城际铁路长联大跨高墩刚构-连续组合梁桥设计分析

刘骞儒

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

1 工程概况及主要设计技术标准

一城际铁路特大桥位于我国西北部，桥位处线路与主河槽夹角约90°，河道顺直，河槽宽约150 m，常年流水。两岸岸坡自然坡度约30º，沟谷呈梯形，沟床纵坡较陡。主沟相对高差50～115 m，顺线路方向沟宽约700 m。两岸黄土山坡，植被良好。两岸地层构造主要为第四系全新统洪积黏质黄土、细圆砾土、崩积块石土；下伏二叠系上统泥岩、砂岩。

主要设计技术标准如下：

1）线路标准：双线城际铁路，直线。

2）速度目标值：250 km∕h。

3）设计活载：ZK荷载。

4）桥面二期恒载：175 kN∕m。

5）主体结构设计使用年限：100年。

6）环境作用等级：T2。

2 方案比选

考虑本桥的地理环境及防洪要求，制定了3 个孔跨布置方案进行比选（表1）。经综合对比，方案3以明显优势入选，其桥型布置见图1。桥墩采用钻孔灌注桩基础，固结墩采用双薄壁墩，主桥下部结构较柔，整体刚度较空心墩小［1］。

表1 孔跨布置方案比选

图1 方案3桥型布置（单位：cm）

3 主梁结构设计及分析

大跨度连续刚构桥主梁一般采用变截面箱梁，梁高和梁底曲线的选择对桥梁整体受力、上部结构的工程量及外形美观都至关重要。

本桥采用单箱单室直腹板截面梁，支点及跨中处梁体横断面见图2。参考既有连续刚构桥设计参数［2-3］，取箱梁顶宽12.2 m，底宽7.2 m，单侧悬臂长2.5 m，悬臂端部、根部分别厚35，85 cm。中墩及次边墩（2#—6#墩）墩顶处箱梁高取10.5 m，腹板厚100 cm，底板厚150 cm，顶板厚109 cm；边墩（1#，7#墩）墩顶及跨中处梁高取5.5 m，腹板厚50 cm，底板厚50 cm，顶板厚54 cm。顶板设120 cm×40 cm梗肋，底板设40 cm×40 cm 梗肋。主跨径小于150 m 的桥梁梁高曲线指数一般为1.8～2.0。本桥梁底曲线选用1.8 次抛物线，提高1∕4跨径处的梁高以增强抗主拉应力能力。

图2 支点及跨中处梁体横断面（单位：cm）

为增强梁体抗扭能力、约束截面畸变和扭转变形并利于上部荷载向墩顶传递，在支点及跨中处设置横隔墙。1#和7#边墩墩顶各设置1道，厚1.8 m；2#中墩墩顶设置1道，厚3 m；3#—6#中墩对应刚构墩墩壁上各设置2 道，厚2.5 m；次边跨跨中和中跨跨中各设置1 道，厚0.5 m。各横隔墙上均设置2.5 m×1.5 m的过人洞。为减小箱梁内外温差，在腹板上顺桥向每隔4 m设置1个直径10 cm 的通风孔［4-5］。为避免箱梁内及梁顶积水，在箱梁内部底板最低处设置直径16 cm 的泄水孔，在箱梁顶面悬臂根部顺桥向设置直径12.5 cm 的桥面排水管，间距均为4 m。

悬臂施工的箱梁梁段不宜太长，以免梁段过重；也不宜太短，以免工序过于繁复。本桥按施工顺序划分21 种梁段，其中最重的挂篮施工梁段为梁段④，质量约250 t。梁体纵立面及梁段划分见图3。

图3 梁体纵立面及梁段划分（单位：cm）

4 下部结构设计及分析

4.1 动力特性计算模型

利用MIDAS∕Civil 软件建立主桥计算模型进行动力特性计算（图4）。承台底节点采用弹性连接模拟桩基础。弹性连接单元共有6 个参数，即3 个轴向位移刚度和3 个沿轴旋转的转角刚度［6］。根据TB 10093—2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》［7］选取参数及公式进行计算，确定桥墩的设计方案。

图4 主桥计算模型

4.2 桥墩设计及分析

本桥刚构墩采用双薄壁墩，与梁体固结。桥墩混凝土收缩、徐变、温度应力均会影响梁体内力［8］。在墩身壁厚相同的条件下，对中墩固结方式设计了2 种方案：3#—5#墩3 墩固结、3#—6#墩4 墩固结。对比2 种固结方式下的桥梁结构自振特性（表2），发现4墩固结时全桥纵向自振周期比3 墩固结时明显减小，具有地震力作用下纵向位移小、桥梁整体刚度大等优势，故采用4墩固结方案。

连续刚构梁与固结墩的弯矩分配取决于二者的刚度比，桥梁结构在常规荷载及地震力作用下的内力也与桥墩刚度密切相关。因此，进行桥墩设计时既要满足列车运行时桥墩的刚度要求，又要避免墩身刚度过大导致墩身内力增大。

表2 2种固结方式下桥梁结构自振特性对比

3#—6#墩4 墩固结，均为双薄壁墩，其壁厚可选2.2 m 或2.5 m。对比2 种壁厚下桥梁结构自振特性，见表3。可知，墩身壁厚宜选择2.5 m。

表3 2种壁厚下桥梁结构自振特性对比

设置横系梁可改善悬臂施工和成桥阶段桥梁的自振特性，提高桥墩稳定性。实际工程中，成桥后横系梁在温度、活载、多遇地震等作用下受力偏大，并非横系梁越多、尺寸越大越有益，须合理选择横系梁布置方案。

根据工程实际，设计了3 种横系梁设置方案：①4个固结墩各设1道横系梁；②3#—5#墩各设2道、6#墩设1 道横系梁；③3#，4#墩各设3 道、5#墩设2 道、6#墩设1道横系梁。3种方案下桥梁结构自振特性对比见表4。可知，宜选方案③。

表4 3种横系梁设置方案下桥梁结构自振特性对比

对桥墩设计方案进行优化，见表5。考虑2#墩为非固结墩且高度仅8 m，改用圆端型实体墩；考虑6#墩高度仅53 m，为控制其刚度，墩身壁厚改为2.2 m。

本桥3#，4#桥墩设计最为典型，见图5。

表5 桥墩设计方案

图5 3#，4#桥墩立面（单位：cm）

4.3 承台及桩基

大跨刚构-连续组合梁A 形高墩的承台常采用分离式和整体式2 种。分离式承台需在2 个分离的承台间设置系梁并张拉系梁横向预应力钢束，工序繁琐，且当桩基根数较多时不便于桩基布置。故本桥承台采用整体式承台，桩基直径为1.8 m。其中尺寸最大的3#，4#墩承台为21 m×39 m×5 m，采用45根桩基。

5 主桥结构静力计算分析

5.1 纵向计算分析

采用西南交通大学桥梁系开发的BSAS Pro 2017桥梁结构分析软件进行结构静力计算，恒载、活载、附加力等均按规范取值［4-5］。

通过静力计算，对箱梁各参数进行验算。以固结墩的墩身壁厚为例，计算2 种壁厚的梁体和桥墩在恒载作用下的内力（弯矩），见表6。可见，选用2.5 m 壁厚能更好地满足结构受力及列车运行要求。

桥梁施工的合龙顺序有2 种备选方案：边跨→次边跨→中跨；次边跨→边跨→中跨。通过纵向计算，2 种顺序合龙时的梁体内力相近。试算主力工况下施加不同合龙顶推力时固结墩墩底弯矩，见表7。可知，施加6 000 kN 顶推力能有效调整墩身内力，使各墩底正、负弯矩分布更均匀，受力更合理。为了更便于施工，最终确定采用次边跨→边跨→中跨的合龙顺序，并在中跨合龙时施加6 000 kN的顶推力［9］。

表6 2种壁厚下桥梁结构内力（弯矩） kN·m

表7 主力工况下施加不同合龙顶推力时固结墩墩底弯矩

通过静力计算，本桥各项指标均满足TB 10092—2017要求。梁体上下缘压应力最大值为20.4 MPa，最小值为0.7 MPa，均未出现拉应力；梁端转角0.7%；边跨的静活载挠度为-16 mm，中跨为-48 mm。

5.2 横向计算分析

利用MIDAS∕Civil进行箱梁横向环框计算，将箱梁横截面简化成边界条件为一般支承的框架结构，支承点位于两腹板下。顺桥向取1 m 宽，桥梁纵向活载影响宽度按TB 10002—2017 的4.3.5 条选取［10］。建立计算模型见图6。考虑恒载、活载、温度等作用，取最不利组合进行箱梁横截面的配筋计算。为方便施工，本桥横向按普通钢筋混凝土构件设计。

图6 横向环框计算模型

6 结语

1）通过方案比选，确定了西北一城际铁路特大桥选用（80+4×144+80）m 刚构-连续组合梁的结构设计方案。该方案经济合理，兼具连续梁和连续刚构的优点，减少了大型桥梁支座和养护费用，降低了桥墩和基础的工程量。

2）考虑桥梁整体受力、上部结构的工程量及外形美观等因素，选用单箱单室直腹板截面梁，确定了箱梁尺寸，设置了横隔墙、通风孔、泄水孔及排水管等，并按施工顺序划分了21种梁段以便于施工。

3）利用MIDAS∕Civil软件建立主桥计算模型，进行动力特性计算，分别对比不同固结方式、桥墩墩身壁厚、横系梁设置方案下桥梁的自振特性，得出最优桥墩设计方案，即：3#—6#墩4 墩固结，均采用双薄壁墩，横向为A 形，设置1～3 道横系梁；3#—5#墩墩身壁厚为2.5 m，6#墩为2.2 m。

4）通过主桥结构静力计算验证桥梁设计方案的合理性，确定了次边跨→边跨→中跨的合龙顺序，并在中跨合龙时施加6 000 kN 顶推力。箱梁纵向计算及横向环框计算表明，本桥采用的双薄壁刚构墩在最不利荷载工况下能够满足结构的安全使用要求。