张唐铁路（64+64）m T型刚构设计分析

万亚华

（铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津市 300142）

1 项目背景及结构特点

新建张家口至唐山铁路工程全线共525 km，（64+64）m T型刚构共计6处，其中跨京哈铁路、大秦铁路两跨越点采用转体施工工艺（见图1）。T型刚构桥采用墩梁固结两端悬臂来实现跨越，具有悬臂法施工中保持体系平衡的特点。T型刚构在以下几种地形中与其他桥型相比具有一定的优势：（1）跨越V型冲沟、峡谷地形，简支梁因纵向刷坡要求及刚度差限制，已不能满足设计要求，而取T型刚构以代之。（2）跨越既有铁路（等级公路），为减少对既有线运营的影响，采用转体施工的T型刚构。相对连续梁而言，仅一主墩设置转盘，降低施工难度。（3）两隧道之间工点，因接口专业特殊要求必须设大跨，但为减少桥隧串接长度，T型刚构为更优桥式方案。

图1 全桥立面布置图（单位：cm）

张唐铁路T型刚构各工点刚臂墩墩高从9 m至40 m不等，分别采用了实体、空心桥墩两种形式，T型刚构的施工方法有悬臂浇筑法、转体施工法。

2 技术标准

线路等级：正线为双线、电化；设计速度目标值120 km/h。

设计活载：中-活载。

轨道类型：有砟轨道。

3 结构尺寸

3.1 梁部结构

张唐线（64+64）m T型刚构，梁部总长129.5 m。主梁采用单箱单室变高度箱形截面，边支点处梁高3.8 m，中支点处梁高7.4 m，梁高按二次抛物线变化。主梁顶板宽度为11.9 m，顶板厚0.45 m，中支点及边支点处局部加厚为0.95 m。主梁底板宽6.8 m，底板厚度按二次抛物线由0.45 m变化至0.95 m，中支点处局部底板厚1.5 m，边支点处局部加厚为0.95 m。主梁腹板采用直腹板，厚度由0.5 m按折线分两次变化至0.8m，边支点附近线性增加至1.0 m。主梁共设4道横隔板，边支点横隔板厚1.5 m共2个；中支点横隔板厚1.4 m共2个，均设置过人孔。

图2为端部截面图，图3为刚臂墩处截面图。

图2 端部截面图（单位：cm）

图3 刚臂墩处截面图（单位：cm）

3.2 桥墩结构

桥墩采用矩形截面，墩顶纵横向尺寸为7.0 m×8.0 m；桥墩横向尺寸按1∶20向下放坡，纵向尺寸采用直坡。根据工点墩高不同分实体、空心墩。空心墩桥墩壁厚1.4 m，在墩壁四周按4.0 m间距设置直径20 cm的通风孔。

4 结构分析计算

4.1 梁高的拟定及纵向计算

张唐线荷载标准为中-活载，拟定（64+64）m T型刚构的梁高时，参照其他项目不同荷载标准、相同跨度的T型刚构，如表1所列。

表1 梁高对比表（单位：cm）

对相同跨度T型刚构而言，中-活载的梁高应介于重载，ZK活载梁高之间。基于表1所列，对梁体进行不同高度检算。以张唐线遵化跨大秦铁路（64+64）m T型刚构为例，采用BSAS建立全桥平面模型对各施工阶段及运营阶段进行计算分析，T型刚构节点总数57，单元总数56,计算模型见图4所示。计算荷载包括：恒载（结构自重、二期恒载、混凝土收缩徐变、预应力、基础变位等）、活载（列车活载、摇摆力、牵引或制动力、钢轨力等）、附加力（风力、温度力）、特殊荷载（列车脱轨荷载、运架梁荷载、地震力等）。

图4 全桥平面有限元模型

为保证运营阶段截面上、下翼缘压应力有至少1 MPa储备，张唐线（64+64）m T型刚构在刚臂墩、支座处梁高分别取7.4 m、3.8 m。该结构尺寸下主梁在运营阶段理论计算结果如表2所列。

桥梁结构在静活载作用下的挠度结果如表3所列，满足结构的刚度及行车的舒适性要求。

4.2 桥墩结构形式的比选（见表4）

在拟定（64+64）m T型刚构刚臂桥墩时考虑以上三种情况。张唐T型刚构的刚臂墩墩高有两处位于18 m以下，均采用实体墩；其余工点的刚臂墩墩高均在36 m以上，均采用单箱空心墩。

4.3 关键技术研究

4.3.1 钢束及钢筋布置

T型刚构若简单采用短束、直线形布束，在截面较大情况下，极易产生应力盲区，以致产生斜裂缝；底板纵向钢束完全沿底板行走将导致较大的径向力，容易底板剥落。

表2 运营阶段主梁计算结果一览表

表3 静活载作用下的挠度一览表

表4 桥墩形式分析表

张唐线T型刚构钢束按如下原则进行布束：（1）顶板须保留有通长纵向钢束；（2）底板纵向钢束尽量靠近腹板布置并锚固；（3）相邻腹板束向下弯折区域应有相互重叠，以避免斜裂缝的产生；（4）在T型刚构刚臂墩墩顶附近，设置部分下弯束，提供一定预剪力；（5）在边跨现浇段布置纵向弯起束；（6）边跨现浇段与悬臂端相接处底板纵向钢束尽量靠近底板上缘布置，以增大截面抵抗钢束径向力的抗剪厚度；（7）竖向预应力钢筋尽可能布置在腹板中心线上，在0号块横隔板加厚段须进行竖向预应力钢筋加强布置，现浇段也设置竖向预应力钢筋。

T型刚构的钢筋布置除满足常规的设计外，还采取了以下一些措施：箱形截面采用大U形钢筋以增加箱梁的抗扭和稳定性；对于支座处设加强钢筋网；底板考虑径向力增设一定的防崩钢筋；对墩梁固结处底板设计纵、横向、倒角加强钢筋。

4.3.2 转体结构计算

张唐线（64+64）m T型刚构有两工点采取悬臂+转体施工工艺，对于转体施工的T型刚构而言，须在墩底与承台之间设转盘系统。转体结构由下转盘、球铰、上转盘、转体牵引系统组成。根据T型刚构转体前竖向力确定所需要转盘的球铰直径；根据球铰直径确定基础尺寸；拟定下转盘、球铰、上转盘尺寸并确定牵引力；对墩底、加台、上球铰之间固结系统进行局部分析，确定需要的预应力钢铰线数量，以确保上转盘全截面受压。

T型刚构转体结构局部分析借助于有限元midas-FEA软件,用实体单元模拟钢筋混凝土，钢筋单元模拟钢绞线。钢绞线型号、张拉控制应力如表5所列。

表5 转体结构局部分析参数表

通过对墩底、加台、上球铰所组成的固结系统进行计算局部分析。计算结果如下：

不加预应力情况下，（1）第一主应力：最大主压应力为7.32 MPa，分布于撑脚处；最大主拉应力为2.96 MPa，主要分布于球铰位置。（2）纵桥向混凝土最大拉应力为0.85 MPa，加台侧面为受拉状态；最大压应力为6.5 MPa，主要分布于撑脚位置。（3）横桥向混凝土最大拉应力为0.96 MPa，位于侧边及顶底面；最大压应力为9.17 MPa，主要位于撑脚位置。该情况下加台均为受拉状态.

加预应力情况下，（1）第一主应力：最大主压应力为7.1 MPa，分布于撑脚处，其余基本为全截面受压。最大主压应力为2.94 MPa，主要分布于球铰位置。（2）纵桥向混凝土最大拉应力为0.068 MPa，上转盘全截面均受压，最大压应力为6.62 MPa，主要分布于撑脚位置，球铰及锚固端约为2～4 MPa的压应力。（3）横桥向混凝土最大拉应力为0.068 MPa，最大压应力为9.76 MPa，主要分布于撑脚位置。该情况下除桥墩外各截面均为压应力，加台全截面均为受压截面。

其应力云图见图5～图7所示。

图5 主应力云图（预应力施加后）

图6 纵桥向应力云图（预应力施加后）

图7 横桥向应力云图（预应力施加后）

由以上计算结果可以看出：（1）没配预应力钢束时，纵、横向混凝土最大拉应力状态下，加台处截面出现拉应力。（2）配预应力钢束后，出现拉应力的仅限于桥墩位置；（3）配预应力钢束后，转盘纵横向正应力均为压应力（加台全截面受压），锚固区满足超过2 MPa的压应力。

通过对转体结构局部分析可知，上转盘（墩底加台处）纵、横向预应力钢束的设计是有必要的，合理的钢束配置能保证上转盘有一定压应力储备。下球铰安装聚四氟乙烯滑动片，可以将上球铰的反力传递给下球铰的集中分散到下转盘。对于球铰处受力较集中，在设计中增大钢板厚度及包裹面积以增加压应力安全储备。

4.3.3 曲线T型刚构转动中心偏心距E的确定

对处于曲线段的T型刚构，曲梁自重产生的不平衡荷载为横向不平衡力矩的影响因素。位于800 m半径圆曲线T型刚构，其横向偏心距达15.6 cm。因此须确保T型刚构重心为承台中心（也是转体施工的转动中心），T型刚构重心与桥墩中心有一个偏心距E。

（1）对于均处于圆曲线的T型刚构，可采用‘弯矩抵消法’。计算如下：

假设T型刚构梁体重为M，刚臂墩重为N，梁体有s个节段，每个节段重为mi,每一节段相对桥墩中心横向偏距为 li，i=(1,s)。

由以上公式可知，相同曲线半径T型刚构，墩高值越小，墩底偏心距越大。

（2）对于处于缓和曲线上T型刚构，可考虑采用文献［3］中“等效半径法”将缓和曲线等效成圆曲线，再采用“弯矩抵消法”计算偏距。

（3）对于处于缓和曲线及圆曲线上的T型刚构须采用实体建模以确定其偏距。

5 结语

本文结合张唐铁路T型刚构的设计，提出了中-活载标准下（64+64）m T型刚构设计的一些设计思路及设计要点。总结如下：（1）T型刚构作为施工阶段受力与结构使用状态下受力基本一致的桥型，在某些特殊地形桥式比选中应用具有一定的优势；（2）张唐线（64+64）m T型刚构能够满足铁路行车的安全与舒适性要求，桥梁在运营阶段的应力及挠度能满足相关规范的要求；（3）本文所提的钢束布置原则适用于其他跨度T型刚构，调束后尽量避免产生应力盲区；（4）对于采取转体施工的T型刚构，对转动结构须采取一定的措施，以避免出现拉应力或应力集中；（5）本文提出的‘弯矩抵消法’对处于曲线段的T型刚构具有广泛的适用性。

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