超百米高低墩连续刚构铁路桥设计

赖小刚

（中国中铁二院工程集团有限责任公司重庆400023）

超百米高低墩连续刚构铁路桥设计

赖小刚

（中国中铁二院工程集团有限责任公司重庆400023）

文章针对叙大铁路三槽湾特大桥主桥（68+128+68）的预应力混凝土连续刚构，介绍了墩高超百米的高低墩刚构桥设计，分析计算了高低墩大跨连续刚构桥的静力特性和主桥车桥动力响应，对解决高低墩大跨连续刚构桥设计时刚度差的问题，以及梁部应力对高低墩的应力分配问题作了合理的实践，对山区铁路高桥设计具有较高的参考价值。

铁路；高低主墩；高墩大跨；连续刚构；结构计算和动力仿真分析

1 概述

三槽湾特大桥位于叙永至大村铁路四川省古蔺县境内，上跨头道河，常年有水，测时水面宽大约12m，不通航，桥梁主要受地形控制设计。本桥位于R=800曲线和直线地段，主桥位于直线上，纵坡为平坡，单线。中心里程为DK47+450.7，孔跨式样为15×32预应力混凝土简支梁+(68+128+68)m预应力混凝土连续刚构+2×32预应力混凝土简支梁，全长882.88mm，桥高143m，最大墩高104m。桥墩采用矩形实体墩和钢筋混凝土矩形空心墩，T型桥台，桩基础。其主桥总体布置见图1。

图1 主桥总体布置图

桥区地震动峰值加速度值为0.05g，地震动反应谱特征周期值为0.35s，基本的地震烈度为Ⅵ度。

2 桥梁孔跨方案比选

本桥跨越山区河流，桥高143m，主跨采用128m连续刚构。

因两岸地形高差较大，如采用主墩等高设计，则17号主墩将位于陡壁处，施工极为困难。根据地质资料，本处陡壁为泥灰岩W 3，节理发育，承载力较低为0.40MPa，且整体性、稳定性都很差。由于17号墩承台尺寸较大，开挖后将在靠山侧形成高达35m以上的临空面，无法彻底解决本处岩性极差的高边坡防护问题，对主墩安全形成威胁。

经仔细研究、综合比选，决定将17号墩向大里程移动，避开陡壁。并在主跨采用高低墩搭配，16号墩高104m，17号墩高59m，很好的解决了主墩安全和陡壁开挖防护问题。

3 结构设计

3.1 主梁构造与节段划分

梁体截面为单箱单室、直腹板、变截面箱梁。边支座中心线至梁端0.7m，边支座横桥向中心距为5.7m;中跨中部18m梁段和边跨端部13.7m梁段为等高梁段，梁高为4.4m；主墩处梁高为8.8m，其余梁段梁高按二次抛物线方程为Y=4. 4+X2/591.136(m)(X=0～51m)变化;箱梁顶板宽8.1m，箱宽6.4m;顶板厚52cm,底板厚42～90cm,腹板厚40～70cm。梁体结构见图2。

图2 梁体结构图

全梁悬灌节段长度分为3.0m、3.5m、4.0m，全桥共分为69个节段。

3.2 预应力体系

梁体采用C55混凝土，考虑箱梁较高、较宽以及铁路活载大等因素，通过计算，在梁体纵向、竖向、横向均设预应力，纵向按全预应力结构设计。纵向采用12-7Φ5钢绞线，竖向采用? 25mm的PSB830预应力混凝土用螺纹钢筋，横向采用高强度低松弛4-7Φ5钢绞线。

3.3 下部结构设计

连续刚构主墩：16号、17号墩顺桥向宽度为8m，墩身纵向内外坡为1:0，壁厚1.3m，横桥向宽度为7.6m，墩顶以下0～59m墩身横向内坡均为1:40，外坡为1:20。16号主墩高达104m，为了控制横向刚度，在桥墩横桥向内、外坡在墩顶以下59m处设变坡：59m以下墩身横向内坡为1:60，外坡为1:15。

3.4 梁体结构计算和结果

将连续刚构按施工阶段和运营阶段分为62个阶段，对梁体内力、截面应力及变位按平面杆系进行有限元分析计算，共划分为82个节点，81个单元。在最不利荷载组合下，梁体主跨跨中最大正弯矩为61222kN-m,主跨支墩处最大负弯矩为261564kN-m。梁端最大支反力6525kN，最小支反力1294kN。运营阶段，箱体顶、底板最大压应力为12.8MPa，最小压应力为0.50MPa，截面均不出现拉应力；施工阶段最大压应力为11.0MPa。梁体跨中最大活载竖向挠度3.07cm（L/4169），边跨跨中最大活载竖向挠度0.85cm，均小于容许值。

3.5 主桥横向刚度计算

在主桥横向刚度计算中考虑了主桥刚构体系与32m简支梁的共同作用，承台和群桩基础换算为墩底等效刚度，按有限元法，采用M IDAS程序计算主桥整体自振特性，其横向第一振型自振周期T1＝1.538秒，主墩墩顶最大纵向位移3.18cm；连续刚构梁横向位移按列车横向摇摆力和横向风力分别计算，横向风力控制，主跨跨中最大横向位移1.91cm，墩顶最大横向位移1.47cm，均小于容许值。

3.6 主桥车桥耦合动力仿真分析

一般情况下，连续刚构的主桥墩设计为基本相同的墩高，本桥16号、17号两个主墩高差达45m，刚度分配会有差异。因此对主桥进行了详细的车桥耦合动力仿真分析。

根据车桥耦合振动分析理论，运用桥梁结构动力分析程序BDAPV2.0，针对主桥（68+128+68）m连续刚构桥，采用空间有限元建立全桥动力分析模型，对桥梁的空间自振特性进行了计算；同时，对该桥梁方案在普通旅客列车和C70货车作用下的车桥空间耦合振动进行了分析。研究表明：

(1)主桥(68+128+68)m连续刚构的1阶横向和竖向频率分别为0.644Hz、0.566 Hz，振型图见图3、图4。

图3 第1阶反对称竖弯+纵漂f=0.566 Hz（立面图）

图4 第2阶横弯f=0.644 Hz（俯视图）

(2)在普通旅客列车以速度60～100 km/h运行时，主跨跨中竖向和横向振动位移最大值分别为9.292mm、2.801mm，主跨跨中竖向和横向振动加速度最大值分别为0.140m/s2和0.088 m/s2；墩顶横向位移和加速度最大值分别为2.843mm和0.093m/s2。

在C70货车组以速度50～80 km/h运行时，主跨跨中竖向和横向振动位移最大值分别为26.412mm、1.198mm，主跨跨中竖向和横向振动加速度最大值分别为0.537m/s2和0.125m/s2；墩顶横向位移和加速度最大值分别为1.479mm和0.162m/s2。

可见，在上述列车作用下，大桥(68+128+68)m连续刚构的竖向振动位移和加速度均较小，满足规范的要求。桥梁横向振动位移和加速度以及桥墩横向振动加速度均小于规范规定的限值，说明桥梁的动力性能良好。

(3)在普通旅客列车以速度60～100km/h范围以及C70货车组以速度50～80km/h范围通过主桥时，机车（重车）与车辆（空车）的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标均在限值以内，保证了列车的行车安全。

(4)在普通旅客列车以速度60～100km/h范围通过大桥时，竖向和横向舒适性均达到“优”。在C70车组以速度50～80km/h范围通过大桥时，竖向和横向平稳性均达到“优”或“良”。

4 结语

随着西部大开发的推进，西南地区近年来铁路建设发展迅速。由于西南山区地形起伏较大，在铁路建设过程中必然会跨越崇山峻岭和幽深峡谷，高墩、大跨度连续刚构桥梁越来越多。以往的大跨度连续刚构桥设计时，为了把应力尽量平均分配到各墩，各个主墩的刚度不会相差太大，因此主墩基本等高或高差较小。但是在遇到主墩必须采用高差较大的高低墩时，对桥梁的空间自振特性和行车舒适度没有较多的分析研究。本文对三槽湾特大桥——具有代表性西南山区高低墩铁路桥梁的孔跨方案比选、预应力混凝土连续刚构及下部结构设计进行了阐述分析，得出主要结论如下：

（1）当大跨度连续刚构桥的桥墩高度均大于50m时，由于梁部和桥墩的刚度差较小，梁部由于温度和混凝土收缩徐变等产生的应力，对高低墩的应力分配影响也较小。

（2）对主墩高差达45m的实际情况，采用高墩底部横坡放缓和增加空心墩壁厚的措施，以加大高墩下部刚度。根据主桥车桥耦合动力仿真分析，结果表明桥梁的空间自振特性和行车舒适度良好，证明设计是科学合理的。

本桥的设计完成对同类型桥梁的设计具有参考价值。

责任编辑：李 红

Design of Continuous Rigid-frame Railway Bridgesw ith Low Piersa Hundred PlusM eters High

Based on theprestressed concrete continuous rigid-frame of themain bridge（68+128+68）of Sancao Bay super large bridge over the Xuda railway,the author introduces the design of steelbridgew ith low piers a hundred plusmeters high and analyzes the static characteristics of such kind ofbridge and dynam ic responseofmain bridge.These can provide valuable references to solve the problem of stiffness difference in designing continuous rigid-frame bridgesw ith low piershigh and reasonably practice the beam stress thatdistributes the stress of low piers of a hundred plusmeters high.

railway;high low piers;high piersof largespan;continuous rigid-frame;structure calculation and dynamic simulation analysis

TU997

A

1671-9107（2012）05-0024-02

10.3969／j.issn.1671-9107.2012.05.024

2012-04-10

赖小刚（1975-），四川南部人，本科，工程师，从事桥梁设计工作。