兰渝线洛塘河车站特大桥设计

2014-05-04陈刚

铁道建筑 2014年4期

陈刚

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

1 工程概况

兰渝铁路设计标准为国铁Ⅰ级，旅客列车速度目标值为200 km/h。洛塘河车站特大桥位于洛塘河车站内，为四线铁路桥，桥上设正线两条、到发线两条，线间距5.3 m，全桥位于直线上。

桥址处地震峰值加速度为0.3g(八度区)。年平均气温14.6℃，极端最高气温38.6℃，极端最低气温－8.6℃。桥址位于自然坡率为40°～60°的单面山坡上，坡脚下即为省道206，省道下临深约30 m的洛塘河;山坡上分布有与线路相交的两个较大冲沟，沟内常年流水，散布有大量漂石，漂石直径达2～5 m。桥址部分段落分布有错落体，岩石有挤压破碎现象，呈碎块状，风化严重，如果有挠动，错落体沿倾向公路的节理有向下错动的迹象。山体基岩卸荷节理及裂隙发育，节理将岩体切割成大块状，多数与山体结合力差，部分段落有危石分布。桥位处陡坡挂线，横向地形控制设计。重庆台侧坡陡沟深，为使桥台防护锥体稳定，桥台宜设置于挖方段内，这也是制约桥梁跨度的重要因素之一。

主桥处线路为四线，由于墩台及基础尺寸较大，山体陡峻，施工对既有山体破坏较大，并结合桥位处特殊的地形(跨越两条大的冲沟且有大量巨石分布、纵横向地势较陡等)、地质(错落体分布、节理发育等)、施工(交通不便、场地较小)等条件，主桥采用了四线(68+3×120+68)m预应力混凝土连续梁方案，主桥按两幅双线桥并置设计，内侧不设人行道(桥梁总宽22.56 m)，共用基础、墩台。引桥部分采用24，32 m简支梁。主桥总体布置见图1。

图1 主桥总体布置(单位:cm)

2 主要技术标准

1)设计标准:客货共线Ⅰ级铁路。

2)设计速度目标值:旅客列车200 km/h，货物列车120 km/h。

3)正线数目:双线。

4)轨道形式:有砟无缝线路。

5)设计活载:中—活载。

3 主桥及引桥结构设计

3.1 主桥构造、梁段划分

单幅梁采用单箱单室直腹板、变高度变截面箱梁，边支点及跨中梁高5.5 m，中支点梁高9.5 m，梁底变化段曲线采用二次抛物线。一幅箱梁顶宽11.21 m，底宽6.40 m。顶板厚0.45～0.60 m，底板厚0.48～1.10 m，腹板厚0.5～1.10 m。中支座中心横向间距5.3 m，边支座中心横向间距5.3 m，全联在中支点和边支点处及跨中设置9道横隔板，横隔板均设置过人洞，中支点处的横隔梁厚3.0 m，边支点处的横隔梁厚1.6 m，跨中横隔板厚0.8 m。断面见图2。

图2 主桥单幅箱梁断面(单位:cm)

主桥采用挂篮悬臂浇筑施工，梁段按各节段重量相差不宜过大、施工条件等共划分为18种，全桥170个梁段。0号梁段长9 m，1～3号梁段长2.5 m，4～6号梁段长3.0 m，7～10号梁段长3.5 m，11～16号梁段长4.0 m，17号梁段为合龙段，梁段长2.0 m，18号梁段为边支点现浇段，梁段长7.8 m。其中采用挂篮施工的最重梁段为1号梁段，重约1 900 kN。

3.2 主桥预应力体系

梁体设计为纵、横、竖三向预应力体系，纵向按全预应力构件设计。纵、横向预应力筋采用抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，弹性模量 Ep=195 GPa，公称直径为15.2 mm的高强度钢绞线;竖向采用φ25 mm预应力混凝土用PSB830螺纹钢筋。由于本桥先施工左幅桥，后施工的右幅桥为满足横向预应力束张拉的要求，在内侧顶板端头各束设0.28 m×0.60 m的槽口，张拉时选用前卡式小千斤顶逐根张拉。

3.3 主桥纵向静力计算

预应力混凝土连续梁结构的静力计算主要有:施工阶段检算;运营阶段预应力混凝土主梁的应力、强度及抗裂性计算，支座反力和支座伸缩量计算，主梁的变形、变位及梁端转角计算等。将主梁划分为170个单元进行平面有限元分析，并对施工、运营共62个阶段进行了模拟计算。由于高速铁路桥梁对主梁工后残余徐变有较高要求，故设计中需优化钢束布置，减少钢束用量;另外尽量减小恒载作用下梁体上下缘的应力差，使梁体受力均匀。

计算中主要考虑了结构自重、二期恒载、预应力、混凝土收缩徐变、列车荷载、动力荷载、摇摆力、离心力、制动力、温度力等。

本桥为多跨连续梁，合龙顺序对桥梁结构受力有较大影响。通过不同梁高、不同合龙顺序(中跨—次中跨—边跨、边跨—次中跨—中跨、中跨—边跨—次中跨)的比较，确定了合理梁高和“中跨—次中跨—边跨”的合龙顺序。同时需要注意由于合龙顺序不同对桥梁施工过程的受力影响也不同，本桥采用先合龙中跨的方案。主梁结构验算结果见表1。

表1 主梁结构主要检算结果

竖向静活载作用下位移:边跨竖向最大位移14.9 mm，为跨度的 1/4564，中跨竖向最大位移－54.8 mm，为跨度的1/2190。

梁端转角:控制值 θ≤3×10－3rad，计算结果为θ=0.63 ×10－3rad。

3.4 主桥横向计算

主桥纵梁横向计算模型简化为两点支承的框架，按刚性支撑计算。纵向计算长度按一个轮对的荷载在桥面板上的有效分布宽度取值，其荷载工况按日照、寒潮两种模式考虑。

3.5 引桥梁体设计及结构分析

引桥非岔区采用部颁“通桥(2005)2201”T梁，计算跨度为24，32 m。引桥道岔区，采用了计算跨度为24 m及32 m简支道岔梁(截面为多片组合T梁)。边梁尺寸同“通桥(2005)2201”，中梁顶宽1.36 m;根据横向不同的活载布载工况对梁体进行检算，其中活载横向分配系数采用修正刚性横梁法计算。经检算边梁可采用通用图布束;中梁根据检算情况配束。梁跨纵向布置时，岔跟、岔端到梁缝的距离需满足轨道专业的要求。与非岔区简支梁T梁相比，相同线间距情况下主梁片数增加，提高了主梁抗弯、抗扭刚度，使主梁的变形满足岔区桥梁的要求。车站5.3 m线间距段落引桥横断面布置见图3，32 m中梁验算结果见表2。

图3 引桥横断面布置(车站5.3 m线间距段落，单位:mm)

表2 岔区中梁主要检算结果

4 桥墩、基础设计

4.1 主桥桥墩、基础设计

主桥墩身采用四线矩形实体墩(墩身横向宽18.5 m)，双幅桥共用，基础采用2.0 m不等长挖孔桩基础。

桥墩顶帽直接支承桥跨结构，为将上部结构的力均匀地传递给墩身，顶帽必须有足够的厚度，并配足够的钢筋。由于本桥两幅桥共用一个桥墩，中支点处顶帽承受较大的荷载，为确定中墩顶帽厚度和配筋，采用Midas软件建立顶帽实体模型进行分析。顶帽主力作用下最大拉应力在两支承垫石之间。按偏心受拉构件计算，顶帽横向每延米需配10根φ25 mm的HRB335钢筋。

4.2 引桥桥墩、基础设计

引桥段落位于横向斜坡上，为减少施工对山体的破坏，采用四线双柱式桥墩，每个墩柱底设大直径矩形挖孔桩。墩身为矩形截面(墩顶截面尺寸3 m×4 m)，墩身横向不放坡，纵向由于刚度控制设42∶1的坡度;盖梁横向宽20.9 m，纵向宽3 m，跨中梁高3.1 m。由于基础桩径达4 m以上且两侧墩柱不等高(图4)，较小尺寸桩及两侧等高柱身的桥墩受力特点不同。故采用空间梁单元建立墩身整体模型进行分析，桩身纵向及横向考虑土侧抗力(采用土弹簧模拟，弹簧刚度=土层厚度×桩计算宽度×土层地基比例系数×土层深度)，桩底嵌入弱风化板岩2 m处固结。经计算比较，当外侧墩身高度超过14 m时，两墩柱间设一道横梁(截面2.5 m×2.5 m)，可提高结构的整体性和抵抗横向水平荷载的能力。

图4 引桥双柱墩横断面(单位:cm)

5 抗震分析

本桥采用反应谱法利用结构分析软件Midas进行抗震分析，地震输入方向分纵、横向分别计算。主桥按一联连续结构建立空间全桥模型:梁、墩、承台采用空间梁单元模拟;考虑桩—土—结构耦合作用;主桥与墩身之间采用主从约束方式，按活动墩和固定墩约束相应的自由度;二期恒载作为非结构质量施加于桥面;活载按桥上有车、无车分情况考虑，顺桥向不计活载引起的地震力，横桥向按列车活载的50%计。经分析纵向地震作用下，梁部纵向地震力主要由固定墩承担，故固定墩墩身尺寸、墩身及桩基配筋均相应加大;横向地震作用下，主墩受力相差不大;由于结构横向抗弯刚度较大，第一阶模态质量所占的比重较大。

6 动力特性

由于本桥为高墩、大跨、长联、多线车站桥，故对全桥做了车桥耦合动力仿真分析。按列车—线路—桥梁空间耦合振动分析模型进行分析，包括车辆计算模型、轨道计算模型和桥梁计算模型，分别建立桥梁、轨道和车辆的运动方程，以轮轨关系、线桥关系为联系纽带，运用数值仿真方法来求解车线桥系统的动力响应，评价其行车安全性。经分析桥梁几种典型的振型如图5所示。在不同车组作用下，梁的竖向和横向最大振动位移分别为22.1 mm和0.551 mm，墩顶横向最大振动位移为0.335 mm，相应的振动加速度也小于规范限值，桥梁振动性能良好。列车行车安全性、舒适性及平稳性均满足要求。

图5 第1～4阶振型

7 防护设计

该桥整体处在车站范围，线路选线受地形、地质等条件限制，桥位处陡坡挂线，横向地形控制设计，故桥梁基础施工是本桥的难点之一。设计中采用了“下挡上防”的综合防护体系，即在坡脚下方紧邻公路侧设重力式坡脚挡墙;基顶以上山坡侧根据地质、地形条件采用抗滑桩、锚杆(表层设主动防护网)等防护措施;基坑开挖设钢筋混凝土护壁。为保证施工安全，待坡脚及山坡侧挡护结构施工完毕后再进行桥梁下部结构的施工。刷方段横向防护示意如图6。