略说高铁摇桥的设计特点
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选择本桥主梁采用悬浇法施工,因跨度较大,所以主梁墩顶负弯矩较大,同时主墩承受较大的恒载。上述情况均有可能成为设计控制因素,为此尽量减少悬浇长度的施工方法对本桥显得很重要。本桥结合现场地形,主梁两端各设置了长达19m的现浇段,大大减少了悬浇长度,降低了主梁的墩顶负弯矩和主墩承受的竖向恒载,取得了良好的效果。钢束布置优化为避免竖向预应力筋损失过大引起的腹板主应力状态恶化导致的大跨度主梁下挠增大,每个悬浇节段的每侧腹板均设置2束下弯钢束,同时钢束尽量向底板方向延伸。设计中综合考虑顶板和腹板纵向钢束布置,经优化,在顶板竖向只布置1排纵向束,因此,顶板厚度不受构造控制,而按受力需要采用35cm厚。顶板厚度减薄后结构圬工量减少,自重降低,整体改善了梁体受力状态。该桥梁部混凝土每延米19郾9m3,钢束每延米1286kg,在相近跨度的类似结构中是较为节省的。收缩徐变控制近几年,在我国修建的大跨连续梁(刚构)桥中,箱梁跨中下挠病害较为普遍,其中徐变是重要的影响因素。徐变变形随时间的增长而增大,一般前3年影响较大,3年过后变形减缓。初始加载龄期越短徐变速率对挠度的后期影响越大,随时间的增长混凝土梁的刚度越来越大,初始加载龄期在60d时徐变速率对挠度的后期影响非常小。为减小徐变的影响,主梁设计时尽量减小上、下缘的恒载应力差,使梁体在恒载作用下趋近于轴压状态。经计算本桥二期恒载上桥时间按全联合龙后90d计算,理论计算残余徐变拱度值跨中为-7郾7mm,满足使用要求。
2下部结构设计特点
下部结构设计2郾3郾1摇主墩构造主墩采用矩形空心墩,墩顶及墩底分别设置2m和10郾2m的实体段,下端实体段的高度主要结合河道百年水位确定。主墩墩高47郾5m,墩身纵向上下等宽,宽度为10m;横向为变宽设计,墩顶横向宽度7郾9m,底宽14郾4m。墩顶纵、横向壁厚分别为1郾6m、1郾4m。纵向内坡为直坡;横向外坡为14颐1,横向内坡为18颐1。墩底以上10m设置圆包头。墩底实体段顶部对称设2个排水孔,其上每隔4m在墩身周围交错设置通风孔,直径0郾2m,孔口用钢筋织成的井字网封护。墩身材料分界线(梁底以下2m)以下采用C50混凝土,以上采用与梁体同强度等级的C55混凝土。为提高墩底实体段及墩顶与梁体相接段混凝土的抗裂性及耐久性,在上述部位采用纤维混凝土。主墩构造见图6。在确定该桥主墩形式时,分别对矩形空心墩和双壁墩进行了动、静力分析,经过计算分析比较后,确定采用矩形空心墩,其优点如下:矩形空心墩的纵、横向刚度及抗扭刚度大,增加了悬臂施工及最大悬臂时的摇安全度;在桥墩纵、横向位移及横向刚度基本一致的前提下,双壁墩较矩形空心墩截面尺寸大,导致基础圬工量增加;空心墩横向自振频率明显优于双壁墩;张家鄢沟百年设计流量854m3/s,山区沟道洪水来势凶猛,加带大量泥石,采用墩底设置实体段的空心墩更有利于保证桥墩安全。2郾3郾2摇主墩基础桥址区大部分分布三叠系上统砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩,基本承载力400~800kPa;局部表覆第四系全新统人工堆积层、上更新统风积层新黄土及第四系上更新统坡积层粗角砾土,中更新统风积层老黄土,基本承载力60~550kPa。主墩采用钻孔桩基础,桩径2m,共20根,桩长27m,桩尖嵌入800kPa砂岩,按柱桩设计,桩间距按《铁路桥涵地基与基础设计规范》控制,采用4郾2m。承台尺寸17郾9m(纵)伊24郾2m(横),承台厚度5m。2郾4摇抗震分析采用MIDAS建立模型,对主桥多遇地震作用下的地震力采用反应谱法进行分析并检算桥墩和基础,因本桥地震烈度较低,地震作用不控制设计。采用简化方法进行延性验算,结果满足《铁路工程抗震设计规范》[8]要求。根据震规要求,本桥提高一级按7度设置抗震措施。同时主墩钢筋布置执行震规提出的延性配筋要求。
3摇主桥纵横向刚度及动力特性
摇自振频率主桥的自振频率在很大程度上能反映出主桥刚度的大小,也就反映出主桥的动力特性,因此,分析主桥动力特性时应首先要准确地计算主桥的自振频率及各阶频率对应的振形特点。经分析计算,主桥前10阶自3郾2摇纵横向刚度对于大跨度连续梁和刚构体系的全桥整体横向自振周期限值,铁路桥梁规范尚没有相关规定。本桥的横向刚度控制参考执行《关于南昆铁路四座大桥横向刚度的补充技术要求》,按其要求,其横向第1自振周期按T1臆0郾011L0s,且T1臆1郾7s控制。本桥第1振形的自振周期为1郾057s,满足要求。墩身的纵、横向抗推刚度直接影响墩顶的纵、横向水平位移,如刚度过小,则会加大墩顶的纵、横向水平位移。因此检算墩顶的水平位移也是控制墩身抗推刚度的指标之一。根据《铁路桥涵设计基本规范》的规定,墩顶顺桥方向的弹性位移应符合驻臆5Lmm的规定,本桥主墩墩顶最大纵向位移为35mm,满足要求。墩顶横桥方向的弹性位移的控制参考了《关于南昆铁路四座大桥横向刚度的补充技术要求》,主墩墩顶最大横向位移为12mm,满足驻臆4Lmm的要求。摇车桥耦合动力仿真分析采用空间有限元方法建立其全桥动力分析模型,考虑了桥墩与基础的影响,对桥梁在C62货车、SS8牵引准高速车辆、国产先锋号动力分散式动车组、中华之星动力集中式车组作用下的车桥空间耦合振动进行了分析,评价了桥梁的动力性能以及列车运行安全性与舒适性(平稳性)。主要结论如下:C62货物列车、SS8牵引准高速列车集中式动车组通过桥梁时,列车运行安全性得到保障;在C62货物列车以60~80km/h速度运行时,机车车辆竖向与横向运行平稳性均达到“良好冶;速度达到90km/h时,其横向运行平稳性为“合格冶;在SS8牵引准高速列车以160~180km/h速度运行时,车辆竖向与横向行车舒适度均能够达到“良好冶;速度200km/h运行时,车辆竖向舒适度能达到“良好冶,横向舒适性为“良好冶。
作者：肖琼单位：广元地铁行政
