重载铁路四线高墩连续梁桥的设计

殷国飞

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

1 工程概况

神瓦铁路冯家川车站大桥位于安家山河河谷区及黄土梁峁区。河谷区地面高程790～796 m，相对高差约6 m，地势相对平坦；梁峁区地面高程795～895 m，相对高差达100 m，地势起伏较大，两侧岸坡较陡，坡度40°～50°，坡面植被发育。桥址区地层主要为第四系全新统人工填筑土、洪积层，上更新统风积层及三叠系中统砂岩夹砂质泥岩，地震动峰值加速度分区值为0.05g（相当于地震基本烈度Ⅵ度），基本地震动加速度反应谱特征周期为0.45 s［1］。

2 桥式方案选择

冯家川车站大桥为跨越安家山河河谷而设立，安家山河河底较宽，顺桥向两侧边坡较陡，一侧半坡有一小平台，在河谷区靠近陡坎侧、小平台处布设桥墩。对（65+100+65）m 连续梁和（65+100+65）m 连续刚构进行方案比选。

连续梁受力简单明确［2］，一般采用悬灌施工，技术成熟，造价较低，缺点是合拢时存在体系转换。连续刚构的特点是墩梁固结，可以减少大型桥梁支座及养护上的麻烦，且具有较好的抗震性能。为保证连续刚构受力的合理性，刚构墩刚度不能相差太大，但本桥主墩墩高相差30 m，刚度要求不易满足，且本桥位于低烈度地震区，失去了连续刚构抗震性能好的优势，故推荐采用连续梁方案。

桥址处线间距为5.5 m+5.5 m+5.5 m，可采用4线整体式连续箱梁，或2线分离式连续箱梁并置。2种方案工程量相差不大，但分离式箱梁采用悬灌施工时会存在挂篮相互干扰的问题，且整体稳定性、抗扭性能均不如整体式箱梁，故推荐采用4 线整体式连续箱梁［3］。

综上所述，主桥孔跨布置为4 线（65+100+65）m 整体式连续梁，立面布置如图1所示。

图1 主桥立面布置示意（单位：cm）

神瓦铁路主要技术标准为：国铁Ⅰ级，有砟轨道；设计速度v≤120 km/h；设计活载为ZH活载，ZH=1.2。

3 结构设计概况

3.1 上部结构设计

冯家川车站大桥主梁全长231.5 m，计算跨度为（65.75+100+65.75）m，边支点距离梁端0.75 m。截面形式采用单箱三室变高度的箱形截面［4］，中支点处梁高7.5 m，边支点及现浇段梁高4.5 m，梁底曲线为二次抛物线。箱梁顶宽23.9 m，底宽18.0 m，两侧悬臂长度为2.95 m。箱梁腹板厚度为50～90 cm，底板厚50～90 cm，顶板厚40 cm。

箱梁中支点及边支点处设置横隔墙，中支点处横隔墙厚300 cm，其中设置高200 cm、宽160 cm 的进人洞；边支点处横隔墙厚160 cm，其中设置高180 cm、宽160 cm的进人洞。

主梁采用C50混凝土，全桥共分为53个梁段，0号段长12 m，一般梁段长3.5，4.0 m，合拢段长度2.0 m，边跨直线段长度10.75 m。主梁施工以T 构为中心，两侧对称悬臂浇筑1～11 号梁段后，合拢中跨，待超打12 号梁段，现浇14 号梁段后，合拢边跨。梁体构造及梁段划分如图2 所示，主梁中支点及边支点横截面如图3所示。

图2 主梁构造及梁段划分示意（单位：cm）

图3 主梁中支点、边支点横截面示意（单位：cm）

箱梁按照纵向、横向、竖向三向预应力体系设计［5］，纵向预应力钢束采用高强度低松弛钢绞线，标准强度fpk=1 860 MPa，其中顶板T 束、边跨底板束BD 束采用17φ15.2 mm 钢绞线，内径均采用φ110 mm 金属波纹管成孔；其余钢束采用15φ15.2 mm 钢绞线，内径均采用φ100 mm 金属波纹管成孔，对应相应规格的锚具锚固。箱梁竖向预应力筋采用φ16-2缓黏结预应力钢棒，箱梁每道腹板根据计算要求设置2 根竖向预应力钢棒，顺桥向间距50 cm左右。

3.2 下部结构设计

冯家川车站大桥最大墩高85 m，在连续梁桥当中比较少见。采用带纵隔板的矩形空心截面［6］，墩顶横向18.0 m，纵向7.0 m，顶帽厚4.0 m，最小壁厚1.1 m。纵向墩顶以下4.0 m 处放坡，外坡35∶1，内坡75∶1，横向不放坡。考虑固端干扰力的影响，墩底设5.0 m 实体段，空实交界处采用1.2 m×6.0 m 倒角。主墩构造及截面形式如图4所示。

基础采用群桩基础，按照柱桩进行设计。主墩分别采用30 根2.0 m 钻孔灌注桩、25 根2.0 m 钻孔灌注桩，活动墩采用20根1.5 m钻孔灌注桩。

图4 主墩构造及截面示意（单位：cm）

4 结构设计

4.1 上部结构设计

4.1.1 箱梁截面形式

采用直腹板箱形截面，边支点梁高4.5 m，中支点梁高7.5 m。对比单箱双室、单箱三室箱形截面（图5）运营阶段的正应力、主应力、剪应力、安全系数发现，斜截面抗裂成为控制设计的关键。对1 号～4 号梁段腹板配置双排竖向预应力筋，其余梁段配置单排竖向预应力筋。主梁纵向主拉应力计算结果见表1。

图5 箱梁截面示意（单位：cm）

表1 主拉应力计算结果

由表1可知：若采用单箱双室截面，腹板最厚采用1.3 m 尚且不能满足主拉应力的设计要求，根据一般的设计经验，腹板厚不宜超过1.2 m，故推荐选用单箱三室截面。

4.1.2 箱梁纵向计算

1）计算模型简述

梁部纵向静力计算［7］采用平面杆系有限元软件BSAS，根据施工步骤及体系转换建立模型，将整个结构离散成50个施工阶段，对施工阶段及运营阶段的混凝土应力、结构安全系数等进行检算。计算荷载包括自重、二期恒载、收缩徐变、不均匀沉降、活载、温度力等。

2）主要计算结果

①整体刚度控制

竖向静活载作用下，边跨位移13.2 mm，为计算跨度的1/4 981；中跨位移31.5 mm，为计算跨度的1/3 174，均满足TB 10625—2017《重载铁路设计规范》和TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》的要求（位移小于等于计算跨度的1/700）。

②截面应力及强度安全系数

运营阶段截面应力及安全系数（表2），满足TB 10092—2017的要求。

表2 主梁结构静力计算结果

4.1.3 箱梁横向计算

箱梁的横向计算采用环框计算法。沿主梁纵向截取1 m 的梁段，采用有限元软件MIDAS/Civil 建立梁单元模型，在每个腹板底中心模拟一般支撑，计算荷载包括自重、二期恒载、活载、温度力等。根据计算结果配置横向预应力钢束，采用4φ15.2 mm 钢绞线，顺桥向钢束间距50 cm 左右，采用单端张拉，张拉与锚固端交错布置。

4.2 下部结构设计

4.2.1 墩顶弹性水平位移

为保证运营时线路稳定，桥墩需要足够的水平刚度。由于桥墩墩顶横向18.0 m、纵向7.0 m，横向尺寸较大，仅分析纵向刚度。以墩高85 m 的主墩为例，采用中铁第一勘察设计院集团有限公司桥梁辅助设计系统Bri-ADS，计算壁厚0.8～1.2 m的墩顶弹性水平位移，结果见表3。

表3 墩顶弹性水平位移

由表3 可知，壁厚大于1.0 m 时墩顶弹性水平位移才能满足TB 10092—2017的要求。

4.2.2 稳定性分析

研究空心墩的局部稳定［8-9］，主要是为了确定墩身最小壁厚和是否需要设置纵横隔板的问题。采用有限元软件MIDAS/FEA 对主墩不同壁厚的方案建立模型，进行屈曲稳定分析。墩身混凝土采用实体单元模拟，不考虑钢筋的作用，墩底固结，墩顶自由。上部的荷载作用于垫石，墩身所承受的风荷载通过面荷载施加，模型如图6 所示。将自重、二期恒载作为定量，活载、风荷载、纵向荷载作为变量进行屈曲分析。不同壁厚桥墩的一阶弹性稳定系数见表4。

图6 屈曲分析模型

表4 桥墩的一阶弹性稳定系数

线弹性屈曲稳定分析过高地估计了结构的稳定承载能力，材料非线性、几何非线性对结构的稳定性分析计算结果有很大的影响，线弹性屈曲稳定分析的计算结果约是考虑非线性结构屈曲稳定承载力的6倍。对一般桥梁，安全系数要求大于4～5，考虑非线性的影响，冯家川车站大桥桥墩弹性稳定系数的容许值取为30。

由表3、表4 可知：采用最小壁厚1.1 m 的带纵隔板的矩形空心截面，可同时满足墩顶弹性水平位移及桥墩稳定性的要求。

4.2.3 墩身截面应力

利用有限元软件MIDAS/FEA 对空心墩进行温度应力分析［10］，考虑寒潮温差及日照温差作用，计算出墩身内外壁的竖向应力及环向应力，积分得到单宽内力，与外荷载组合，计算竖向配筋。墩身环向配筋完全由温度应力控制，受固端干扰力的影响，墩身上部及下部一定范围内须加强。

考虑各种荷载工况的不利作用，对墩身截面应力进行检算，墩顶截面配筋采用φ28 mm@10 cm 单肢布置，墩底截面纵向配筋采用φ28 mm@10 cm单肢布置，墩底截面横向尺寸随着墩身放坡变大，墩底20 m 范围采用φ28 mm 双肢布置。墩顶35 m、墩底20 m 范围内环向箍筋采用φ16 mm@10 cm，墩身范围内采用φ16 mm@15 cm。经检算，墩身各截面混凝土应力、钢筋应力及裂缝宽度均满足TB 10092—2017的要求。

5 结语

1）箱梁顶宽尺寸较大，在相同的梁高条件下，主应力成为影响结构设计的关键。与单箱双室截面相比，单箱三室截面能更好地控制主拉应力，满足斜截面抗裂设计的要求。

2）多线桥梁宽较大，可采用矩形带纵隔板的空心墩。纵隔板的设置可以更好地提高高墩的刚度及局部稳定性。

山区重载铁路中，高墩、大跨多线桥是不可避免的结构形式，本桥的设计方法和思路对类似的工程具有一定的借鉴意义。