闽江特大桥高墩大跨刚构连续桥设计

章开东

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

1 工程概况

闽江特大桥位于福建省南平市延平区境内。桥位处跨越峰福铁路，闽江和朱熹路；桥梁与峰福铁路夹角为85°，与朱熹路夹角114°，与闽江夹角112°。桥址上游流域面积42 320 km2，设计洪水频率为1/100，设计流量为33 200 m3/s，设计水位为73.87 m，设计流速为3.3 m/s。

桥位所在河段规划为IV级航道，2×500 t级顶推船队作为闽江干流通航船型，最高通航水位为69.02 m，最低通航水位为57.02 m。为了满足单孔双向通航150 m的要求，闽江特大桥主桥孔跨采用（118+216+138+83）m双线刚构连续梁。

经地质钻探，桥址区的岩土层主要有：第四系人工填土层、第四系全新统冲洪积层卵石土、第四系残坡积层粉质黏土、燕山早期第二次侵入花岗闪长岩构成。综合分析，地基稳定性较好。

闽江特大桥为Ⅰ级双线铁路有碴轨道桥，客货共线，列车设计行车速度为200 km/h。孔跨布置为:（1×32+2×24+7×32）m单线简支T梁+（2×32+2×24+2×32）m双线简支 T梁 +1×（118+216+138+83）m双线刚构连续梁。主桥位于直线上，线间距为4.4 m，主桥位于平坡上，见图1所示。

图1 主桥孔跨布置图

2 刚构连续梁上部结构设计

2.1 主要计算参数

（1）线路等级：200 km/h双线有砟轨道。

（2）设计活载：中活载。

（3）体系温差：升温25℃，降温20℃。

（4）日照温差：按规范不考虑沿梁高方向的温差荷载[1,2]。

（5）支座不均匀沉降：2mm。

2.2 主梁构造

主梁采用（118.85+216+138+83.85）m预应力混凝土刚构连续梁，截面形式为单箱单室直腹板[3]梁体混凝土采用C55高性能混凝土[4]。梁高按圆曲线变化，中支点处梁高16.5 m（高跨比1/13.1）,边支点和跨中位置梁高7.5 m（高跨比1/28.8）。箱梁顶宽12.0 m，底宽9.2 m，箱梁底宽在边支点处局部加宽至10.2 m。主梁横截面见图2所示.

图2 主梁横截面图

2.3 主梁平面静力计算

将主桥的整个施工过程模拟为79个施工阶段，利用桥梁结构分析系统BSASV4.33，对结构在自重、预应力、临时施工荷载、活载、支座不均匀沉降等荷载工况下进行平面静力分析。按照最不利组合进行检算，主梁控制截面计算结果见表1所列。由表1可知，主梁各截面应力均能满足相关现行规范的要求。

表1 主梁控制截面计算结果一览表

利用“桥梁博士”软件建立单箱单室箱梁节段有限元模型，对箱梁在自重、二期荷载、特种荷载、温度变化、收缩徐变等荷载工况下，进行截面横向受力分析计算。计算结果表明，箱梁截面横向受力满足相关现行规范的要求。

2.4 主梁挠度、预拱度及支座预偏量

在活载作用下，主梁最大挠度值-61.62 mm，为跨度的1/3505.4

根据相关规范要求对主梁设置反向预拱度。反向预拱度值为恒载与1/2活载所产生的挠度之和。

为了补偿结构在温度变化、混凝土收缩、徐变及合龙后张拉钢束所引起的水平位移，各活动支座处均设置顺桥向水平预偏值。表2为合龙温度按16℃计算的支座安装预偏量，施工时应按实际合龙温度进行调整。

表2 支座安装预偏量一览表

3 刚构连续梁下部结构设计

刚构连续梁16号、19号桥墩采用圆端形空心桥墩，17号、18号墩采用双柱式矩形薄壁墩，1号～19号墩高为 61 m、64.5 m、64.5 m、53 m，龙岩台台高11 m。

17号、18号刚构墩采用双柱式矩形薄壁墩，纵向宽度2.5 m，墩底30 m范围内加宽至3.5 m，两柱中心距8.7 m。横向宽度11.2 m，在墩底4 m范围内渐变至14.2 m，双壁之间在距墩底15 m处设一道2.5 m×11.2 m的系梁。

刚构连续梁16号～19号墩、龙岩台均采用群桩基础，按柱桩设计，16号墩采用11×Φ2.0 m桩基础，17号、18号墩采用24×Φ2.5 m桩基础，19号墩采用10×Φ2.5 m桩基础，龙岩台采用1 2×Φ1.5 m桩基础，桩长10～18 m。桥墩及基础计算结果均满足相关现行设计规范要求。

4 刚构连续梁抗震设计

主桥按6度（设计地震Ag=0.05 g）设防进行抗震设计。利用有限元软件Midas Civil建立有限元模型，分别采用反应谱法和时程分析法计算结构的地震响应，计算工况见表3所列。

从目前的地震区刚构桥梁的破坏分析，对于双肢薄壁墩连续刚构来说，其最不利截面一般出现在墩顶、墩底截面。为此，重点分析了双肢薄壁墩墩顶、墩底截面的内力和位移。桥墩混凝土及钢筋应力水平均在规范允许范围内，计算结果见表4所列。

5 刚构连续梁车桥耦合动力响应分析

5.1 桥梁空间振动分析模型

对全桥所有构件及桩基础均采用空间梁单元建立空间振动分析模型[5,6]，桩基础采用m法考虑桩土共同作用。分析模型确定后，就可由动力学势能驻值原理及形成矩阵的“对号入座”法则，建立桥梁刚度、质量、阻尼等矩阵，模型见图3所示。

表3 抗震计算工况一览表

5.2 桥梁动力特性计算结果

根据桥梁空间振动分析模型，对其自振特性进行了计算与分析，前10阶自振频率及振型主要特点见表5所列。

5.3 车桥耦合动力响应分析结果

根据前述计算模型与计算原理，对闽江特大桥（118+216+138+83）m刚构连续梁桥分析模型分别计算了当2种车型（C70货车、CRH2客车）通过桥梁时的车桥系统空间动力响应。计算工况为：C70货车分别以车速60～140 k m/h，CRH2客车分别以车速120～240 km/h单线或双线对开通过桥梁。桥梁车桥耦合动力响应计算结果表明：在所有计算工况下，（1）桥梁动力响应均满足要求，各车的车体竖、横向振动加速度满足限值要求；（2）列车行车安全性满足要求；（3）货车的行车平稳性达到“良好”标准以上，客车的乘坐舒适度也均达到“良好”标准以上。

表4 关键截面内力表及计算结果一览表

图3 模型单元划分示意图

表5 前10阶自振频率及振型主要特点一览表

6 结语

高墩大跨刚构连续梁具有整体性好、梁缝少、支座少、纵向变形约束小、抗震性能好、轨道平顺度高等优点，有利于高速行车，是非常适合于200 km/h客货共线的一种桥梁结构形式，在国内广泛应用。闽江特大桥主桥刚构连续梁具有“高墩、大跨、长联”的特点。该桥的设计为今后高墩、大跨度铁路预应力刚构连续梁结构的设计积累了有益的经验，对同类桥梁设计有一定的参考价值。该桥16号、18号、1 9号主墩桩基已于2 0 1 5年2月完成，目前正在施工17号墩桩基和1 6号、18号、19号墩墩身部分，计划于2017年3月底完成梁部悬臂现浇施工。

[1]TB 10002.1-2005,铁路桥涵设计基本规范[S].

[2]TB 10002.3-2005,铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].

[3]冯鹏程.连续钢构桥设计关键技术问题的探讨[J].桥梁建设,2009,(4):46-49.

[4]TB 10005-2010,铁路混凝土结构耐久性设计规范[S].

[5]曾庆元，郭向荣.列车桥梁时变系统振动分析理论与应用[M].北京：中国铁道出版社,1999.

[6]方淑君,李德建,曾庆元.三线铁路预应力连续梁桥列车-桥梁时变系统空间振动分析[J].中南大学学报.