铁路高墩大跨刚构-连续组合梁桥设计

铁路高墩大跨刚构-连续组合梁桥设计
吴根存
【摘要】吴堡黄河特大桥主桥为(70.75+4×120+70.75)m预应力混凝土刚构-连
续组合梁桥,该桥具有"高墩、大跨、长联"的特点.概要介绍主桥上、下部结构构造
设计特点及结构分析计算要点;并通过不同合龙方案对上、下部结构内力影响的研究,选取了合理的施工合龙方案,有效地改善了桥墩和基础受力状态.本桥的设计,为铁路高墩、大跨度铁路预应力结构的设计积累了有益的经验.
【期刊名称】《铁道标准设计》
【年(卷),期】2007(000)002
【总页数】3页(P100-102)
【关键词】高墩;大跨;刚构-连续组合梁桥;设计
【作者】吴根存
【作者单位】铁道第三勘察设计院桥梁处,天津,300142
【正文语种】中文
【中图分类】U442.5
1 概述
吴堡黄河特大桥位于山西省、陕西省交界处，陕西省吴堡县城东部，上跨黄河。

桥位处黄河规划为Ⅴ级航道。

桥梁与黄河基本正交。

桥位避开了河湾，河道较顺直，水文条件有利，通航条件好；河谷较狭窄，桥址处河床宽约400 m，水深2～6 m。

桥址两端地形山势陡峻，纵横向自然坡度较大。

桥址河段属峡谷段，水流坡度陡，流速大，冬季不封冻，春季上游开河时期虽有流凌，但不会出现冰塞、冰坝、壅冰等现象。

该桥为双线铁路桥，客货共线，列车设计行车速度为200 km/h。

主桥孔跨布置为：(70.75+4×120+70.75)m刚构-连续组合梁。

主桥位于直线、平坡上。

其主桥孔
跨布置见图1。

2 主桥结构及构造设计
主桥采用(70.75+4×120+70.75)m预应力混凝土刚构-连续组合梁，中间3个桥
墩和主梁固接，其余两侧桥墩均设置支座。

主桥全长621.5 m，桥高80多 m。

主梁及主梁梁底以下3 m范围内刚壁墩墩身采用C50预应力混凝土，刚壁墩采用
C30钢筋混凝土结构。

图1 主桥孔跨布置(单位：m)
2.1 梁体
梁体为单箱单室变高度变截面箱梁结构，支点处梁高8.9 m，高跨比为1∶13.5，跨中和边跨端部梁高4.9 m，高跨比为1∶24.5。

梁体下缘除中支点处8 m、中跨中部20 m和边跨端部20.75 m梁段为等高直线段外，其余按二次抛物线变化。

箱梁顶板宽11.46 m，底板宽6.4 m，宽跨比为1∶18.75。

顶板厚度为50 cm，
底板厚度为50～100 cm，腹板厚度为50～82 cm。

考虑到箱形截面抗弯及抗扭
刚度大，梁体仅在端部和根部设置横隔板，端部横隔板厚度1.25 m，铰接桥墩墩
顶处横隔板厚度2.0 m，刚壁墩墩顶处横隔板厚度1.1 m。

主桥梁部中支点及跨中截面尺寸见图2。

图2 主桥典型横断面(单位：cm)
悬臂施工浇筑梁段分段长度为3～4.5 m，最大悬臂浇筑质量为188 t。

0号段长度考虑挂篮所需的长度等因素，节段长度采用12m，合龙段长2 m。

主桥桥墩采用空心墩，桥墩最大高度为73 m。

3～6号桥墩考虑流冰压力及船只
撞击力的影响，墩底至通航净高(按最高通航水位计)以上1 m范围内采用实体墩；最高冰期水位以上1 m至墩底范围设置破冰棱。

3～5号桥墩为刚壁墩，其横桥向采用变宽设计，从7.5 m变宽为24 m，坡度8：1，壁厚1.3 m，截面形状从矩
形变为圆端形；顺桥向尺寸按等宽设计，墩宽8 m，壁厚1.1 m。

2.3 基础
主桥2～6号桥墩均采用群桩基础，按摩擦桩设计，基桩设计直径2 m，桩长
24～43 m。

2.4 梁体预应力体系
梁体按全预应力构件设计，设置纵、横、竖三向预应力体系。

2.4.1 纵向预应力钢束
箱梁纵向预应力钢束均采用高强低松弛钢绞线，抗拉强度标准值fpk为1 860 MPa，预应力钢束的锚下控制应力采用σcon=0.7fpk=1 302 MPa，顶板及腹板
纵向预应力钢束采用19-7φ5钢绞线；底板纵向预应力钢束采用17-7φ5钢绞线。

2.4.2 横向预应力钢束
横向预应力钢束采用4-7φ5钢绞线，每0.5 m设置一道，扁形金属波纹管成孔，交替单端张拉。

梁体0号块底板和横隔板处横向预应力加强钢筋采用φ32精轧螺纹粗钢筋，φ45
波纹管成孔。

2.4.3 竖向预应力钢筋
梁体腹板竖向预应力钢筋采用φ32精轧螺纹粗钢筋，抗拉强度标准值fpk=830 MPa，弹性模量Ep=200 GPa，张拉控制力为600.7 kN。

腹板竖向预应力钢筋在纵向每0.5 m设置1道。

3.1 主要计算参数
技术标准 200 km/h客货共线铁路；
预应力钢束的锚下控制应力σcon=0.7fpk；
松弛损失按控制应力的2.5%；
孔道偏差系数 0.002 5；
锚具变形及钢束回缩值每端6 mm；
孔道摩阻系数 0.25；
体系温差按升温25 ℃、降温20 ℃考虑；
日照温差本桥为有碴桥面，按规范不考虑沿梁高方向的温差荷载，考虑到结构对温差荷载比较敏感，为确保安全，计算中按桥面板均匀升温5 ℃计；
支座不均匀沉降按2 cm考虑。

3.2 整体结构分析
主桥施工及运营阶段整体结构分析采用“桥梁结构分析系统BSAS V3.76”主算，采用“MIDAS Civil V6.71”进行校核计算。

计算模型共离散为253个单元，64个施工阶段(含运营阶段)。

主桥施工流程为：下部结构施工完成后在墩旁托架上浇筑0号梁段，1～15号梁段均以挂篮悬臂对称浇筑，中间三个刚壁墩和边上两个铰接桥墩与主梁形成五个T构；然后先合龙次边跨，形成体系，利用挂篮浇筑边跨17号不平衡梁段，在边墩上设置托架浇筑边跨18号梁段，形成体系；最后合龙两中跨，释放2、6号桥墩临时固结，完成全桥的结构体系转换；最后进行桥面系施工。

由于中间4号墩“T”构最后合龙，考虑到大风天气的影响，为避免单“T”结构在最大悬臂状态下持续时间过久，故在设计中提出4号墩“T”构施工应滞后于其余“T”构，待边跨合龙时4号墩“T”构达到最大悬臂状态，以降低施工风险。

笔者按此流程对本桥逐阶段进行分析和计算。

计算表明，箱梁顶、底板最大压应力为14.13 MPa，最小压应力为0.54 MPa，截面均不出现拉应力，主跨跨中最大活载挠度4.5 cm；边跨跨中最大活载挠度1.8 cm。

3.3 局部应力分析
刚构桥墩梁结合部的受力状态和混凝土的应力分布情况极其复杂，单凭平面杆系程序进行计算分析不足以反应该区的真实情况；墩梁连接部位构造极其复杂，除主梁底板与墩身固结以外，主梁内箱设有2道横隔板，横隔板上均留有进人孔洞。

该结合部位承受组合最大负弯矩，其邻近截面承受的剪力也很大，为满足主梁抗弯和抗剪强度要求该节段的配筋也很复杂。

为了反映该处的复杂受力情况和混凝土应力分布情况，以期获得合理的布筋依据，确保结构安全，对墩梁连接部位采用“ANSYS有限元分析程序”建立三维实体单元模型，进行了理论计算分析。

分析结果(图3)表明：箱梁顶板与横隔板结合部位及箱梁底板与桥墩结合部位应力集中比较明显，应力值偏大。

根据计算结果对顶板与横隔板及底板与桥墩结合部位角隅构造进行了优化，适当加大顶板与横隔板结合部位倒角，底板与桥墩结合部位采用圆弧过渡，以降低应力集中程度，改善墩梁结合部的应力状态。

图3 墩梁结合部局部应力分析
3.4 横向分析计算
箱梁横向简化成框架结构，采用“桥梁博士V3.1.0”进行横向分析计算。

箱梁顶板按全预应力构件进行设计。

横向预应力钢束采用4-7φ5钢绞线，钢束间距0.5 m，张拉控制应力采用0.7fpk=1 302 MPa，运营阶段最大压应力3.55 MPa，最小压应力0.32 MPa。

3.5 合龙方案比选
由于本桥联长较长，结构由于混凝土收缩徐变、温度变化、预应力钢束张拉均会产
生较大的次内力。

这就要求在结构设计特别是合龙段设计时，要充分考虑这一问题，采取措施尽可能降低或部分抵消水平力的影响，从而减小梁体轴力，减小桥墩和基础承受的水平力和弯矩，改善结构受力状态。

在同类结构设计施工中，通常采用的措施是在合龙段施工前施加顶力，主动调节结构内力，改善桥墩和基础受力状态。

结合本桥特点，为了利于浇筑边跨17号不平衡梁段，需要先合龙次边跨，再合龙边跨，最后合龙两中跨。

最后合龙阶段的体系为体系，由于两边已形成“”体系，施加顶力效果不明显，计算结果也表明这点。

因此，笔者又寻求其他途径，对施工合龙阶段体系转换进行了比选，在大量试算最终选取两方案进行比较。

方案一：合龙顺序如前所述，2、6号桥墩临时固结在两中跨合龙后再释放；方案二：2、6号桥墩临时固结在两边跨合龙后即释放，余与方案一同。

分析的结果(表1、表2)表明：方案一由于2、6号桥墩墩顶冗余约束(临时固结)的存在，有效地降低了刚构梁体的轴力，从而减小桥墩和基础承受的水平力和弯矩，3号和5号桥墩墩底弯矩较方案二减少40%，大大改善了桥墩和基础受力状态，
因此推荐方案一作为施工方案。

表1 不同合龙方案墩底弯矩比较部位最大弯矩/kN·m最大弯矩比值方案一方案二(方案一/方案二)3号墩底496314 66822683 560 3%5号墩底495196 66831024 0659 6%
表2 不同合龙方案墩顶水平力比较部位最大水平力/kN最大水平力比值方案一方
案二(方案一/方案二)3号墩顶10025 8816776 859 8%5号墩顶9941 7516780 4859 2%
3.6 边跨现浇段施工方案比选
本桥边跨与中跨跨径比采用0.59，边、中跨支点负弯矩较为接近，使得结构受力
较为均衡合理，钢束布置更趋合理，构造更为简单。

同时，由于本桥桥墩较高，边跨现浇段采用落地支架施工难度较大，故本桥在设计中充分考虑了这一因素，合理
选取边跨与中跨跨径比，取消了落地支架，采用在边墩上设置托架的施工方法，减小了施工难度。

3.7 箱梁高度比选
在本桥设计中，进行了支点梁高8.8 m、跨中梁高4.8 m与支点梁高8.9 m、跨中梁高4.9 m的比较计算。

计算比较结果表明：适当加大梁高，可提高箱梁的竖向
刚度，对改善截面的主应力和正应力较为有利。

4 结语
高墩大跨刚构连续梁桥具有梁体内力分布合理、跨越能力强、线条流畅、外观优美等特点，在国内逐渐成为广泛应用的一种桥梁结构形式。

吴堡黄河特大桥具有“高墩、大跨、长联”的特点，通过本桥的设计，为今后高墩、大跨度铁路预应力结构的设计积累了有益的经验，对同类型桥梁设计有一定的参考价值。

参考文献：
[1] 马保林，李子青。

高墩大跨连续刚构桥[M]。

北京：人民交通出版社，2001。

[2] 徐君兰，顾安邦。

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公路交通科技，2005，22(2)：59-62。

[3] TB10002.3—2005，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S]。