高烈度地震区客运专线长联不对称预应力混凝土连续梁桥设计

刘洪占,刘爱乔,姚君芳

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142)

1 概述

津秦客运专线下坞蓟运河特大桥是设计时速350 km的双线高速铁路桥梁,线间距5 m,采用II型板式无砟轨道,设计活载为ZK活载。本桥位于八度震区,地震动峰值加速度Ag=0.2g。设计水位采用百年一遇洪水位。该桥主桥与既有津山线间距29 m,为满足通航排洪和与既有京山铁路对孔的要求而设,采用(40+64+80+80+48) m非对称无砟轨道预应力混凝土连续梁,主桥布置见图1。桥址处蓟运河宽280 m,线路与蓟运河成90°夹角,两岸堤上有立交道路。下坞蓟运河特大桥跨越蓟运河为83号～88号墩,平面位于缓和曲线和直线上,纵断面位于+6‰坡道上。

图1 全桥立面布置(单位:m)

本桥地基为以粉土、粉质黏土、粉砂、细砂为主。桥墩采用圆端形实体墩,中墩基础采用16根直径1.5 m钻孔灌注桩,桩长65～76 m,边墩基础采用12根直径1.25 m钻孔灌注桩,桩长52～56 m。

2 桥梁设计

2.1 孔跨布置和桥式方案确定

桥址下游约30.5 m处为既有京山铁路桥,既有铁路桥为3-80 m下承式钢桁梁及1-32 m中承式钢桁梁,为了与之对孔,减小对河道断面压缩,减小对河道行洪的影响,并于堤顶预留防汛抢险通道,确定孔跨为(40+64+80+80+48)m。考虑高速铁路要求结构具有刚度大、平顺性好,本桥桥墩不高,选择了技术成熟、施工安全方便的预应力混凝土连续梁结构体系。

2.2 梁部设计

2.2.1 非对称主梁构造

(40+64+80+80+48) m预应力混凝土连续梁采用单箱单室变高度箱形截面,桥面宽12 m,箱宽6.7 m,顶板厚0.4 m,梁端局部为0.65 m；80 m中跨中支点梁高7.05 m,跨中梁高4.25 m,梁高按二次抛物线变化,底板厚度0.6～1.0 m,腹板厚0.6～1.0 m；64 m中跨中支点梁高6.65 m,跨中梁高4.25 m,梁高按二次抛物线变化,底板厚度0.6～1.0 m,腹板厚0.8～1.0 m；40 m边跨边支点梁高3.05 m,底板厚度0.6～1.0 m,腹板厚0.8～1.0 m；48 m边跨边支点梁高4.25 m,底板厚度0.6～1.0 m,腹板厚0.6～1.0 m。

(40+64+80+80+48)m预应力混凝土连续梁跨度不对称,划分施工节段也是非对称,85号墩一侧为64 m跨,一侧为80 m跨,悬臂施工长度不对称。为了保证结构受力和变形满足高速铁路无砟轨道的要求,80 m跨按结构受力和构造拟定截面尺寸,考虑尽量减小悬臂施工支点不平衡弯矩和成桥运营受力合理,加厚了40 m边跨和64 m跨中底板和腹板厚度,较80 m跨中底板和腹板增加0.2 m,并且在64 m跨跨中箱内底板顶浇筑厚0.75 m,长14.4 m的混凝土压重。结构线形64 m跨和80 m跨中支点和跨中截面见图2。由于节段数的不对称,在施工顺序上进行了调整,先合龙64 m跨,然后再挂篮悬浇80 m跨不平衡段。合龙顺序为：先边孔,后次中孔,最后中孔。

图2 箱梁横断面(单位：cm)

2.2.2 主梁预应力

梁体采用三向预应力体系,纵向预应力束全桥分别采用7-7φ5 mm、15-7φ5 mm、15-7φ5 mm和19-7φ5 mm 4种钢绞线, M15-7～M15-19型锚具。张拉控制应力为1 230～1 315 MPa。由于跨度非对称,预应力筋也会产生不对称的问题。悬浇的过程中悬臂两端分段数目不一致,小跨侧先合龙,大跨一侧多余的节段悬浇时,顶板、腹板的预应力束需要在小跨侧寻找锚固位置。本设计在小跨侧接近合龙段处,预留顶板、腹板齿块作为不对称顶板、腹板筋张拉位置。

梁体顶板横向预应力采用4-7φ5 mm钢绞线,锚下张拉控制应力为1 302 MPa,采用扁形锚具锚固,在箱梁两侧交替单端张拉。每一节段的纵向钢束张拉完成后,自节段根部开始顺序张拉横向钢束。横向预应力筋张拉时应注意梁段相接处的张拉次序,每一节段伸臂端侧最后一个横向预应力筋在下一节段横向预应力筋张拉时进行张拉,防止由于节段接缝两侧横向压缩不同引起开裂。

竖向预应力筋采用φ25 mm高强精轧螺纹钢筋,型号为JL830,其抗拉极限强度为1 030 MPa,锚下张拉控制应力为735 MPa,一端张拉。每一节段的纵、横向钢束张拉完毕后,立即进行竖向预应力粗钢筋的张拉。横隔板预应力筋,在其所处的节段一并张拉完成。

2.2.3 抗震型阻尼器及支座

(40+64+80+80+48) m预应力混凝土连续梁联长达313.5 m,属于长联连续梁,而且蓟运河特大桥桥址位于地震动峰值加速为0.2g的Ⅷ度震区,全联梁的水平地震力很大,若完全由固定支座或固定墩承受,按照传统的结构设计主要靠加大结构构件截面尺寸、增加配筋等提高结构刚度和强度来满足设防要求,这种作法会增加投资,影响美观和使用功能。本桥由于靠近既有津山铁路,为了减小结构尺寸,降低投资及对既有线运营影响,在高速铁路桥梁首次应用阻尼器(图3),将地震力均匀的分配到各中墩,通过阻尼器将各个中墩与连续梁连接,在地震力时,由阻尼器将地震力传到各中墩,各中墩共同承受地震力。阻尼器要求必须具备3个特性：①在装置两端输入相对速度时,锁定装置应在拉压双向提供输出力；装置输出力变化仅由速度而改变,而与初始位置无关；②装置应设计并具有在预期服役期内达到免维护要求；③装置应设计并提供最小6.35 mm的可调长度。

图3 阻尼器构造及安装

锁定装置的内部构造应采用免维护设计方式；贮油器、外部管件或液体水准指示器不允许使用。装置结构为非拉杆式压力容器构造,无外部支撑头或端部盖板；焊接构造或任何形式的铸造件均不允许应用到压力容器构造。压力容器和密封应达到最小20 000 psi的爆破压强。在需要重新修复前,装置应保证在最大地震力作用下至少可以进行重新使用。采用的阻尼器参数见表1。

表1 采用的阻尼器参数

注：设计使用年限75/50,表示密封装置设计年限为50年,其他部位设计年限为75年。

支座均采用铁路桥梁大吨位LXQZ型球型钢支座,边跨支座中心线距离梁端纵向距离为0.75 m,每个支点设2个支座,各支座参数见表2。

表2 支座参数表

2.3 下部结构设计

本联连续梁桥墩均采用双线连续梁圆端型桥墩。顶帽及墩身采用C35钢筋混凝土。支承垫石采用C40钢筋混凝土。桥墩基础均采用钻孔灌注桩基础。

3 计算分析

3.1 纵向计算

上部结构静力分析采用“桥梁结构分析系统BSAS4.23”及“桥梁博士3.2”2套程序相互校核,根据实际施工步骤及加载程序建立分析模型。

箱梁内力计算主要考虑了下列各种荷载：施工荷载、恒载、活载、基础沉降、温度力、混凝土收缩徐变、预应力、结构体系转换所产生的二次力等,并考虑处于下坡端83号～86号墩之间自重及梁体纵向伸缩产生水平力的影响。

二期恒载包括钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆垫层、混凝土基座等线路设备重,以及防水层、保护层、人行道栏杆、防护墙、电缆槽盖板及竖墙等附属设施重。二期恒载采用113.7～123.1 kN/m。

挂篮施工荷载按700 kN考虑；温度荷载按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB 10002.3—2005)附录B规定进行取值,基础不均匀沉降取10 mm。

活载采用ZK活载,同时检算架桥机和运梁车荷载。

本结构按运营10年来考虑混凝土收缩徐变影响。

主梁纵向按全预应力构件设计,荷载组合分别以主力、主力+附加力进行组合,取最不利组合进行设计,计算成果见表3,静活载挠度见表4。

表3 计算结果

表4 静活载挠度

高速铁路无砟轨道连续梁要求铺设无砟轨道后,无砟桥面的残余徐变上拱值小于10 mm控制。由于中跨结构不对称,导致小跨64 m跨中徐变上拱,为了控制上拱度,设计考虑了设置临时压重、增加截面尺寸、增加壁厚等多种方案。综合考虑施工便利,运营养护及高速行车振动,经过计算,最终确定采用增加64 m跨腹板和底板厚度的措施,解决了徐变控制,理论计算残余徐变值见表5。

表5 梁体竖向残余变形

图4 地震反应谱分析模型

本桥为8度震区(动峰值加速度0.2g),采用midas程序建立全桥有限元分析模型(图4),采用安评反应谱进行抗震计算,对梁、墩及基础进行抗震检算,满足“小震不坏,大震不倒”的设防要求。

3.2 横向计算

横向预应力可加强桥梁的横向联系,增加悬臂板的抗弯能力。箱梁的横向作为被支承在主梁腹板中心线下缘的箱形框架进行设计,计算时沿顺桥向取单位长度为1 m,考虑各种不同的布载情况进行计算。本桥取具有代表性的横截面即支点截面、跨中截面、1/4跨截面进行计算,将各种荷载引起的支反力作为恒荷载平均施加在腹板位置,以保证此模型支反力基本为零。列车荷载在其实际作用范围按最不利加载。

由于此结构为外部静定结构,均匀温度变化不会产生内力,温度应力沿单元截面呈直线变化,按升、降温分别考虑。

4 结语

预应力混凝土连续梁桥,是大跨径桥梁的主要桥型之一,具有可靠的强度、刚度以及抗裂性能。本桥主桥(40+64+80+80+48) m预应力混凝土连续梁将大跨长联不对称结构应用于高速铁路无砟轨道桥梁,为了保证结构受力和变形,尽量减小悬臂施工支点不平衡弯矩和成桥运营受力合理,采取了加厚边跨底板与腹板厚度、设置混凝土压重的方法；为了将地震力均匀地分配到各中墩,在高速铁路桥梁上应用阻尼器,使各中墩共同承受地震力。本桥已经建成铺设无砟轨道,各项指标均满足设计要求,为今后高速铁路长联大跨度非对称连续梁设计提供了参考借鉴作用。

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