铁路高墩大跨连续刚构双肢薄壁墩设计关键技术研究-王树旺

收稿日期:20150623;修回日期:20150627作者简介:王树旺(1983—),男,工程师,2006年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业,工学学士,E鄄mail:[e-mail]。第60卷摇第2期2016年2月铁道标准设计RAILWAY摇STANDARD摇DESIGNVol.60摇No.2Feb.2016文章编号:10042954(2016)02008104铁路高墩大跨连续刚构双肢薄壁墩设计关键技术研究王树旺(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京摇102600)摘摇要:结合新建和邢铁路宋家庄川特大桥主桥(60+2伊100+60)m连续刚构工程,从桥式方案比选到墩形选择进行充分论证,对控制刚构设计的墩身合理尺寸、刚度、动力特性、对顶力、施工及成桥状态稳定等关键技术进行计算分析,总结一套较完整、切实可行的设计思路和方法,阐述双肢薄壁墩的特点及应用范围。关键词:铁路桥;连续刚构;双肢薄壁;对顶力;刚度;动力特性;稳定中图分类号:U443郾22摇摇文献标识码:A摇摇DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.017KeyTechniquesfortheDesignofDouble鄄legandThin鄄wallPiersofRailwayHigh鄄pierandLarge鄄spanContinuousRigidFrameBridgesWANGShu鄄wang(ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Beijing102600,China)Abstract:Basedonthenewly鄄builtcontinuousrigidframebridgeprojectofSongjiazhuangchuanextra鄄longbridgewithamainbridgeof(60+2伊100+60)monHeshun鄄XingtaiRailway,thispaperfullyverifiesitsschemeselectioninperspectiveofbridgetypeandpiertype,analyzesthekeytechniquesforrigidframedesignsuchasreasonablesizeofpierbody,rigidity,dynamicproperty,jackingforce,constructionandbridgestability,summarizesacompletesetofcomprehensiveandpracticaldesignconceptandmethod,addressesthecharacteristicsandapplicationsofdouble鄄legandthin鄄wallpiers.Keywords:Railroadbridge;Continuousrigidframe;Twin鄄leggedthin鄄wall;Jackingforce;Rigidity;Dynamicproperty;Stability1摇概述目前,高墩大跨连续刚构因其受力好、无支座、施工技术成熟、行车顺畅且适应性强等优点在普铁、客运专线及高铁桥梁跨越高山深谷、河流灌渠时得到广泛应用,并朝轻质、高强及新型组合结构方向发展。随着预应力、悬臂技术以及桥墩翻模、滑膜施工技术的发展[1],200m以内跨径的铁路连续刚构桥梁设计已非常普遍,且墩高由几十米做到了上百米,表1收集了国内具代表性的铁路高墩大跨薄壁墩连续刚构桥资料[2,3]。2摇工程背景及桥式方案2郾1摇工程背景新建和邢铁路为玉级单线铁路,设计荷载为中-活载,速度120km/h。主桥主梁截面形式为单箱单室变高度箱梁,箱梁顶宽7郾4m,箱梁底宽5郾4m,主墩处梁高7郾5m,边墩处梁高4郾5m。主桥桥位处跨越宋家庄川,位于野沟门水库下游约1郾2km处。野沟门水库控制流域面积518km2,总库容5040万m3,设计洪峰流量为4025m3/s,设计水位为402郾9m。2郾2摇桥式方案桥型选择应根据桥位处地形、地貌及水文等条件,按照受力合理、技术成熟、安全经济、利于养护且与周围环境协调等原则进行。本桥桥位处地形地貌复杂,高差约87m,宋家庄川河底至线路最大高程达90m,河道成U形,百年水位水面宽约175m,由于线路与沟底高程相差大,且U形河道底较宽,需采用约200m高墩、大跨度结构跨越,如果采用钢桁梁或拱桥方案,主桥跨度势必过大,且墩高较高,对结构受力不利,另外,两种方案经济性差,不便施工,临时工程量大,工期难得到保证,后期维护费用高。故本桥仅对64m简支箱2016-01-1914:59:33梁造桥机方案及连续刚构方案从施工方法、施工工期、造价等方面进行比选,见表2。表1摇国内铁路高墩大跨薄壁墩连续刚构资料m项目南昆铁路内昆铁路襄渝二线宜万铁路渝怀铁路遂渝铁路广珠城际铁路温福客运专线武广客运专线石太客运专线太中银铁路桥名跨径桥墩构造形式最大墩高纵向壁厚喜旧溪河大桥56+88+56双肢薄壁60郾08郾01郾5清水河大桥72+128+72矩形空心墩100郾08郾01郾1乌家坪1号大桥56+88+56双肢薄壁75郾06郾21郾8李子沟大桥72+3伊128+72矩形空心墩107郾08郾01郾1牛角坪特大桥100+192+100矩形空心墩98郾011郾01郾3渡口河特大桥72+128+72矩形空心墩128郾08郾01郾2井口嘉陵江特大桥84+144+84矩形空心变圆端96郾09郾01郾5新穿井坝涪江特大桥68+128+68矩形空心70郾08郾01郾8桐子林嘉陵江双线大桥98+168+92双肢薄壁56郾09郾52郾5小榄水道特大桥100+155+100双肢薄壁20郾64郾01郾8田螺大桥88+160+88双肢薄壁32郾08郾01郾5流溪河特大桥94+168+94双肢薄壁22郾38郾02郾5黑水坪特大桥48+3伊80+48矩形空心墩61郾08郾01郾2跨河口庙水库特大桥96+168+96矩形空心墩85郾09郾01郾5摇摇注:表中“纵向冶对双肢薄壁墩指双肢中心间距,对矩形空心墩指墩纵向宽度。表2摇桥式方案比选项目连续刚构方案简支箱梁方案桥式方案15-32m简支T梁+(60+2伊100+60)m连续刚构+4-32m简支T梁9-32m简支T梁+9-64m简支箱梁+1-40m简支箱梁全桥长/m953郾305945郾01施工方法挂篮悬臂施工节段预制造桥机拼装施工临时设施少多施工工期/月1210郾5总造价/万元6354郾46142郾8优缺点优点:河中墩少,行洪通畅;桥高与跨度协调,整体美观缺点:工期较长;造价较高优点:造价较低,施工工期较短;缺点:临时设施较多;墩高跨小,尺寸大,与自然景观不协调摇摇相对64m简支箱梁造桥机方案而言,连续刚构方案外观简洁明快、美观,临时设施少,施工技术相对成熟,综合考虑后确定采用刚构方案,主桥桥跨布置见图1。图1摇主桥桥跨布置(单位:cm)摇28铁道标准设计第60卷3摇设计特点及重难点高墩大跨连续刚构具有墩高、联长、温度跨度大等特点,设计时须考虑以下几个重点要素[4,5]:(1)应使其具有适当的纵向抗推刚度,以适应纵桥向温度、混凝土收缩徐变等引起的变形,同时应使其具有较大的抗弯刚度以满足其自身的受力需求;(2)应具有一定的横向刚度,抵抗横向列车荷载及风荷载,减小侧向位移,提高行车舒适性;(3)桥墩应满足安全稳定性;(4)墩型应与周围环境相协调、方便施工。4摇桥墩形式研究国内铁路高墩大跨刚构桥墩大多采用双肢薄壁与单体空心墩,双肢薄壁墩与单体空心墩相比,一般而言,单体空心墩特别是箱形截面的抗扭性能好,抗推能力强,但其柔性不如双肢薄壁墩。双肢薄壁墩综合抗弯刚度大,而水平抗推刚度约是单体墩的1/4[3],温差引起的温度力较小,墩身允许的水平位移较大,整体性好,当跨度大、墩高较高时,考虑到施工中墩的稳定性,一般宜设置系梁[6]。此外,双壁墩减小了跨径,对负弯矩的消峰能力强一些,能有效降低梁高。但随着墩身高度的不断增加,单体空心墩的柔性逐渐增强,允许的纵向变位也随之增大,且单体空心墩施工及成桥状态稳定性要高于双肢薄壁墩,因此,当墩高不高时常采用双肢薄壁墩,墩高较高时结合受力、稳定、环境等综合因素采用双肢薄壁墩或单体空心墩。本桥对主墩单体空心墩及圆端形双肢薄壁墩从水平抗推刚度及抗弯刚度方面进行了比较分析(图2),分析结果见表3。结果表明,在两种墩型混凝土用量相当下,单体空心墩水平抗推刚度为双肢薄壁墩的1郾55倍,而抗弯刚度为双肢薄壁墩的0郾7倍。本桥温度跨度达100m,采用单体空心墩对梁根部应力影响较大,最小拉应力为-2郾2MPa。经考虑后采用圆端形双肢薄壁墩,其水平抗推刚度较小,双肢间距拉开能有效减小主梁根部负弯矩,改善梁体受力。且本桥跨越宋家庄川,圆端形双肢薄壁墩对水流有利。表3摇单体空心墩与双肢薄壁墩比较结果墩形水平抗推刚度/(kN/cm)抗弯刚度/(kN/rad)混凝土方量/m3单体空心墩970郾9142857郾12656郾1双肢薄壁墩632郾9200000郾02778郾65摇设计关键技术5郾1摇主墩截面参数(b、H)的确定(1)墩纵向宽度b图2摇主墩横截面(括号内数字为墩底截面尺寸)(单位:cm)摇根据表1收集的国内已建高墩大跨连续刚构资料及文献[3]可知,墩纵向宽b一般为0郾2~0郾4[3]倍中墩处梁高,本桥分别对墩宽b=1郾5、2郾0、2郾5、3郾0m时分析其对主梁及主墩的影响。对比结果见表4、表5。表4摇墩宽度变化对主梁的影响墩宽b/m弯矩/(kN·m)上缘最小应力/MPa下缘最小应力/MPa边跨主墩中跨边跨主墩中跨边跨主墩中跨1郾538093120778493934郾04郾46郾82郾61郾52郾02郾037175124883484634郾44郾14郾01郾91郾42郾02郾536701127646479924郾24郾04郾13郾01郾31郾93郾036445129284477474郾34郾06郾03郾01郾21郾9摇摇注:表中“边跨冶、“主墩冶、“中跨冶分别指边跨跨中截面,主墩处截面、中跨跨中截面对应结果。表5摇墩宽度变化对主墩的影响墩宽b/m墩底弯矩/(kN·m)墩底轴力/kN边跨侧肢中跨侧肢边跨侧肢中跨侧肢1郾5218061927384832686282郾0282072248292400832702郾5426702649099634970713郾06123534352106475109711从表4中可以看出,墩宽从1郾5m变化到3郾0m时,主墩处主梁弯矩增加约7%,边跨跨中及中跨跨中增加约5%,变化不是特别明显。墩宽从1郾5m变化到3郾0m时,对主梁应力影响也较小。由此可见,墩宽变化对主梁内力、应力影响不大,设计时可仅从墩柱自身受力角度来考虑。从表5中可以看出,墩宽从1郾5m变化到3郾0m时,墩底弯矩最大增加近3倍,随着墩宽的增加,主墩的刚度也随之增大,主墩受力也相应增加,故设计时应在主墩自身满足受力及变形的前提下,尽量减小主墩纵向宽度[7]。经计算,本桥主墩纵向宽度采用2郾2m较为合理。(2)墩纵向间距H主墩间距一般与根部梁高基本一致,本桥主墩间距H根据施工悬臂状态最大不平衡弯矩驻M来确定[8]。W=ab3/3+abH2H+b,应力滓=驻MW臆0郾7fct38第2期王树旺—铁路高墩大跨连续刚构双肢薄壁墩设计关键技术研究摇摇式中,a为横向宽;b为顺桥向宽;H为墩间距;W为墩柱截面惯矩;fct为混凝土容许拉应力。本桥a=10m,b=2郾2m,fct=3郾3MPa(C40混凝土),施工最大不平衡弯矩考虑一个节段浇筑差+一侧悬臂5%梁体不均匀自重+挂篮掉落组合工况,驻M=104243kN·m,初定H=6m。W=10伊2郾23/3+10伊2郾2伊626+2郾2=100郾9m3W忆=