高速铁路高墩大跨连续刚构桥设计

李俊龙

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

高速铁路高墩大跨连续刚构桥设计

李俊龙

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

文章针对沪昆高铁(长沙-昆明段)岔河大桥主桥(88+168+88)m预应力混凝土连续刚构，介绍了高速铁路连续刚构桥的结构设计，对高墩大跨连续刚构桥的静动力特性及车桥耦合动力响应进行了研究。研究表明对于百米以上高墩，矩形空心墩较双薄壁墩有更好的纵向刚度，同时设置墩身二次放坡，具有更好的横向刚度和行车动力性能。文章介绍了高速铁路高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥设计的关键技术。

高速铁路； 高墩大跨； 预应力混凝土； 连续刚构； 结构设计

1 工程概况

新建高速铁路沪昆客运专线(长沙至昆明段)岔河大桥位于贵州省晴隆县与普安县之间，跨越岔河，桥高约170m，桥梁全长484.05m。桥址两岸岸坡地势陡峻，河谷深切，为V型河谷地貌，自然坡度为30°～65°，基岩多裸露，植被不发育。桥区内地震动峰值加速度为0.10g。桥址处地质较差，主要有岩溶、断层破碎带、岩堆及顺层。主桥为(88+168+88) m预应力混凝土连续刚构，采用对称悬臂灌注法施工，主墩墩高分别为76 m、103 m，为目前已建成的350 km/h时速高速铁路世界最大跨度的预应力混凝土连续刚构高墩铁路桥。主桥总体布置见图1[1]。

图1 主桥总体布置

主要技术标准如下：

(1)线路等级：客运专线。

(2)设计行车速度：350 km/h。

(3)正线数目：双线；线间距：5 m。

(4)设计活载：ZK活载。

(5)轨道结构类型：CRTS-I型双块式无砟轨道，跨区间无缝线路。

(6)设计洪水频率：100年一遇。

(7)使用年限：正常条件下设计寿命为100 a。

2 结构构造

2.1 上部结构构造

梁体为单箱单室直腹板变高度变截面箱梁，计算跨度为(88+168+88) m，刚构梁体全长345.8 m。防护墙内侧净宽8.8 m，桥面宽12 m。边支座中心线至梁端距离0.9 m，横桥向支座中心距为7 m。中跨跨中18 m梁段和边跨端部13.9 m梁段为等高梁段，梁高为6 m。中支点处梁高为12 m，除0号段外其余梁段梁底下缘按二次抛物线变化。箱梁顶板宽12 m，底板宽8 m。顶板厚62 cm，边跨端块处顶板厚由62 cm渐变至100 cm。底板厚52～110 cm，腹板厚50～110 cm。梁体在边跨支座处和主墩处设横隔板，全联共设6道横隔板，横隔板中部设有孔洞，以便人员通过。梁体标准截面见图2[1]。

图2 梁体构造(单位：cm)

2.2 梁体预应力体系

梁体采用C55混凝土，按全预应力结构设计，纵向、横向、竖向均设预应力。纵向预应力采用19-15.2高强度低松弛钢绞线(fpk=1860 MPa)，金属波纹管成孔，15-19锚具锚固。横向预应力采用4-15.2高强度低松弛钢绞线(fpk=1860 MPa)，金属波纹管成孔，配套扁锚锚固。竖向预应力采用φ32 PSB830螺纹粗钢筋，金属波纹管成孔，对应锚具锚固，张拉时采用单端张拉的方式，张拉端设在梁顶。

2.3 下部结构构造

主墩采用钢筋混凝土矩形空心墩，墩顶处横桥向宽9 m，壁厚为1.1 m；纵桥向宽10 m，壁厚为1.3 m。主墩纵桥向内外均不放坡，在墩顶和墩底分别设置1.2 m、6 m高的实体段。1#主墩高76 m，横桥向外坡为15∶1，横桥向内坡为35∶1。为了将墩身质量合理地集中在结构下部，使其重心下移，有效增加其横向刚度，同时得到较好的外观效果，故2#主墩横桥向采用直线二次放坡。2#主墩高103 m，墩顶以下75 m范围横桥向外坡为15∶1，下接直线二次放坡，横桥向外坡变为10∶1，横桥向内坡为35∶1。2#主墩构造见图3[1]。主墩基础均采用钻孔群桩基础，1#主墩桩径2.5 m，共6+5+6=17根桩成梅花形布置，桩长为51 m；2#主墩桩径2.8 m，共3×6=18根桩成行列式布置，桩长为30～34 m[1-2]。

图3 2#主墩构造(单位：cm)

3 结构分析和研究

3.1 静力计算

采用有限元桥梁专用软件对连续刚构桥进行整体计算研究，得到各施工阶段和运营阶段的内力、应力及截面强度等分析结果。施工阶段中，最大压应力14.8 MPa，最大拉应力-1.0 MPa；在最不利荷载组合下，运营阶段截面均不出现拉应力，顶、底板压应力均满足规范要求。考虑竖向预应力钢筋作用时，最大主压应力、主拉应力均满足规范要求。静活载作用下中跨跨中最大挠度值为41.6 mm(L/4038)，边跨跨中最大挠度值9.4 mm[3-4]。

3.2 高墩设计研究

连续刚构桥的墩梁刚性连接，墩与梁的弯矩分配决定于两者的相对刚度，且梁体的收缩、徐变及温度应力也与刚构墩柱的抗推刚度直接相关，既要满足全桥的纵向刚度要求，又要尽可能地优化梁体内力分布，因此结构刚度是高墩大跨预应力混凝土铁路桥设计的重要控制因素，选择合适的墩柱纵向刚度是其中的重要内容。由于本桥桥墩较高(超过100 m)，采用双薄壁墩的话，其纵向刚度相对于矩形空心墩较小，在纵向水平力作用下，纵向位移将增大，同时墩身截面需保持足够的整体抗弯刚度来保持全桥的整体稳定，势必设计会加大墩柱尺寸，这样将使圬工增大，且百米高的双薄壁墩施工的线形控制也较难。故经上述双薄壁墩、矩形空心墩综合对比，刚构主墩采用矩形空心墩较好[5]。

矩形空心高墩墩顶处横桥向宽9 m，纵桥向宽10 m，纵桥向不放坡，在1/4墩高即墩顶以下75 m处横桥向进行直线二次放坡。本桥比选如下3种方案，其横桥向放坡区别如表1所示。

表1 主墩横向放坡方案

经有限元计算分析，主墩各方案的自振频率如表2所示。

表2 主墩自振频率

综上可知：刚构主墩横向尺寸是全桥整体横向刚度最重要的控制因素，可通过墩身构造及尺寸的改变来提高结构刚度，故选择在1/4墩高处横桥向直线二次放坡。此方案将墩身质量合理地集中在结构下部，使其重心下移，有效增加其横向刚度，改善了行车性能，同时整体外观效果较好。

3.3 车桥耦合动力分析

本桥主跨168 m，主墩103 m，为目前已建成的350 km/h时速高速铁路同类桥梁中的世界最大跨度，桥上铺设无缝线路，对结构的动力性能要求大大提高，设计合理的竖向和横向刚度对保证高速列车通过时的行车安全、桥梁安全和旅客、司机的乘坐舒适性至关重要[6-7]。

对上述三个主墩方案进行车桥空间耦合动力分析，轨道不平顺采用德国低干扰轨道谱，列车类型采用德国ICE3动力分散式车组和国产300 km/h动力分散式车组；列车编组为：2*(动+拖+动+动+动+动+拖+动)，共16节；速度等级取250、275、300、325、350、375、400、420 km/h。

车桥耦合动力分析评价结果见表3～表5。

表3 车桥耦合动力分析评价(方案一)

表4 车桥耦合动力分析评价(方案二)

表5 车桥耦合动力分析评价(方案三)

车桥空间耦合动力分析结论如下：

(1)三个方案的中跨跨中竖向振动加速度均较小，最大值基本一致，说明三个方案桥梁的竖向刚度基本一致，几乎没有变化；方案三的桥梁跨中横向振动加速度明显比方案一和方案二的相应值要大，但均在规范限值以内。

(2)在德国ICE3和国产300 km/h动车组以速度250～420 km/h范围作用下，方案一、方案二和方案三的动车与拖车的脱轨系数、轮轨横向力、轮重减载率等安全性指标均不超过限值，满足高速列车行车安全性要求。方案一、方案二和方案三的竖向舒适性均为“优”或“良”；方案一、方案二的横向舒适性均为“优”或“良”，但方案三的横向舒适性仅为“合格”。

可见方案一过于保守，方案三横向刚度略差，因此，为保证高速列车具有足够的安全性和优秀的舒适性，设计采用方案二。

4 结束语

(1)岔河大桥主桥(88+168+88) m预应力混凝土连续刚构，最大墩高103 m，集高墩、大跨于一体，为当今世界350 km/h时速高速铁路最大跨度的混凝土连续刚构高墩铁路桥。主墩采用横桥向直线二次放坡的矩形空心高墩，把墩身质量及刚度集中于结构下部，能较好地满足全桥静动力特性，从而改善行车性能。

(2)通过对本桥静动力特性及车桥耦合动力分析研究，各项设计参数符合规定，满足旅客乘坐舒适度、高速列车运营安全性及无缝轨道平顺性等要求。岔河大桥通过静动载试验，并于2016年12月通车运营，结果表明，大桥行车平稳舒适、结构安全可靠、运营状态良好。

(3)预应力混凝土连续刚构桥是高速铁路跨越高山峡谷的常用桥型，沪昆高铁(长沙-昆明段)岔河大桥主桥(88+168+88) m预应力混凝土连续刚构桥成功地设计、施工并建成运营，为高速铁路高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥的设计提供了参考，为其跨度的进一步突破奠定了坚实的基础。

[1] 中铁二院工程集团有限责任公司.新建高速铁路沪昆客运专线(长沙-昆明段)岔河大桥施工图[Z].成都：中铁二院工程集团有限责任公司，2012.

[2] TB 10002.1-2005铁路桥涵设计基本规范[S].

[3] TB 10621-2014高速铁路设计规范[S].

[4] 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].

[5] 马庭林，陈克坚，徐勇.南昆铁路清水河大桥预应力连续刚构主桥施工设计[J].桥梁建设，1997(3)：69-74.

[6] 陈列，颜华.新建200 km/h客货共线铁路大跨度连续刚构桥设计研究[J].桥梁建设，2006(6)：37-39.

[7] 何庭国，鄢勇.遂渝铁路新北碚嘉陵江大桥设计[J].桥梁建设，2006(S2)：26-29.

李俊龙(1985 ～)，男，硕士研究生，工程师，从事大跨桥梁设计研究。

U442．5+5

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[定稿日期]2017-01-13