高烈度区高速铁路大跨度梁拱组合桥设计

张 扬

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 概述

梁拱组合结构以其跨越能力大、跨径适应能力强、外形美观等优点备受桥梁工程师的青睐，近年来被广泛应用于高速铁路桥梁中[1-3]。如京沪高速铁路镇江京杭运河特大桥为(90+180+90) m预应力混凝土连续梁-拱桥，京津城际跨四环线为(60+128+60) m预应力连续梁-拱桥。梁拱组合结构利用主梁承受弯矩和拉力，拱肋承受轴压力，通过调整吊杆张拉力使主梁呈最优受力状态。这种桥式结构不仅有效降低了主梁支点负弯矩和剪力的峰值，达到减小主梁截面高度、结构轻型化的目的，还有效增大了混凝土梁桥的跨越能力，克服了拱桥对地基要求高的缺点。

随着高速铁路的迅猛发展，线路穿越高烈度地区不可避免，但我国现行公路及铁路桥梁抗震设计规范对此类桥梁结构在地震高烈度区的适用性尚无具体规定。因此，有必要对高烈度区连续梁拱桥进行抗震及减隔震设计研究，对制定相应的抗震措施，保证桥梁的安全具有重要意义。以徐宿淮盐铁路徐洪河特大桥(100+200+100) m连续梁拱组合结构桥梁为研究对象，对该桥整体力学性能、工后续变变形、地震反应分析等设计难点进行深入研究。

2 工程概况

徐宿淮盐铁路徐洪河特大桥位于江苏省宿迁市，处于郯庐断裂带影响范围内，桥址区紧邻徐沙河沙集船闸，船闸集农田灌溉、交通航运、泄洪功能为一体。为满足徐沙河Ⅲ级航道通航要求，并减少对既有沙集船闸的影响，决定采用(100+200+100) m连续梁-拱跨越徐沙河。桥梁立面布置见图1。

图1 徐洪河特大桥立面布置(单位：cm)

本桥主要技术标准如下。

(1)线路情况：客运专线，双线线间距为4.6 m，设计时速250 km，主桥平面位于直线段，立面为平坡。

(2)轨道类型：有砟轨道。

(3)设计活载：ZK活载。

(4)通航标准：规划通航等级为Ⅲ级，航道立交要求净宽70 m，净高7.5 m。

(5)地震烈度：根据徐洪河特大桥场地地震安全性评价结果，50年超越概率10%情况下(设计地震)最大地震动峰值加速度为0.34g，地震动反应谱周期为0.75 s。

3 结构构造

3.1 主梁构造

主梁采用单箱双室、变高度、变截面预应力混凝土结构。边跨和跨中直线段梁高6.0 m，中支点处梁高12.0 m，梁底下缘按圆曲线变化；箱梁顶宽14.2 m，底宽12.0 m，在中支座处20 m范围内顶宽加宽至17.2 m，底宽加宽至15.2 m。主梁顶板厚43～56 cm，底板厚40～110 cm，按圆曲线变化至中支点梁根部，顶板及底板均在隔墙位置加厚。箱梁采用直腹板形式，腹板厚度为40～55～70 cm，按折线变化。全桥共设5道横隔梁，边支点隔墙厚1.8 m，中支点隔墙厚4.0 m，跨中隔墙厚0.8 m。主梁于吊杆处共设置20道吊点横梁，吊点横梁高分别为1.4 m和1.6 m，厚0.4 m。主梁支点及跨中截面构造如图2。

主梁共分91个梁段，梁拱结合部0号梁段长20.0 m，中跨合龙梁段长3.0 m，边跨直线段长6.9 m，其余梁段长分为3.5 m、4.0 m、4.5 m、2.75 m。中支点及边支点部分梁段采用支架现浇法施工，其余梁段均采用挂篮悬臂浇筑施工。

图2 主梁断面构造(单位：cm)

3.2 纵向预应力体系

主梁设纵、横、竖三向预应力体系，纵向预应力采用19-φj15.2 mm和15-φj15.2 mm两种规格钢绞线，均采用两端张拉方式。横向预应力采用5-φj15.24 mm钢绞线，顺桥向间距0.5 cm，采用单端交错张拉方式。竖向预应力设计为φ32 mm的高强精轧螺纹钢，顺桥向间距一般为0.5 m，采用二次张拉工艺。

3.3 拱肋构造

拱肋采用钢管混凝土结构，计算跨度为200 m，设计矢高为40.0 m，矢跨比为1/5，拱轴线采用二次抛物线，设计拱轴线方程为y=-1/250x2+0.8x。拱肋采用哑铃形结构，该截面具有足够的纵、横向刚度，且构造简单、施工方便。拱管直径为1.2 m，管壁厚24 mm(并拱脚附近局部加厚)，拱管内灌注C55补偿收缩混凝土。上下拱管之间设置腹腔，腹腔宽0.80 m，壁厚20 mm。两榀拱肋中心距为13.0 m，拱肋之间采用桁架式横撑，各横撑由4根φ600×14 mm主钢管和32根φ300×12 mm连接钢管组成，钢管为空钢管，内部不填充混凝土。全桥共设置10道横撑，横撑间距为18 m，拱肋及横撑断面如图3。

图3 拱肋和横撑断面布置(单位：cm)

3.4 吊杆

全桥共设置20组双吊杆，顺桥向间距为9.0 m，吊杆采用PES(FD)7-61型低应力防腐拉索，外套复合不锈钢管，配套使用冷铸镦头锚。吊杆上端穿过拱肋，锚于拱肋上缘张拉底座，下端锚于吊点翼缘与腹板相交处固定底座。吊杆索采用箱外“牛腿”的锚固形式。

3.5 支座体系

主梁采用双曲面球形摩擦摆支座，各支点横向设置2个支座，边支座吨位12 500 kN，中支座吨位140 000 kN，支座横向间距为10.0 m。

3.6 下部结构设计

该桥主墩基础具有深基坑、超长群桩的特点，施工中采用双臂钢围堰并设内支撑。两主墩均采用圆端形实体墩，主墩高9.0 m，顺桥向长6.6 m，横桥向长19.4 m，上承台尺寸(顺桥向×横桥向×厚度)为10.0 m×20.6 m×2.5 m，中承台尺寸为15.0 m×22.6 m×2.5 m，下承台尺寸为24.2 m×29.4 m×4.0 m。主墩基础设计为30根φ2.0 m钻孔灌注桩，桩长90 m。交接墩墩高10.4 m，墩身顺桥向长4.5 m，横桥向长15.0 m，单层承台尺寸为10.6 m×18.6 m×3.5 m，交接墩采用15根φ1.5 m钻孔灌注桩，桩长59 m。

4 主桥结构计算

4.1 主梁静力计算

静力计算软件为桥梁博士，全桥共划分210个单元，根据拟定施工方法和步骤，按照平面杆系结构进行整体分析。计算模型考虑了钢管混凝土实际形成过程，钢管部分先期架设并参与受力，管内混凝土达到强度后再参与受力。拱肋内混凝土形成整体后，安装吊杆，根据计算确定吊杆合理张拉顺序和张拉力。每对双吊杆初张力为100 kN，桥面系施工完毕后，调整吊杆索力至580～700 kN。

主梁按全预应力构件设计，呈全截面受压状态。ZK静活载作用下，梁端最大转角为0.640‰，“ZK静活载+0.5倍温度”作用下，主梁跨中最大挠度为48.4 mm，挠跨比为1/4611。全桥升温25 ℃时，主梁梁端的纵向变形为75.25 mm、25.23 mm，主跨跨中最大上挠0.29 mm，拱顶上挠10.1 mm，主梁强度、刚度满足规范要求。

4.2 徐变变形分析

随着时间的增长，大跨度预应力混凝土结构会产生持续变形，徐变变形引起结构内力重分布，进而造成桥梁几何线形的改变，给高速铁路轨道平顺性带来不利影响。本桥主跨达200 m，通过采取以下措施尽量减小徐变变形[4-5]。

(1)适当延长加载龄期

在主梁悬臂浇筑施工时，混凝土加载龄期越大，则徐变终极值越小；随着混凝土龄期的增长，其弹性模量也相应提高，弹性变形减小。在不影响工期的前提下，合理的施加预应力时间，是控制徐变变形的重要因素。本桥设计时悬灌浇筑段混凝土加载龄期要求强度、弹模达到设计值的100%，并不小于7d。

(2)控制主梁恒载应力

混凝土梁的徐变与恒载作用下主梁上、下缘正应力差值有关，差值越大，后期徐变变形也越大。本桥预应力钢束布置时，在充分考虑张拉锚固等构造要求下，最大化增加预应力钢束偏心距，使二期恒载铺设完成后，梁体截面上下缘应力差控制在3.5 MPa左右。

(3)合理的刚度取值

根据线性徐变理论，徐变上拱的大小与施加预应力时梁体的弹性模量有关，偏低的弹性模量会引起较大的徐变上拱，实际施工时，应保证混凝土强度、弹模均达到设计要求。另外，适当加大高跨比也可以提高设计刚度。徐洪河(100+200+100) m连续梁-拱设计时，梁体中支点和跨中高度分别采用12.0 m和6.0 m，通过适当加大梁高的方式，限制了主梁跨中截面下缘预压应力水平，控制徐变变形。

本桥设计时，对混凝土收缩徐变的计算统一按照初应变原理采用增量理论计算， 徐变系数按照桥博士计算程序自动计算。二期恒载加载时间按照180 d计，成桥1 500 d、10年、35年后，主梁徐变变形对比见表1。

表1 主梁徐变变形结果

一般情况下，混凝土收缩徐变终极时间大多在3～5年，本桥徐变终极时间按照10年考虑。成桥10年主梁后期徐变变形边、中跨差值最大分别为-7.1 mm和17.6 mm。

4.3 拱肋检算

在拱肋未灌注混凝土前，主拱肋及横向联结系为完全的钢结构，应按钢结构要求进行验算；拱肋灌注混凝土以后及在桥梁的长期运营阶段，为钢管混凝土结构。运营阶段拱肋钢管最大压应力为149 MPa，管内混凝土局部出现拉应力为0.719 MPa。拱肋纵向稳定系数为6.67，拱肋横向稳定系数为5.59，整体稳定性满足规范要求。

4.4 吊杆计算

主力作用下，吊杆最大应力为299 MPa，安全系数为5.58；“主力+附加力”作用下，吊杆最大应力为333 MPa，安全系数为5.02。活载作用下，吊杆最大应力变幅为125 MPa。

4.5 车桥动力分析

对徐洪河特大桥进行车桥耦合动力仿真分析，在动车组客车CRH2、CRH3以160～300 km/h速度通过时，桥梁结构竖向最大位移为7.52 mm，横向最大位移为0.62 mm，最大动力响应均小于规范限值；车辆的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标亦均在限值以内；动车和拖车的竖向、横向舒适性均达到“优”。

5 抗震计算分析

5.1 自振特性分析

动力及抗震计算采用有限元分析软件MIDAS Civil进行，全桥共计682个节点、622个单元，梁及拱肋采用空间梁单元，吊杆采用空间桁架单元。根据有限元模型，对该桥进行了自振特性及屈曲模态分析[6-8]，并且以此为基础进行结构地震响应计算，空间计算模型如图4。

图4 主桥空间计算模型

本桥成桥状态动力特性见表2，本桥第一阶振型为拱面外弯曲，可见钢管拱桥的面外刚度相对较小，易发生面外失稳；本桥第一阶屈曲模态为拱肋横向对称弯曲。

表2 成桥状态结构动力特性

5.2 抗震计算

桥址区场地50年超越概率63.2%(多遇地震)、50 年超越概率10%(设计地震)、50年超越概率2%(罕遇地震)的地震动参数取值见表3。由于属于典型高烈度地区，应根据场地安评报告进行抗震设计。抗震验算时，采用梁单元模拟主梁、墩柱、承台，采用6个自由度的弹簧刚度矩阵模拟桩基与土的相互作用，采用6弹簧单元模拟桩基础，弹簧刚度数值根据“m”法确定。

表3 徐宿淮盐跨徐沙河场地水平向设计地震动参数

采用反应谱法计算多遇地震下结构响应，设计地震动加速度反应谱计算公式为

Sa(T)=Amaxβ(T)

(1)

(2)

式(1)和式(2)中，Amax为设计地震动峰值加速度，β(T)为设计地震动加速度放大系数反应谱，T为反应谱周期，βm为放大系数反应谱最大值，T1为第一拐点周期，Tg为反应谱特征周期，式中各参数按表3取值。设计采用双曲面摩擦摆支座，该支座设置剪切销，剪切销强度按1.05倍多遇地震水平剪力控制，多遇地震作用下墩底内力见表4[9-10]。

表4 多遇地震作用下墩底内力

在罕遇地震作用下，墩身和基础需要承担很大的水平力，为保证桥梁的正常运营，采用双曲面球形减隔震支座对桥梁结构进行减隔震[11-12]。建立本桥的非线性动力分析模型，并考虑双曲面减隔震支座减震效应，在设计地震和罕遇地震作用下进行减隔震分析。时程分析时，采用摩擦摆单元模拟双曲面球型减隔震支座[13-16]，考虑地震作用下活动支座滑动摩擦效应和双曲面减隔震支座的非线性，减隔震支座计算参数见表5。

表5 双曲面摩擦摆支座计算参数

设计地震作用下，各墩支座顺桥向和横向桥位移最大为27 cm。罕遇地震作用下，采用普通支座固定墩最大纵向弯矩为1 783 093 kN·m，采用减隔震支座后，中间墩最大弯矩为517 097 kN·m，减震率达71%，可见双曲面球形减隔震支座具有较好的减震效果。

6 结语

以徐宿淮盐线徐洪河特大桥(100+200+100) m连续梁拱为研究背景，对其进行深入分析，得出以下结论。

(1)在设计大跨度预应力混凝土连续梁拱桥时，可以通过适当加大梁体截面尺寸、增加预应力钢束偏心距、选择合理混凝土加载龄期、保证施工时混凝土弹性模量等措施有效控制梁体徐变变形。

(2)采用双曲面摩擦摆支座可以延长结构周期，有效削弱地震力作用，优化制动墩设计。