不超过120 km/h速度通过桥梁时，桥梁动力响应及各车的车体竖、横向振动加速度满足限值要求，列车行车安全性满足要求；当车速不超过桥梁设计车速100 km/h时，列车的乘坐舒适度均达到“良好”以上，当车速不超过检算车速120 km/h时，列车的乘坐舒适度也均达到“合格”标准以上。

3 结束语

本文通过对圣泉1号双线特大桥结构应力、变形、抗扭承载力、支座反力等方面的计算研究，得出以下结论：

(1)本曲线桥的梁部应力与对应跨度的直线桥相比，梁部正应力、主应力相差不大，设计中可直接按直线桥进行控制设计。

(2)本桥因曲线影响，支座反力、梁部扭矩设计值与对应跨度的直线桥相差较大，实际分析中应严格按实际线路条件、支座布置、荷载分布等条件建模分析，以得到其准确的影响结果。

(3)曲线桥因离心力的影响，墩顶横向位移与直线桥的差异不可忽略，且因梁体轴线的不断变化，在直线桥上不可能产生墩顶横向变形的制动力，在曲线桥上却有可能产生影响，因此，在计算曲线桥墩顶横向位移时，务必对各工况考虑周全。

贵广线圣泉1号自2012年12月合龙，2014年12月26日交付使用，大桥行车运行平稳、舒适，结构安全可靠，运营状态良好。

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Design of (40+6×80+40)m Rigid Frame And Continuous Composite Beam of Shengquan N0.1 Double Line Super Major Bridge

WANG Cong, YAN Yong

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031， China)

The structure stress of small radius curved beam is more complex than that of straight beam, because of the coupling effect of bending moment and torsion.(40+6×80+40)m prestressed concrete rigid frame and continuous beam has been adopted in ShengQuan N0.1 double lines super major bridge on Guiyang-Guangzhou railway, located on a curve of R=600 m and a Longitudinal slope of -24.0‰, it is currently a double lines railway bridge with the least curve radius, the longest connected and the longest span in China. In order to accurately simulate the structure stress and deformation state, a space finite element model is established by using "Midas Civil 2011" finally, the bridge stress response is obtained based on the detailed calculation and analysis to verify the correctness of structure design. This paper presents the span, structure sizes, design parameters and computed results of the bridge, providing reference to the similar structures.

rigid frame and continuous composite beam； small radius； curved beam

2015-07-16

王聪(1979-)，男，高级工程师。

1674—8247(2016)01—0078—06

U442

A