兰州至中川城际铁路西固黄河特大桥设计

王小民

(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

西固黄河特大桥位于兰州市西固区，为新建兰州至中川城际铁路的重点控制性工程，桥梁全长5 837.92 m，最大墩高37 m。该桥主桥采用了(80+120+120+80)m预应力混凝土双线连续刚构，主桥为跨越黄河而设，本桥位于R=800 m的圆曲线及缓和曲线上，是同类桥梁中目前国内最大跨的铁路桥梁。主桥立面布置见图1。

图1 连续刚构立面布置(单位:m)

2 主桥结构设计

2.1 主要设计技术标准

设计活载:双线铁路，中—活载。有砟轨道。设计行车速度160 km/h。基础不均匀沉降按2 cm计。体系温度:按当地气象资料整体升温按30℃，降温按25℃(不包括混凝土收缩影响)。桥址地区地震基本烈度8度。地震动峰值加速度0.238g，动反应谱特征周期为0.45 s。

2.2 主梁构造

主梁为预应力混凝土结构，箱梁采用单箱单室、变高度、变截面结构，箱梁顶宽11.4 m，底宽6.7 m。箱梁计算跨度(80+2×120+80)m，梁全长401.5 m。箱梁梁底下缘按2.0次抛物线变化，抛物线方程y=0.001 68x2，中支点处梁高8.8 m，跨中及梁端26.25 m直线段梁高为4.6 m，边支座中心线至梁端0.75 m。箱梁顶板厚0.40～0.65 m，底板厚0.5～1.2 m，腹板厚0.5～1.0 m。箱梁在支点、刚构墩顶及主跨跨中处设置横隔墙，其中刚构墩顶处厚2.2 m，边支点处厚1.45 m，跨中处厚0.8 m，横隔墙上设置过人洞，供检查人员通过。箱梁悬臂端部厚 0.25 m，根部厚0.65 m，顶板边腹板处设有0.9 m×0.3 m梗胁，底板边腹板、中腹板处均设有0.6 m×0.3 m梗胁，箱梁腹板设有内径0.1 m通风孔，顶底板均设有泄水孔，顶面按两侧排水设计。箱梁横断面见图2。

2.3 主梁预应力体系

图2 连续刚构箱梁横断面(单位:cm)

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、横向采用预应力钢绞线，竖向采用预应力混凝土用螺纹钢筋。

纵向钢束主要采用15φs15.2 mm及19φs15.2 mm钢绞线，分别采用M15-15/19夹片式锚具锚固;所有钢束均采用金属波纹管成孔，内径分别为φ90 mm和φ100 mm，双端张拉。

横向钢束:均采用4φs15.2 mm钢绞线，70 mm×19 mm金属波纹管，单端张拉，张拉端顺桥长方向交错布置。

竖向预应力:采用φ32精轧螺纹钢筋，JLM-32锚具锚固，内径φ50 mm金属波纹管。

2.4 下部结构

2.4.1 桥墩

本桥采用(80+2×120+80)m连续刚构，结构高度达47 m左右。其主墩(165#～167#)高分别为35.5，37和36 m，均采用上部双薄臂实体墩、下部菱形六边形实体墩的结构形式，上部单肢薄壁为2.2 m×9.0 m(纵×横)的矩形截面，双肢中心距6.0 m;横桥向迎水面设置3 m的圆弧倒角。边墩(164#，168#)采用圆端形空心放坡桥墩，顶帽4.8 m×10.6 m×0.6 m(圆端形截面);托盘及墩身亦采用圆端形，托盘高2.5 m，其上下截面分别为4.4 m×10.2 m和4.4 m×8.8 m;墩身尺寸为4.4 m ×8.8 m，壁厚0.7 m，外坡45∶1，内坡75∶1，墩底设3.0 m的过渡实体段，墩壁四周交错设置通风孔。墩顶实体段与空心段采用倒角过渡，纵、横向均为60 cm×200 cm;基顶实体段与空心段采用倒角过渡，纵、横向均为 100 cm ×300 cm。164#墩、168#墩主桥两侧分别接32，24 m简支T梁，纵向分别设有45，50 cm的预偏心。

2.4.2 承台及桩基

主墩承台19.2 m×19.2 m×5 m，采用 16根φ2.0 m的桩基，165#～167#墩桩长分别为 54，56和54 m。边墩承台10.6 m×14.6 m×4.0 m，采用12根φ1.5 m 的桩基，164#，168#墩桩长分别为 32，31 m。

2.5 施工方法

梁部采用轻型挂篮分段悬臂浇筑施工。即先在主墩上搭设托架，在拖架上立模浇筑0#块，将0#块与各临时墩固结，而后向两侧顺序浇筑各梁段，形成2个T构，再合龙中跨。搭设边跨现浇支架，浇筑边跨现浇段，安装边跨永久支座，边跨合龙，完成全部连续刚构施工。

3 主桥结构计算

3.1 纵向计算

全桥纵向计算采用BSAS程序进行。计算中恒载考虑了结构自重、预加应力、混凝土收缩徐变、基础不均匀沉降;附加力考虑了温度、支座摩阻、制动力等因素的影响，其中温度影响除考虑体系升降温外，还考虑了箱梁日照影响。活荷载按铁路中—活载计算。对于施工全过程则按双壁墩施工→箱梁0#节段施工→各节段对称悬浇施工→中跨合龙→边跨合龙→桥面施工等施工步骤划分为多种工况，作分析计算。

箱梁计算结果如表1所示。

该刚构桥的各项计算指标满足设计要求。

3.2 横向计算

箱梁横向计算时将箱梁横向简化成带刚性支承的框架结构，支点在两腹板下，按《桥规》要求计算桥梁纵向活载影响分布宽度，换算成每延米的集中荷载作用在框架顶板上。计算荷载包括恒载、活载、温度变化等作用。根据梁体截面的横向计算确定梁体普通钢筋的配筋。

3.3 主桥自振特性

利用Midas建立的全桥模型进行动力分析，可以得到大桥的各阶振型及大桥的自振特性，用承台底6个自由度的弹簧刚度模拟桩土相互作用，这6个弹簧刚度是竖向刚度、顺桥向和横桥向的抗推刚度、绕竖轴的抗扭刚度和绕两个水平轴的抗弯刚度，它们的刚度用“m”计算，方法与静力计算相同。连续刚构计算模型见图3。表2仅列出前6阶频率及振型。

图3 连续刚构计算模型三维视图

表1 主梁主要计算结果

表2 实际桥梁结构自振特性

由计算结果分析可知，本桥第一阶振型为全桥纵向振动，反映了桥梁在纵向较柔，不仅对抗震有利，且改进了墩梁的受力状况。

3.4 主桥抗震分析

本连续刚构桥是位于高地震烈度区的大跨高墩铁路梁桥，地震动峰值加速度为0.238g。对刚构墩墩身进行了罕遇地震下的时程分析内力与反应谱法内力检算，并且考虑重要性系数1.4。通过荷载组合计算，其墩身截面配筋满足抗震设计要求。

4 结论

1)西固黄河特大桥在设计阶段通过大量参数分析，综合比较梁宽、墩型、墩宽及桩的布置对结构的影响，从而确定了最优的构造尺寸，节省了工程量，具有较好的经济性能。

2)由于墩梁固结，主墩纵横向刚度不仅影响着墩顶位移及墩身截面强度而且对主梁内力变化影响很大(主墩与主梁的相对刚度决定了主梁的内力分布，主墩的纵向刚度越大主梁受力越不合理)，因此确定合理的主墩构造尺寸是设计成败的关键。本桥采用双壁墩在保证了结构横向刚度的前提下降低了结构纵向刚度，有效地改善了结构受力性能，使桥梁更轻盈美观。

3)分析计算表明，西固黄河特大桥在各种不利荷载作用下能够满足安全使用要求，同时结构具有足够的横向刚度和良好的行车舒适性，以及较好的动力性能与抗震性能。

4)西固黄河特大桥是新建兰州至中川城际铁路的重点控制性工程，是同类桥梁中目前国内最大跨的铁路桥梁。通过本桥的设计修建，为今后大跨度铁路预应力结构的设计提供了有益的经验。

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