200 km/h客货共线铁路主跨216 m连续刚构桥总体设计及技术创新

2018-03-27张朝霞

铁道标准设计 2018年3期

张朝霞

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 工程概况

南三龙铁路合福联络线在福建省南平市境内跨越闽江。南三龙铁路合福联络线闽江特大桥，位于南三龙铁路正线闽江特大桥上游1.5 km处，距水口水库坝址上游约91.5 km，处于洄水区尾端。桥址区两端桥台位于剥蚀低山区边缘带，桥梁跨越闽江漫滩与河床，地形起伏较大。桥位处水面开阔，河道顺直，河宽500 m左右，汇水面积F=42 320 km2，Q1%=33 200 m3/s，H1%=73.87 m，河道通航标准为内河Ⅳ(3)级航道，通行2×500 t船队。桥轴线法线与水流流向夹角为26°。按《内河通航标准》(GB 50139—2014)[5]要求单孔单向通航净宽80 m，单孔双向通航净宽150 m。

桥址处地层为淤泥、淤泥质黏土、淤泥质细砂、粉质黏土、粗砂、砾砂，下伏基岩为花岗闪长岩[1]。主桥立面布置见图1，平面布置见图2。

图1 主桥立面布置(单位：m)

图2 平面布置(单位：m)

2 主要技术标准

铁路等级：客货共线。

正线数目：双线。

设计速度：客车行车速度200 km/h；货车行车速度120 km/h。

设计荷载：ZK活载。

轨道类型：有砟轨道。

线路情况：直线。

线间距：4.4 m。

3 方案比选

考虑本桥桥位的地形、地貌、河流情况以及通航要求，本桥研究了3种桥跨方式跨越闽江。

方案1：(75+135+135+75) m双线预应力混凝土连续梁方案，桥墩为圆端形实体墩，主墩墩高53.5～65.5 m。

方案2：(118+216+118) m双线连续刚构方案，主跨桥墩采用双肢薄壁墩，主墩墩高约65 m。

方案3：合福联络线闽江大桥一跨过河，水中不设置墩柱。

方案1因河中桥墩的存在，对水流改变的程度较大，且增加了船舶碰撞的风险，通航条件较差，但造价最低。方案2的桥墩位于近岸，对水流改变的程度相对较小，船舶碰撞的风险较低，大桥本身的安全系数及船舶通航的安全系数都相对较好。方案3在水中不设墩柱，不改变水流，通航水流条件好，大桥自身与船舶通航的安全系数相对较高，但投资增加过多。

综合各种因素考虑，经过防洪评估、通航论证及福建省建设部门批准[6]，合福联络线闽江特大桥采用方案2跨越闽江，即采用(118+216+118) m连续刚构方案。

4 主桥设计

4.1 主梁

梁部设计为单箱单室、直腹板、变截面箱梁。通过计算研究，梁高，尤其是薄壁墩处的梁高对桥梁的刚度和后期徐变有很大的影响。经计算分析，比较了薄壁墩处梁高在15～17 m范围内，跨中梁高在6.0～8.5 m范围内，梁高对梁部刚度和后期徐变的影响，最后确定采用的梁高，在薄壁墩处16.5 m，高跨比为1/13.1；边直段及跨中处梁高为7.5 m，高跨比1/28.8。梁底曲线采用圆曲线变化，曲线半径R=486.6 m。箱梁宽度按线间距及桥面布置综合考虑，顶板宽12.0 m，底板宽度考虑箱梁横向稳定，加大宽跨比，底宽采用9.2 m。桥面横向设置2%排水坡。顶板厚度62 cm，腹板厚度55～75～95～105～130 cm变化，底板厚度50～200 cm渐变。全桥共分为117个梁段，最长梁段为5.0 m，最大悬灌体积175.2 m3，箱梁典型截面见图3。

图3 箱梁典型截面(单位：cm)

主要工程数量指标如下：本桥采用C55混凝土，混凝土用量18 416 m3；每延米桥长混凝土用量为40.7 m3，预应力索用量1 005.7 t，每方混凝土预应力索用量54.4 kg。普通钢筋用量2 563 t，混凝土普通钢筋用量138.7 kg/m3。

4.2 下部结构

双肢薄壁墩水平抗推刚度小，在跨度较大，主梁应力控制设计时应优先选用此墩型[7]，本桥主墩采用双薄壁墩柱，墩高66.5 m。桥墩直坡，单壁纵桥向宽2.5 m，墩底加厚至3.8 m；横桥向宽11.2 m，双肢薄壁中心距8.7 m。桥墩尺寸对主梁的影响很大，墩身刚度过大，不利于主梁受力，刚度过小则桥墩本身受力难以满足。本桥采用在墩底10 m范围内加厚墩臂，并在变截面处设置1道系梁，有效地解决了这个问题。合龙前对梁体施加水平对顶力，对改善桥墩和基础的受力效果明显[8]，，通过计算，在中跨合龙前，施加了4 000 kN的对顶力，改善了桥墩和基础的受力。刚构墩结构如图4所示。

图4 刚构墩结构(单位：cm)

4.3 体外索设计

考虑收缩徐变的不确定性[9-10]，设计时在边跨、中跨分别预留了4根19φ15.20 mm的体外索备用。备用索采用环氧涂层无粘结钢绞线。体外备用索采用分体式转向器，可单根调索、换索。预留体外索成桥时不张拉，做好防腐保护措施。运营期间加强梁部位移的观测，若发现主梁发生异常变形时，可及时申请启用，以便改善桥梁受力状况和梁部变形。经计算，当备用索以960 MPa的锚下控制应力张拉时，跨中的10年后期徐变值可减少7.8 mm。体外索布置示意如图5所示。

图5 体外索布置示意(单位：cm)

5 结构分析

结构分析采用有限元程序，对施工阶段和使用阶段进行了计算分析。计算中，主力除考虑了结构自重外，还考虑了预应力效应、活载及冲击力、支座不均匀沉降等。附加力考虑了风力、制动力或牵引力、温度变化引起的影响力、列车脱轨荷载等。对于施工临时荷载，以及施工不同步造成的不平衡弯矩等进行了严格控制。对施工过程中产生的内力变化，如体系转换、混凝土收缩徐变引起的内力变化以及其对预应力损失的影响等都给予了充分的考虑。

关于温度荷载，计算中综合考虑桥位处极限温度和平均温度，合龙温度取16～20 ℃，整体温度变化按+20 ℃、-15 ℃考虑；本桥采用有砟桥面，按规范可以不考虑沿梁高方向的温差荷载[3-4]，考虑到温差效应对大跨结构作用比较敏感，为提高结构的整体安全性，计算中考虑了沿梁高方向有不均匀温差，按桥面板比梁体升高5 ℃计算温度效应；在横桥向计算时，考虑了日照和寒潮两种模式。

支座不均匀沉降按2 cm计算。桥位处基岩埋深较浅，冲刷线已到基岩面，整体计算时，采用群桩模拟刚度和在承台底固结两种方式包络计算。

5.1 全桥静力分析

(1)主梁应力、强度及抗裂性，计算结果见表1。

表1 应力、强度及抗裂性计算结果

(2)主梁挠度

中跨最大静活载挠度61.6 mm，为跨度的1/3 505；梁端最大竖向转角0.50‰；边跨最大静活载挠度16.9 mm，为跨度的1/7 003。

(3)后期徐变

大跨度刚构徐变下挠成为普遍问题，控制徐变下挠值是全桥设计的难点。本桥在设计方面采用延长箱梁阶段施工周期及二期恒载上桥时间、控制上下缘应力差等方法控制主梁徐变下挠。

本桥二期恒载上桥时间按成桥后150 d计算，较常规的60 d后上二期恒载后期徐变值，相对减小了10 mm的。上下缘应力差均控制在5 MPa之内。本桥30年徐变边跨中上拱2.56 mm，中跨中下挠21.5 mm。

从以上计算结果可以得出，主梁各截面应力均满足相关现行规范的要求。箱梁的刚度较大且桥面平顺度较高，确保了行车的舒适性和安全性。

5.2 动力分析

建立统一车-线-桥一体空间模型，对主桥在CRH2、CRH3动车组，C80货车作用下进行车-线-桥耦合振动分析，评价了该桥的动力性能及列车在风荷载作用下的运行安全性与舒适性。计算结果表明在设计行车速度内，桥梁和列车的各项动力响应均在容许值范围内，行车的安全性有保证[2]。

6 结论

大跨连续刚构桥主梁设计的难点就是控制梁体的徐变挠度和结构抗裂性能[12-15]，本桥通过合理优化预应力索型，使全桥应力状态比较合理，调整主梁的主拉应力值在适当范围，严格控制箱梁上下缘混凝土应力差；在中跨合龙时，施加适当的对顶力，可以很好地改善墩身弯矩，优化梁部受力；同时，在梁体箱内预留预应力钢绞线，必要时张拉，可及时补充预应力，可以调整梁体线形，控制梁体的徐变挠度，提高结构的抗裂性能。

[1] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.新建南三龙铁路合福联络线闽江特大桥施工图[Z].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司，2014.

[2] 中南大学.南三龙合福联络线闽江特大桥车桥动力分析报告[R].长沙：中南大学，2014.

[3] 中华人民共和国铁道部.TB l0002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[4] 国家铁路局.TB10621—2014 高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2015.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50139—2014 内河通航标准[S].北京：中国计划出版社，2014.

[6] 南京水利科学院，福建省航海学会.南平至龙岩铁路跨闽江两座大桥通航安全影响论证报告[R].福州：2012.

[7] 王树旺.铁路高墩大跨连续刚构双肢薄壁墩设计关键技术研究[J].铁道标准设计，2016，60(2)：81-84.

[8] 寇延春.温福铁路田螺大桥设计[J].铁道标准设计，2005(11)：25-28.

[9] 张立江.王岗至万乐联络线松花江大桥主桥设计[J].桥梁建设，2006(2)：32-34.

[10] 马润平，卫军，高宗余.大跨预应力混凝土梁式桥后期下挠原因分析[J].铁道工程学报，2007(5)：51-54.

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

[12] 许智焰，陈建峰，马庭林，等.浙赣铁路大园里特大桥曲线预应力混凝土连续梁设计[J].桥梁建设，2006(S2):44-47.