西安机场城际铁路渭河特大桥主桥总体设计

鄢玉胜

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

1 工程概况

渭河特大桥处于西安机场城际铁路渭河南站至秦宫站区间段内，位于西安市未央区北侧、机场专用高速公路渭河特大桥东侧，为跨渭河河堤、渭河及兰池大道、光伏三路、兰池二路、机场专用高速公路等市政道路而设，是西安机场城际铁路控制性工程。桥址位于国家级新区西咸新区秦汉新城辖区渭河生态保护区，是展现陕西省首条城际铁路形象的窗口。

大桥全长7 331.7 m，桥址地貌为渭河冲积平原及渭北黄土塬，地势开阔，地形较平坦。渭河以南的渭河河谷漫滩地带，地势相对较低；渭河以北（左岸）的渭河河谷漫滩及渭河一级阶地，地势相对较高。地层主要为第四系全新统冲积的粉质黏土、粉细砂、中砂、粗砂等。本桥位于8 度区，峰值加速度0.2g，如表1 所示［1］。其中，Amax为场地峰值加速度；Tg为特征周期；βmax为动力放大系数。

场地地震烈度高，地质条件差，特征周期长，部分段落地层还存在地震液化的情况，液化深度最大至地表以下8.15 m［1］。桥梁设计活载为地铁B2型车，6 辆编组，设计速度100 km∕h，双线无砟轨道，线间距4.2 m。

表1 地震参数

2 桥梁孔跨及桥式方案比选

根据黄河水利委员会文件《黄河河道管理范围内建设项目技术审查标准》及本桥防洪评价要求：“主河槽孔跨不小于50 m，滩地孔跨不小于30 m，主河槽孔跨应与下游管线桥隔墩对孔布置”，并考虑下游管线桥孔跨为50 m简支梁，桥位处河流治导线宽度约800 m，因此主桥孔跨布置形式为1 孔50 m+8 孔100 m+1 孔50 m。

根据国内大跨桥梁设计和建造经验，满足主桥孔跨布置的结构形式较多，包括拱桥、T构、刚构连续梁、连续梁等。对上述桥型进行主桥桥式方案比选，见表2。

表2 主桥桥式方案比选

通过综合对比结构刚度、施工周期、景观效果、工程造价等，设计推荐主桥采用1联（50+8×100+50）m 连续梁，设1个固定墩，主桥孔跨布置见图1。

图1 主桥孔跨布置（单位：cm）

3 上部结构设计

（50+8×100+50）m连续梁梁体采用C50混凝土，箱梁截面采用单箱单室变高度直腹板箱形截面（图2），中支点位置梁高6.6 m，跨中位置梁高3.2 m，箱梁顶宽10.3 m，底宽5.5 m，悬臂端部厚20 cm，悬臂根部厚65 cm。箱梁腹板厚43～80 cm，底板厚32～70 cm，顶板厚32 cm。顶板设90 cm × 30 cm 的梗肋，底板设30 cm×30 cm 的梗肋。中支点设置厚250 cm 中隔墙，中隔墙设220 cm×180 cm 的过人洞；梁端设厚150 cm横隔墙，端隔墙设置150 cm×160 cm的过人洞。

图2 箱梁横断面（单位：cm）

4 桥墩基础设计

桥墩主墩采用直坡的圆端形实体墩，根据防洪评价结论，主河槽范围内局部冲刷最大深度达到16 m。为保证桥梁下部结构整体具有足够的纵向刚度，墩高12 m 及以下的桥墩尺寸为3.0 m（纵桥向）×7.0 m（横桥向）；墩高大于12 m 的桥墩尺寸为3.4 m（纵桥向）×7.0 m（横桥向）。主墩承台均采用矩形承台，固定主墩承台尺寸为14.60 m×14.60 m×4.5 m，活动主墩承台尺寸为10.60 m × 14.60 m×4.0 m。固定主墩采用16⁃ϕ1.5 m 钻孔摩擦桩，桩长58 m，活动主墩采用12⁃ϕ1.5 m钻孔摩擦桩，桩长60～67 m［2］。

5 抗震设计

采用合适的隔震措施是改善多跨连续梁桥固定墩承受过大地震力作用的有效方法［3-4］。该桥位于8度区，地震烈度高，为长联大跨结构。根据文献［1］可知场地在多遇地震、设计地震和罕遇地震工况下的特征周期分别为0.53，0.65，0.92 s，桥梁结构地震效应显著。由于本桥主桥跨越大江大河，且修复困难，因此要求采用罕遇地震标准进行抗震设防［5］。

5.1 抗震措施

通过对比常用桥梁抗震措施［6-12］的特点，选择适合该桥的抗震措施。

1）基于强度的抗震设计方案。在设计地震作用下，固定支座纵向剪力过大，支座设计困难，若采用基于强度的抗震设计方案，墩身和桩基础设计困难，加大墩身结构尺寸后地震效应亦随之增大，因此不推荐该方案。

2）速度锁定器方案。在活动主墩上设置速度锁定器，使活动支座在地震作用下发挥固定支座作用，与固定墩共同承受地震力。此种方式使得全桥纵向刚度增大，分配到固定墩和锁定墩上的地震效应较为平均，但锁定装置和支座设置困难，且需要进行延性设计。考虑到河槽内震后修复困难，因此不推荐该方案。

3）摩擦摆减隔震支座方案。当地震效应增大，固定支座限位销钉被剪断后，结构纵向周期明显延长，可避开罕遇地震效应密集区，但墩梁相对位移较大。本桥试算最大墩梁相对位移达到81.7 cm，梁缝设置困难，因此不推荐该方案。

4）摩擦摆减隔震支座+黏滞阻尼器的组合减隔震方案。通过摩擦摆支座延长结构周期避开了罕遇地震效应密集区，通过在墩梁之间设置黏滞阻尼器控制墩梁相对位移使其在设计范围内，满足结构设计要求。采用此方案，桥墩和桩基础在罕遇地震下仍处于基本弹性状态，降低了震后修复工作难度，经济和技术效益显著。

5.2 摩擦摆支座和阻尼器参数

综合考虑减隔震效果、阻尼器装置的布置空间，主墩采用的摩擦摆支座下球面半径为3.5 m，上平面摩擦副摩擦因数为0.01，下球面摩擦副摩擦因数为0.03。黏滞阻尼器速度的指数α取0.3，阻尼器吨位为160 t，每个主墩设置4 个黏滞阻尼器，阻尼系数C取2 000 kN∕（m·s-1）0.3。为了同时控制罕遇地震下桥梁纵横向的墩梁相对位移，在水平面上阻尼器与纵桥向成45°布置。

5.3 阻尼器行程和平面转角

在运营状态下，梁部随着环境温度的升降而伸缩，阻尼器固定在梁底随梁部纵向运动，除了要满足抗震下最大墩梁相对位移30 cm 外，还要满足梁体纵向运动引起的平面转角。

该桥采用的160 t 阻尼器行程中线销轴中心距为380 cm，以固定墩为中心，温度联长450 m，极限升降温时梁长变化按照15 cm 保守取值。本文选取罕遇地震下2 个极限工况来确定阻尼器的行程：工况1，在极限升温下（①支座位移最大），梁长伸长15 cm 状态下发生罕遇地震，阻尼器须剩余30 cm 的行程方可保证其正常工作；工况2，在极限降温下（②支座位移最大），梁长缩短15 cm 状态下发生罕遇地震，阻尼器要有足够的平面转角能力方可保证其正常工作。阻尼器行程和平面转角示意如图3。

图3 阻尼器行程和平面转角示意（单位：cm）

由图3可知：工况1中阻尼器最大长度为420.75 cm，行程为40.75 cm，设计选用阻尼器额定最大行程为±50.00 cm；工况2中阻尼器在销轴轴线与阻尼轴线构成的平面内转动6.3°，设计选用转动角度不小于±8°。

5.4 阻尼器布置形式

墩顶阻尼器布置平面见图4。阻尼器一端锚固于桥墩支撑垫石外侧，一端锚固于箱梁0 号段底板上。定位时要特别注意墩顶阻尼器的锚固位置，保证在阻尼器最大平面转角范围内不会撞击支承垫石。阻尼器布置实景见图5。

图4 墩顶阻尼器布置平面（单位：cm）

图5 阻尼器布置实景

6 主要计算结果

6.1 静力计算结果

采用西南交通大学编制的桥梁结构分析系统BSAS 平面有限元程序建立结构的全桥模型进行纵向静力计算，考虑结构施工过程、体系转化、结构次内力等影响因素，主梁结构静力计算结果见表3。可知，桥梁各项指标均满足规范要求。

表3 主梁结构静力计算结果

6.2 抗震计算结果

采用MIDAS∕Civil 2015 建立结构的全桥模型，采用摩擦摆隔震装置和黏弹性消能器模拟支座和阻尼器进行非线性地震时程分析。

根据地震安全评估报告，输入3 条50 年超越概率2%的水平加速度地震波进行罕遇地震的检算。其中1条罕遇地震纵向时程波如图6所示。

图6 罕遇地震纵向时程波

罕遇地震作用下黏滞阻尼器输出力和墩梁纵向相对位移见图7。可知，罕遇地震下黏滞阻尼器吨位160 t 满足抗震要求；采用减隔震支座+黏滞阻尼器组合减隔震措施，罕遇地震下墩梁相对位移可控制在30 cm以内。

图7 罕遇地震作用下黏滞阻尼器输出力和墩梁纵向相对位移

6.3 动力仿真分析结果

由于该桥联长达到900 m，大里程侧接1 联（60 +111 + 94 + 100 + 60）m 连续梁，因此应对结构进行车桥耦合动力仿真分析。当B2型车以60～120 km∕h速度通过2 联连续梁时，车体的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标均在限值以内。同时抬枕装置的轮重减载率均未超限，且具有一定的安全余量，保证了列车的行车安全。B2型车以60～120 km∕h 速度通过时，连续梁舒适性等级达到“优”。

7 大梁缝轨道措施

无缝线路设计一般优先通过调整桥梁固定支座、减小桥梁温度跨度的方式使各温度跨度尽量均匀分布，达到不设钢轨伸缩调节器就能使桥梁墩台受力不至于过大的目的［13］。考虑（60+111+94+100+60）m连续梁中后3 跨位于曲率半径为800 m 的曲线上，无法设置轨道温度调节器，所以固定墩设置在第2 个主墩上以保证温度联长不超过160 m。因此，2联连续梁的连接墩位置温度联长达到450 + 60 + 111 + 94 =715 m，环境温度变化引起的桥梁伸缩量约±230 mm。

为保证相邻2联连续梁在罕遇地震下梁端不发生碰撞，连接墩位置梁缝按照最不利（30+30）cm考虑。

连接墩位置梁缝（600±230）mm 处采用2 根钢纵梁结构抬枕装置。当列车以不大于100 km∕h 的速度通过抬枕装置时，过跨频率不会激起抬枕装置共振；车辆参数与车速耦合频率不会激起抬枕装置的共振。

抬枕装置首制件经过200 kN 最大垂向荷载静载试验、伸缩量为（600 + 300）mm（设备设计最大伸开量）工况200 万次疲劳试验、伸缩量为（600 + 230）mm（设计最大梁缝值）工况300 万次疲劳试验后，抬枕装置伸缩正常，所有部件均未断裂且表面均未产生裂纹，各部件应力测试结果均小于材料的屈服强度，各部件动态变形指标均满足安全性要求。大梁缝位置抬枕装置试验现场见图8。

图8 大梁缝位置抬枕装置试验现场

8 结语

西安机场城际铁路渭河特大桥主桥在设计上采用了一系列关键技术，顺利解决了长联大跨结构抗震设计、阻尼器选型及布置、大梁缝位置轨道处理等技术难题。该桥于2016年6月开工，2017年12月全桥合龙。该桥的顺利建成为高烈度地震区长联大跨结构的设计积累了一定的设计和施工经验，为陕西省首条城际铁路高质量高标准建成通车奠定了扎实的基础。