京沪高速铁路北京特大桥跨西黄右线空间刚架结构分析

王昌鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处,西安 710043)

1 概述

京沪高速铁路北京特大桥位于北京市大兴区,桥梁全桥长 48 150.57m。主要跨越西黄右线、京山五线、青源路等主要公路及铁路。为不影响既有线的运营行车,线路在 DIK16+700.33～DIK16+791.68段采用空间刚架跨越西黄右线铁路。空间刚架桥跨范围内,铁路位于半径为 4 000m圆曲线上,京沪高速铁路与西黄右线铁路斜交角度仅为 13°33′,其布置形式见图1。

主要技术标准如下。

(1)铁路等级:高速铁路;

(2)正线数目:双线,线间距 5.0m;

(3)设计速度:350 km/h;初期运行速度 300 km/h;

(4)曲线半径:4 000m;

(5)建筑限界:西黄右线要求净高 7.5m;

(6)设计荷载:ZK荷载;

(7)地震烈度:基本地震烈度 8度,场地类别为Ⅲ类,地震动峰加速度为 0.2g。

图1 空间刚架布置(单位:cm)

2 结构设计简介

2.1 空间刚架结构的结构形式及特点

空间刚架结构是通过横梁与边墙的刚性连接,边墙与承台及桩基与承台的固结形成横梁、边墙及桩基承台的共同作用,而形成空间无底板的空间门式刚架结构。通过边墙承受负弯矩进一步降低了横梁跨中正弯矩,从而降低了横梁跨中截面的建筑高度,争取了较大的净空。边墙、承台桩基础与既有线平行且连续设置、边墙的掏空处理及边墙间无底板设计等措施减少了施工期间与既有线的干扰,保证了既有线的正常行车,并使既有线在成桥后获得很好的采光,改善了运营条件,同时具有一定的景观效果。

2.2 横梁

横梁采用型钢混凝土结合梁。钢筋混凝土梁内设两片工字型钢骨架,工字型钢与混凝土整体形成厚腹板工字形梁体。梁内普通钢筋穿过钢板,实现混凝土与工字型钢的共同作用。每片型钢混凝土梁截面宽2.75m,悬臂翼缘板长 0.6m,厚度 0.2m,跨中处梁高1.25m,支点处加高至 1.75m。工字型钢采用钢板焊接而成,上下翼缘宽度 0.8m,腹板高 1.01～1.51 m,钢板厚度 16mm。为保证边墙与既有铁路线平行,横梁跨度顺桥向由 14.6m渐变至 24.2m。横梁与门形边墙通过事先预埋边墙内的型钢与预制横梁内的伸出型钢焊接,实现横梁与边墙的刚性连接。横梁跨中截面如图2所示。

图2 横梁跨中截面(单位:cm)

2.3 门形刚架边墙及基础

门形刚架边墙厚 2.0m,墙高 14.75m,顺桥每节长度 5～16.5m,节间设 3 cm的沉降缝。为节约材料,减轻结构自重,同时让既有线获得良好的采光条件,边墙中间掏空成拱形。拱形结构半径 5.25m,拱顶至墙顶 2m。边墙采用钢筋混凝土结构,墙内钢筋向上和向下分别深入梁体和承台。

门形刚架边墙基础采用连续的刚性承台与单排桩构成的空间刚架结构。承台宽 2.5m,高 2.5 m,承台顶面与地面基本平齐。下设单排 φ150 cm桩基,桩长41m,桩间距 4m。

3 结构分析

3.1 有限元模型的建立

采用通用软件 MIDAS建立桥梁的空间有限元分析模型。采用空间梁单元及相应参数来对横梁、边墙及承台进行结构离散。横梁与边墙按刚性连接进行约束,边墙与承台固结形成门式刚架,桩基按等刚度弹簧模拟进行弹性支承约束,其他构件采用共节点进行约束。计算模型分为 557个节点,662个单元。所建立的桥梁分析模型见图3。

活载加载按作用于横梁处的实际作用位置进行施加。横梁按工字型钢混凝土组合截面建模,程序中按《型钢混凝土组合结构技术规范》[4]采用等效截面刚度,进行截面内力及应力分析,其余均以实际截面建模。

梁部的整体计算考虑了以下各种计算内力及其组合:自重、二期恒载、施工恒载、混凝土收缩徐变、预应力、活载、温度力、基础不均匀沉降。

图3 空间计算模型

3.2 静力计算

(1)横梁及掏空处边墙

由于梁体数目较多,且各梁断面尺寸及配筋情况基本相同,因此本次分析只给出最控制的横梁的内力分布。控制截面见图4,计算结果见表1、表2。

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表2 强度计算结果

(2)边墙及承台

计算简图见图5,计算结果见表3、表4。

图5 刚架纵向计算简图(立柱及承台)

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表4 强度计算结果

(3)基础

桩基础采用“m”法进行计算,计算结果见表5、表6。

表5 承台顶内力计算结果

表6 桩基验算结果

从上述计算结果看横梁最不利情况发生在横梁与边墙连接处,边墙最不利情况发生在开孔最大处。

3.3 结构的刚度指标

由于本桥为 SRC结构,混凝土开裂后截面的刚度必然会明显降低,因此设计中在计算结构变形时,对相应的刚度进行了折减,按《型钢混凝土组合结构技术规范》[4]最大挠度应按荷载短期效应组合并考虑荷载长期效应组合影响的长期刚度进行计算,取其刚度折减值计算列车静活载产生的挠度值和温度引起的挠度值,按《暂行规定》[2]最不利组合为 0.004 6m,挠跨比为 1/2 739＜1/1 300,满足规范限值。

由列车活载作用下梁体扭转引起的轨面不平顺值最大为 0.7mm,满足规范限值。

由列车摇摆力、离心力、风力和温度力作用下的最大水平挠度为 0.0022m,挠跨比为 1/5 272＜1/4 000。满足规范要求。

3.4 地震力及结构动力分析

由于本结构位于 8度震区,应考虑地震力作用。结构的地震作用采用地震反映谱理论计算,利用 MIDAS软件对空间刚架进行地震力及动力特性分析,共计算顺桥向及横桥向两个方向,取其控制者,地震力计算结果见表1及表3。从表中计算结果看地震力引起的横梁及边墙内力不控制设计。

桥梁的固有频率是促使桥梁动力系数出现峰值的根本原因。峰值的出现意味着共振,桥梁将发生剧烈的振动,从而影响轨道的不平顺性及乘车的舒适性。本结构的前五阶自振频率如表7所示。

表7 结构自振特性

从表7的计算结果得出,结构第一阶竖向自振频率为 11.815Hz,满足《暂行规定》[2]的要求。同时在所有计算的高速客车和中速客车工况下,桥梁竖、横向振动加速度满足限值要求,列车的轮重减载率和脱轨系数小于限值,行车安全性满足要求,动车和拖车的竖、横向舒适度均满足要求。

4 结 语

高速铁路桥梁设计标准高,行车密度大,养护维修时间短,需要足够的抗弯、抗扭刚度,足够的稳定性和耐久性,对噪声、车桥振动方面的要求都高于普通桥梁。对于小角度跨越多条铁路(公路)的工点,主要体现在纵横向跨度大,一般大跨度结构不能满足要求。空间刚架结构与传统的桥梁结构相比具有跨越能力强、整体刚度大、结构稳定性、动力性能好并能充分发挥混凝土及钢材的各自特性及建筑高度低、桥跨布置容易等优点。因此,在交叉角度小、桥下净空要求受到限制,并且需要很大跨越能力时,采用空间刚架结构是合理的选择,具有一定的实用价值。

[1]铁道第三勘察设计院集团有限公司.京沪高速铁路北京特大桥跨西黄右线空间刚架施工图设计文件[Z].天津:2008.

[2]新建时速 300～350 km客运专线铁路设计暂行规定[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[3]TB 10002.3—2005,铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范[S].

[4]JGJ138—2001,型钢混凝土组合结构技术规程[S].