小曲线半径下长联大跨刚构 -连续组合梁的方案比选

王 聪

(中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都 610031)

1 工程概述

新建贵阳至广州铁路(简称贵广线)是我国西南山区的一条高标准快速铁路,起于贵阳,经贵州、广西、广东三省区,最终止于广州,是西南地区通达华南沿海地区的重要区际铁路通道。

贵广线圣泉一号特大桥是贵广线引入贵阳枢纽的控制工程,线路专业在该处以R=600m的圆曲线和缓和曲线通过,线路纵坡 -24‰,系地形、景观及规划道路控制工程设计。

该桥位于贵阳市西北的黔灵公园对面,出于景观考虑,桥跨结构在黔灵公园范围内采用连续结构通过,以尽量减小梁缝所引起的视觉冲击效应。

因为结构联长较长,若全联采用连续梁结构,则固定墩所受纵向制动力过大,势必引起下部结构设计困难,同时从经济和景观的角度出发,制动墩与非制动墩结构尺寸难以保持一致,视觉效果较差,因此本桥最终采用刚构 -连续组合梁——刚构墩主要承受纵向制动力,连续梁墩主要承受竖向荷载,通过受力的“分工”来确保各墩外形轮廓的一致。经方案综合研究,主桥部分拟采用(48+6×80+48)m刚构 -连续组合梁。主桥范围内各主墩墩高如图1所示。

图1 圣泉一号双线特大桥三刚构方案桥面布置图

对于主桥具体采用刚构墩的数目,本文拟从墩顶纵横向位移、结构自振频率和墩顶内力三个方面进行研究。研究对象分别为 3刚构墩方案、4刚构墩方案和 5刚构墩方案。图1为三刚构方案总布置图。

2 方案比选

2.1 各比较方案简介

三刚构方案中 9#、10#、11#墩采用墩梁固结;四刚构方案中 8#～11#墩采用墩梁固结;而五刚构方案则在 8#～12#墩采用墩梁固结,其它墩墩顶处设支座,且连续梁墩和边墩墩顶均设为抗扭支座。

刚构墩、连续梁墩和边墩外形尺寸保持一致,均采用带圆弧面的矩形空心墩。各墩截面如图 2所示。墩身纵向轮廓尺寸及壁厚均采用直坡且一坡到底,横向外轮廓采用两段式变坡,即距墩顶 55 m以内采用 20∶1坡率,距墩顶 55 m以下部分,除 10#、12#墩采用 1∶1放坡外,其余均采用采用 5∶1放坡;横向内坡采用 60∶1放坡。刚构墩仅在墩底设 4 m厚实体段;非刚构墩墩顶不设顶帽、托盘,墩顶、墩底分别设 3 m、4 m厚实体段。除刚构墩墩顶 4 m范围内采用 C 55混凝土外,刚构墩其它部位及非刚构墩均采用 C 40混凝土。基础均采用 4.0 m厚承台和直径 2.0 m的钻孔桩桩基础。承台采用 C 40、桩基础采用 C 35。各墩桩间距纵向采用 4.8 m、横向采用 5.0 m。

图 2 主墩墩顶截面示意

计算采用大型有限元程序 ANSYS9.0和桥梁专业设计软件GQJS9.7。其中静力计算中预应力效应、列车移动加载和支座沉降通过GQJS计算,其它荷载通过 ANSYS计算,然后与 GQJS计算结果进行手动组合。

分析中,首先按墩底固结情况计算出各种方案中各墩墩底内力,然后根据墩底内力配置桩基,桩基布置如图 1所示。最后在计算结构自振频率和墩顶位移时,将基础转换为双向门式杆件,并与原模型共同受力。

2.2 各方案自振频率比较

三种方案下,桥跨结构的纵横向首阶振型及周期如图 3所示。

图 3 各方案首阶纵横向自振频率示意图

从图 3可以看出,桥跨结构的纵向自振周期随刚构墩的 增加而减小,说明增加墩梁固结约束,能提高结构顺线路方向刚度。

横向自振周期(频率)几乎不受墩梁固结约束的影响,这是因为墩梁固结与抗扭支座对于约束梁部、墩部的面外变形是完全等效的,因此对其面外刚度及振型均影响较小。

2.3 各方案墩顶纵横向位移比较

各方案下,各墩墩顶纵横向位移分别如表 1、表 2所示。

从表 1、表 2可以看出,增加墩梁固结约束,可提高桥跨结构抵抗纵向变形的刚度,减小墩顶纵向位移;但其对墩顶横向位移影响不大。本结构中墩梁固结约束的增加导致墩顶横向位移略有增大,主要由建模误差所引起。因为墩梁固结处梁部与墩身是通过虚拟单元连接而成,而设支座处则通过刚臂连接梁、墩,刚臂的抗弯刚度远大于虚拟单元,因而在墩梁连接处,刚构墩产生的变形大于连续梁墩。

2.4 各方案墩顶内力比较

各方案墩顶控制组合如表3所示,各组合均为弯矩最大时所对应的荷载。

从表 3中内力组合可以看出,增加墩梁固结约束将增加结构超静定次数,导致在温度荷载下的次内力急剧增加,不利于结构设计。从墩顶内力来看,采用三刚构墩方案优于其它方案。

3 结论

(1)圣泉一号双线特大桥位于最小半径为 600 m的曲线上,对于此类结构,一般是第一阶横弯自振周期和墩顶横向位移控制设计。但通过计算及概念分析表明,增加或减少墩梁固结约束,对横向自振周期和墩顶横向位移均无明显改善。

(2)增加墩梁固结约束后,温度荷载将在结构内部产生较大的次内力,控制结构设计。

(3)对于刚构连续梁组合结构,建议在能满足墩顶纵向位移的基础上,尽可能减少墩梁固结约束。

[1] T B10002.1-2005铁路桥涵设计基本规范[S]

[2] T B10002.5-2005铁路桥涵地基和基础设计规范[S]

[3] 陈思孝,岳强.牛角坪双线特大桥刚构 -连续组合梁及连续刚构桥式研究[J].铁道勘察,2007(增刊)

[4] JTGD 62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]