重载铁路四线高墩大跨连续刚构设计研究

周津斌

(中铁第六勘察设计院集团有限公司,天津 300308)

1 研究背景

重载铁路作为一种高效率的运输方式，在大宗、长距离的货物运输方面具有明显经济性，其运输效益已由各国的实际业绩所证实，且在世界范围内得到了进一步的发展，已成为世界铁路发展的方向之一。

随着我国山西中南部铁路、蒙华铁路、兴保铁路等山区重载铁路的建设，由于沿线深沟、河谷等复杂地形较多，越来越多的高墩大跨预应力混凝土连续刚构被采用。此类结构可以满足山区铁路使用功能的要求，不仅整体性、结构受力性能好，横桥向抗推刚度及抗扭刚度大，有利于悬臂施工的横向抗风要求，同时节省大吨位支座以及后期维修养护[1]，且具有梁体内力分布合理、跨越能力强、线条流畅、外形优美等特点[2]。

目前国内已建成的多线铁路大跨连续刚构并不多见，特别是重载铁路尚未有先例。如兰渝铁路新井口嘉陵江四线(84+152+76) m连续刚构[3]，设计活载为中-活载，最大墩高为80.5 m。

2 工程概况

2.1 桥式说明

安家山河大桥为兴保铁路冯家川站场内四线桥，线间距从左至右依次为5.5 m+5 m+5.3 m，四线均为重载，为跨越安家山河而设。安家山河河底较宽，两岸地形复杂，纵横向坡度较陡，综合考虑本桥自然地形特点，尽量避开纵横向陡坎，故主桥推荐采用孔跨布置为(80+130+80) m连续刚构，梁顶至墩底最大高度94 m，桥跨布置见图1。

图1 主桥桥跨布置(单位：cm)

2.2 主要技术标准

(1)铁路等级：国铁Ⅰ级。

(2)设计速度：货车120 km/h。

(3)有砟轨道：60 kg/m钢轨，无缝线路，不设温度调节器，线路纵坡为1‰。

(4)设计活载：重载(ZH活载)。

2.3 工程地质

桥址区地层岩性为第四系全新统冲洪积细圆砾土、粗圆砾土及粉砂；第四系上更新统风积层新黄土；上第三系上新统粉质黏土、粗圆砾土及细圆砾土；三叠系中统二马营组砂岩夹泥岩。

本桥地震动峰加速度Ag=0.05g，动反应谱特征周期Tg=0.45 s，土壤最大冻结深度1.18 m。

3 桥梁方案研究

3.1 梁高比选

对于大跨预应力混凝土桥，自重荷载所占设计荷载的比例较大，对于连续刚构桥，墩柱的刚度直接影响梁体的内力变化，同时梁体的刚度也影响墩柱内力及承台底外力[4]。所以在保证梁部满足各项设计要求的前提下，应尽量优化设计以减轻梁体自重。

根据已建成铁路连续刚构的设计经验，中支点高跨比多在1/13～1/20，本桥在此范围内确定了4种方案。中支点梁高分别按8.4，8.6，9.2 m和9.5 m进行对比研究，跨中梁高对应中支点梁高进行调整，梁底曲线均采用二次抛物线过渡。各方案的比较结果详见表1、表2。

表2 主梁刚度、工程量对比及结论

由表2可知，方案3与方案4的梁部计算结果均比较理想。本桥为高墩大跨结构，减小上部结构质量，利于增大横向自振频率及优化桥墩尺寸，同时可以节约工程量，降低造价。综合以上因素，选取方案3作为推荐方案，考虑到本梁跨中整体指标富余量较大，故在方案3的基础上，施工图设计将跨中梁高优化为4.8 m。

3.2 墩型比选

本桥主墩最大墩身高达85 m，且高差53 m，桥墩结构尺寸由主桥的纵、横向刚度控制设计[5]。对于大跨度刚构的横向自振频率限值，铁路桥梁规范尚未有相关要求，主桥横向控制参考了《关于南昆铁路四座大桥横向刚度的补充技术要求》[6-7]。由于桥面较宽导致桥墩横向尺寸较宽，故主墩可选类型较多，设计时分别选取3种墩型进行类比分析。5号墩采用A型墩与空心墩进行对比，6号墩采用空心墩与双薄壁墩进行对比，墩型比较详见表3，各方案墩型示意见图2～图4。根据不同的墩型组合，对横向自振频率、墩顶位移、纵向刚度、混凝土量等方面进行对比分析，结果详见表4、表5。

表3 墩型比较

图2 方案1 A型墩+双薄壁墩

图3 方案2 矩形空心墩+双薄壁墩

图4 方案3 矩形空心墩+矩形空心墩

根据表4可知，方案1中5号墩采用A型墩，结构自振频率满足要求，但富余量较大；方案2中5号墩采用矩形空心墩，结构自振频率满足要求，而且留有一定的富余量作为安全储备。两方案的墩顶纵向位移和墩身纵向刚度变化不大，但对于混凝土量，方案1较方案2增加较多，不够经济。A型墩受力较一般空心墩受力更为复杂[8]，而且从便于施工的角度出发，也应采用简洁的墩型。综上，5号墩选取方案2矩形空心墩作为设计推荐方案。

表4 5号墩在方案1与方案2中的计算结果对比

根据表5可知，方案3中6号墩采用矩形空心墩，结构自振频率满足要求，与方案1结果相差不大；对于混凝土量，方案3比方案1稍有增加；但对于墩身纵向刚度，方案3中6号墩采用矩形空心墩，刚度增加较多，与5号墩刚度相差悬殊，不利于结构受力。故对于6号墩，选取方案2双薄壁作为设计推荐方案。

表5 6号墩在方案2与方案3中的计算结果对比

3.3 墩梁结合部位分析

本梁中支点墩顶反力达219 139 kN，其中梁部自重145 362 kN，二期恒载43 287 kN，恒载占总反力比例86%；最大活载反力26 443 kN，占总反力比例12%。本梁中支点反力较大，如采用连续梁体系，需设置数个大吨位支座，不仅价格昂贵且不便于后期维修养护。经综合考虑，最终桥式方案采用连续刚构体系，中支点处墩梁固结。5号墩采用矩形空心墩，墩梁固结处为两个矩形箱体正交相连，纵向两墩壁向上延伸至主梁箱体内形成2道横隔板，横向三墩壁向上延伸与主梁腹板对应。梁体的各种力通过横隔板和腹板传至空心墩柱的墩壁[9]。

6号墩采用双薄壁墩，两壁向上延伸至主梁箱体内形成2道横隔板。根据以往设计经验，在墩梁固结连接处设置梗斜，避免形成直角，形成应力集中。

墩梁固结区是传递荷载、扩散应力的关键部位[10]，构造及受力十分复杂，有必要建立实体模型进行局部应力分析，优化结构形式，使受力状态更趋于合理。采用Midas FEA软件，选取刚壁墩顶纵向25 m主梁范围及10 m墩高范围建立空间实体模型，对墩梁固结部位进行局部应力分析。分析模型中，墩底施加约束，梁部左右两侧截面按照节点施加内力，模型内部预应力钢束，按照实际形状建立钢筋单元并施加预应力。

5号墩墩梁固结处最大、最小主应力云图见图5、图6，6号墩墩梁固结处最大、最小主应力云图见图7、图8。图中正值为拉应力，负值为压应力。

图5 5号墩 墩梁固结处最大主应力云图

图6 5号墩 墩梁固结处最小主应力云图

图7 6号墩 墩梁固结处最大主应力云图

图8 6号墩 墩梁固结处最小主应力云图

由图5、图6可知，5号墩墩梁固结范围，最大主拉应力为1.4 MPa，最大主压应力为13.4 MPa；由图7、图8可知，6号墩墩梁固结范围，最大主拉应力为1.4 MPa，最大主压应力为13.2 MPa。均满足规范要求，且有一定富余量，未出现明显应力集中现象。

根据分析结果，除钢束锚固点、截面倒角等位置局部应力比较集中外，其余截面的主应力数值均不大，梁体应力状态较为合理，出现应力集中的范围较小。同时本梁还通过设置横隔板的横、竖向预应力来优化结构受力状态。

3.4 中跨合龙顶推力比选

在施工过程中，中跨实际环境下的合龙温度与理论设计温度的温差会导致梁体产生位移，由于连续刚构的墩梁固结还会引起刚壁墩的偏位，产生二次应力。且收缩徐变效应导致的梁体竖向挠度和水平位移及附加内力，也会造成刚壁墩偏位，这些对主墩受力都会产生非常不利的影响。为了调整主梁和刚壁墩内力，合龙时一般施加一定的合龙顶力，即桥墩预先承受相反方向的弯矩[11]，以减小合龙温差和桥梁运营后期混凝土收缩徐变等因素产生的附加次内力，基本平衡主墩水平偏位，优化桥梁结构的内力[12]。

本文通过对不同顶推力的比选，考察成桥阶段恒载产生的墩底弯矩、墩顶弯矩、墩顶位移及主梁跨中位移，以期得到效果最佳的顶推力结果。根据表6可知：

(1)随着顶推力增大，5号墩墩底弯矩和6号墩墩底、墩顶弯矩逐渐变小，且变化幅度较为明显，5号墩墩顶弯矩逐渐增大，但变化幅度不大。综上，适当增大顶推力，有利于改善桥墩受力。

(2)随着顶推力增大，5号墩墩顶位移逐渐变大，6号墩墩顶位移逐渐减小，在顶推力4 000 kN时，两墩的墩顶位移相对最小。

(3)随着顶推力增大，两墩主梁跨中位移错台逐渐加大。

综合考虑以上因素，本桥设计顶推力采用4 000 kN，改善了后期墩身的受力及线形，优化效果较明显。

表6 合龙顶推力对比

3.5 施工阶段最大悬臂状态分析

施工过程中对刚构合龙前的T构状态最大悬臂阶段的墩身进行检算，应考虑结构自重、施工挂篮、墩梁风荷载、施工人员、施工器械、养护水箱等荷载及挂篮跌落等影响[13]。最大悬臂施工阶段为最不利抗风状态[14]，设计中风荷载考虑风振作用，风振系数取1.5。

经检算，最大悬臂状态下主墩安全性满足结构受力要求，结果见表7。

表7 最大悬臂状态检算

4 采用方案设计介绍

通过以上分析研究及比选优化，确定施工图采用方案，设计介绍如下。

4.1 主梁结构

主梁采用C55混凝土，封端采用C55无收缩混凝土。截面为单箱双室、直腹板、变高、变截面结构，箱梁顶宽22.8 m，底宽16.8 m。箱梁中支点梁高为9.2 m，跨中梁高4.8 m。顶板厚0.45 m，腹板厚度由0.5 m跨中渐变至1.3 m。底板厚按二次抛物线由0.45 m变至墩梁固结处1.05 m。全桥除在梁端截面、墩梁固结处设置横隔板外，跨中及中支点左右35 m位置添加1道横隔板。箱梁横截面见图9。

图9 半支点-半跨中箱梁横断面(单位：cm)

4.2 下部结构

5号墩为墩身高85 m的矩形空心墩，6号墩为墩身高32 m的双薄壁墩。5号墩纵向宽度与主梁直线段相同，采用9 m，壁厚1.5 m；横向宽度与主梁梁底宽度相同，采用16.8 m，横向隔板位置与腹板对应，隔板厚和壁厚均为1.5 m。横纵向墩身均为直坡。为了便于施工和养护维修，在墩顶梁底板上设置进人洞[15]。

6号墩壁厚2.0 m，双壁净距5.0 m，无系梁，横纵向墩身均为直坡。

基础采用钻孔灌注桩，桩径2.0 m。其中，5号墩的桩基布置为5(纵向)×7(横向)根，6号墩的桩基布置为5(纵向)×6(横向)根。

4.3 梁体预应力体系

梁体按纵、横、竖三向预应力体系设计。除底板束B1、B2采用17-7φ5 mm钢绞线外，其余纵向预应力筋均采用19-7φ5 mm钢绞线，抗拉强度标准值为1 860 MPa。顶板设横向预应力筋，采用5-7φ5 mm钢绞线。腹板内设竖向预应力筋，采用φ32 mm高强度精轧螺纹钢筋，抗拉强度标准值830 MPa，50，83 cm厚腹板内单排布置，130 cm厚腹板内双排布置。为减少大跨梁徐变引起的变形影响，要求纵向钢束在混凝土强度及弹性模量达到设计值的100%后方可张拉，且要保证张拉时混凝土龄期不少于7d。

4.4 支座

梁端横向设置3个吨位为15 000 kN的球形钢支座。

4.5 施工方法

梁部采用挂篮分段悬臂浇筑施工[16]，本桥属于高墩大跨结构，施工中应尽早脱离T构结构悬臂状态。如果先合龙边跨，则需要在边墩墩顶架设托架或满堂支架现浇施工边跨直线段。本桥边跨直线段长达14.75 m(不含合龙段长度)，4号边墩高达44 m，且纵向坡度较大，无论是墩顶架设托架还是满堂支架，施工均较难困难。因此，本桥施工合龙顺序为先中跨后边跨，即：合龙中跨→悬浇边跨不平衡段→合龙边跨。

5 结语

重载铁路由于其自身选线特点，高墩、大跨是重载铁路不可避免的桥梁结构形式[17]，安家山河大桥(80+130+80) m四线连续刚构桥高达94 m，作为兴保重载铁路的重点控制性工程，也是国内第一座重载铁路四线刚构桥，于2015年3月顺利合龙，并于2017年7月正式运营通车。该桥结构安全可靠、具有良好的结构力学性能，施工技术成熟且后期养护及工程造价较经济，在山区铁路中具有显著的优势。通过对主梁尺寸及墩型比选、中跨合龙顶推力、墩梁结合部位分析、施工阶段最大悬臂状态分析等几方面开展设计研究。通过分析，解决上述关键技术问题，同时为今后国内重载铁路的高墩、多线大跨桥梁设计提供参考，也为山区铁路选线提供了较大的选择空间。