四线铁路桥2×108 m T形刚构减震措施研究

张 鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

四线铁路桥2×108 m T形刚构减震措施研究

张 鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

西平铁路田家窑2号大桥，是国内目前跨度最大的四线铁路T形刚构桥。该桥孔跨布置为2×108 m，桥长218.1 m，桥高68 m。本桥位于7度地震区，由唯一的桥墩承担结构的地震力。为减少地震力，通过有限元软件分析结构动力特性，最终采用“单墩多柱”桥墩，并在桥台设置减震阻尼的减震措施。理论分析、施工建造和验收过程表明，这些措施效果明显，能够满足规范要求。

铁路桥梁；T形刚构；单墩多柱；减震措施

1 工程概况

西安至平凉铁路为国铁Ⅰ级单线铁路，设计速度120 km/h，位于陕西省中西部和甘肃省东部，正线长度267 km。田家窑2号大桥位于蒿店车站内，该站为四线越行站，正线2条，到发线2条。

桥梁跨越90 m深的封候沟支沟，桥址处沟谷狭窄，岸坡高陡，自然坡角70°～90°，呈“V”形冲沟，无常年流水。桥址黄土具有自重湿陷性，冲沟岸坡陡峻，坡面溜塌、错落及滑坡等不良地质发育，极易剥蚀崩塌，加之沟心受季节性流水侵蚀，沟谷岸坡处于欠稳定状态。下部完整砂岩地层力学性质较好，地层较稳定，可做为基础持力层。桥址处地震动峰值加速度为0.1g，地震反应谱特性周期为0.45 s。

根据地形地质条件，为避开不良地形、地质的影响，减少对山体的刷方，保证边坡稳定，采用沟底设墩，两侧直接跨过黄土边坡的跨越方案。本桥孔跨布置为2×108 m T形刚构，梁部采用分幅双线梁并列布置的形式，桥长218.1 m，桥高68 m，平曲线半径1 200 m。主桥布置见图1。

图1 田家窑2号大桥立面布置(单位:cm)

2 结构概况

梁部为双幅刚构梁，联长218.1 m。梁体采用单箱单室变高度直腹板预应力混凝土箱梁，桥面为双向2%“人字坡”。梁端距边支座中心距离1.0 m，计算跨度为2×108 m。支点梁高11.5 m，跨中梁高4.6 m，梁体下缘按1.7次抛物线变化。箱梁上顶宽10.1 m，下底宽5.6 m。箱梁顶板厚除支点附近局部加厚外均采用0.4 m，底板厚0.5 m，在支点处线性过渡到1.1 m，腹板厚0.5 m，在支点处分段线性过渡到1.1 m。单幅梁体边支点处支座中心横向间距为3.9 m。

全桥在边支点、中支点共设置了4道横隔板，横隔板预留过人洞。其中中支点处横隔板贯通，将双幅桥可靠联结，以增强梁部的整体性。边支点处横隔板厚1.5 m，中支点每处横隔板厚2 m。

梁部构造见图2，半中支点、半梁端截面见图3。

图2 梁部构造(单位:cm)

图3 半中支点、半梁端横截面(单位:cm)

梁体采用挂篮悬灌浇筑施工，刚构中支点与桥墩固结。浇筑时以桥墩为中心，先浇筑0号段，然后两侧对称浇筑，浇筑时控制T构两端梁段混凝土方量，保障桥梁施工过程中的平衡与稳定。

桥墩墩高56 m，采用“单墩多柱”的结构形式，由4片薄壁柱组成，薄壁柱之间采用横梁和横向联系联接成整体。

3 桥墩的减震措施研究

3.1 “单墩多柱”的概念设计

本桥位于7度地震区，为四线桥，梁部质量较大。在地震荷载作用下，由唯一的桥墩承担梁部质量引起的较大的地震力[1-4]。按照常规抗震设计思想，为保证强度必须加大桥墩结构尺寸，这会导致桥墩刚度增大，反过来又增强了结构的地震力，造成恶性循环[5-7]。

为解决此种不利状况，应当借鉴减震设计的思路。桥墩采用“单墩多柱”的形式，将4个薄壁柱用横梁和横向联系联结，保证在常见荷载作用下桥墩有足够的刚度。当发生地震时，桥墩横梁和横向联接系首先进入塑性，耗散地震能量，同时桥墩刚度减小，降低了结构的地震响应[8-10]。这样既保障了薄壁柱不被破坏，又简化了震后横梁和横向联系的修复工作，解决了以往设计的桥墩进入塑性破坏后难以修复的难题。

另一方面，“单墩多柱”4个薄壁柱的结构形式，增加了梁部支点的间距，降低了梁部的弯矩，减少了梁部质量，也在一定程度上降低了地震力[11，12]。

3.2 设置横梁的效果研究

采用有限元软件Midas软件分析结构动力特性，全桥共划分为264个节点，267个梁单元，桩基础及桥台的边界条件按实际情况模拟。动力计算模型见图4。

图4 动力计算模型

在桥墩h/3、2h/3处设置横梁(h为墩高)。设置横梁前后，薄壁柱的弯矩图如图5、图6所示，横梁使薄壁柱弯矩分布更加均匀。设置横梁前后，主要设计参数对比结果见表1。

图5 不设横梁桥墩弯矩图(单位：kN·m)

图6 设横梁桥墩弯矩图(单位：kN·m)

对比内容设置前设置后设置后/设置前薄壁柱最大剪力/kN2097199995.3%薄壁柱最大弯矩/(kN·m)501542198543.8%桥梁纵向周期/s4.532.4854.7%

从上述计算结果中可以看出，设置横梁后，剪力引起的弯矩显著减少，同时桥墩的纵向刚度大幅提高。

桥墩设置横梁一方面能提高桥墩的整体性，改善地震荷载作用下各柱受力，发挥“单墩多柱”形式的优点；另一方面，能减少各柱的长细比，提高桥墩的稳定性能。

3.3 下部结构设计

桥墩墩高56 m，由4片薄壁柱组成。薄壁柱厚2 m，纵向采用直坡，横向外坡50∶1，顶宽6.6 m，底宽7.62 m。薄壁柱中心纵向间距11 m，两薄壁柱之间设置2道横梁，横梁长9 m，高2 m，中心竖向间距19 m。为使两幅桥具有较好的整体性，在两幅桥薄壁柱间设置4道横联连接，横向联系长3.82 m，宽2 m，高3 m，中心竖向间距10 m。墩身采用C50混凝土，全高范围内均添加聚丙烯纤维。桥墩横桥向、纵桥向构造见图7。

图7 桥墩横桥向、纵桥向构造 (单位:cm)

桥墩承台横向宽32.6 m，纵向宽21.2 m，高5 m。桩基采用40根φ2 m钻孔灌注桩，按摩擦桩设计，桩长22 m。

4 桥台的减震措施研究

田家窑2号桥仅有一个桥墩承担结构的地震力，需要结合地形和结构特性，利用T形刚构梁端与桥台直接联结的特点，在桥台处设置减震装置。以此将桥墩承担的部分地震力分配给桥台，减少桥墩承担的地震力，降低工程造价和保证结构安全。

利用有限元分析软件Midas其中提供的间隙单元，模拟梁端减震装置。梁端减震装置的减震效果主要与其初始间隙和弹性刚度两个参数有关，分别给定若干组值，从中选择减震效果最好的一组作为推荐结果。分析表明，初始间隙1.0 cm，弹性系数1.5×105kN/m时，减震效果最好，将此作为推荐方案。

以承台底水平反力和弯矩作为比选目标，梁端设置减震装置前后计算对比结果见表2。

表2 设置减震装置前后承台底水平反力和弯矩对比

从表2可以看出，设置减震装置后，桥墩所承受的地震力大大减少，该减震措施效果明显。本桥采用的减震橡胶阻尼见图8，其价格仅为常规粘滞阻尼器的1/10左右，经济效果显著。并且该减震橡胶阻尼日常维护简单，耐久性好，性能可靠。

图8 梁端安装的减震橡胶阻尼装置

5 结语

田家窑2号大桥位于7度地震区，采用2×108 m的T型刚构，桥高68 m。梁部为四线桥，质量较大，由此当地震发生时，梁部产生的水平地震力较大。而该桥仅有1个桥墩承担水平地震力，常规抗震设计难以满足要求。为减少地震力，降低工程造价，本文借鉴减震设计的思想，研究了桥墩采用“单墩多柱”的形式，并在桥台设置减震阻尼的减震效果。理论分析表明：这两项减震措施的效果明显，经济可靠。田家窑2号大桥已于2013通过静态验收和动态验收，并在该年年底通车运营，达到了设计预期和验收指标的要求。

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Damping Research on 2×108 m T-Frame Bridge of Four-track Railway

ZHANG Peng

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.， Xi’an 710043， China)

Tianjiayao NO.2 bridge of Xi～Ping railway is the longest four-track railway T-frame bridge in China with span arrangement of 2×108 m， 218.1 m long and 68 m high. The bridge is located in grade 7 earthquake zone and the earthquake force on structure is only taken by piers. In order to reduce earthquake force， the dynamic characteristics of the structure are analyzed with finite element software and “single pier with multiple columns” is finalized with damping at abutment. Theoretical analysis， construction and acceptance processes demonstrate that these measures are effective to satisfy the requirements of standard.

Railway bridge; Rigid T-frame; Single pier with multiple columns; Damping measures

2015-03-19；

2015-04-03

张 鹏(1984—)，男，工程师，2009年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士，E-mail：zhangpeng12348@163.com。

1004-2954(2015)11-0056-03

U441+.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.014