摘 要：概要地介绍了内昆铁路花土坡特大桥高墩大跨预应力混凝土连续梁设计。该桥主桥为一联4孔预应力混凝土连续梁,主跨104ｍ,主墩高达110ｍ。
关键词:高墩;长跨桥;预应力混凝土结构;连续梁;铁路桥;桥梁设计
1 概 述 内昆铁路花土坡特大桥位于云南、贵州两省交界处,桥址属于高原剥蚀、侵蚀地貌。地形起伏较大,相对高差约120ｍ,其中右岸冲沟发育,岸坡及冲沟壁陡立,靠昆明端有一古滑坡,桥渡区大部分垦为旱地,植被极差。离大桥桥位200～300ｍ为区域性大断裂“龙翻身”断层,该断层为一逆掩断层,近Ｓ～Ｎ向展布,倾向东。受其影响,地层岩体破碎,节理(裂隙)发育。桥址处属亚热带季风湿润气候,年平均气温为10.4℃,极端最高气温35.7℃,极端最低气温-15.3℃。极端风速24ｍ/ｓ。桥址处地震基本烈度为7度。勘测时,对该段线路经过多方案的综合比较,选定线路在此通过。花土坡特大桥主桥结构为一联(64+2×104+64)ｍ预应力混凝土连续梁桥,主墩高达110ｍ。
2 主梁结构设计
2.1 主梁构造及节段划分
主梁采用单箱单室、直腹板、变截面变高度箱梁,其几何尺寸的确定由梁的横、竖向刚度及某些构造因素控制。本桥跨中梁高为4.5ｍ,为主跨的1/23.11,中支点梁高为7.6ｍ,为主跨的1/13.68。本桥箱宽在保证足够刚度的前提下,采用5.0ｍ,宽跨比为1/20.8,突破了1/20的限制。桥面宽7.0ｍ。梁高及底板厚沿跨径方向按二次抛物线变化,跨中设10ｍ长的直线段,使得梁体轻巧,梁底曲线流畅。箱梁顶板厚度为0.42ｍ,边跨端块处顶板厚由0.42ｍ渐变至0.80ｍ,主要为构造控制。底板厚度为0.40～0.90ｍ,腹板厚度为0.40～0.70ｍ,主要为强度及构造控制。
在考虑全梁的节段划分时,根据一般悬臂灌筑施工节段长度在4ｍ以下,各节段重量不宜相差太大,且节段长度不宜太多的原则,悬灌节段长度分为3.0,3.5,4.0ｍ三种。0号段长度考虑挂篮所需的长度等因素,节段长度采用12ｍ。边跨端部节段长为3.6ｍ,合龙段长为2.0ｍ。预应力混凝土桥梁,随着跨度的增加,恒载所占的比重也加大。因此,在设计时尽可能采用高标号混凝土以提高截面的有效承载力,同时在保证梁体必要刚度的前提下,尽可能地减轻梁体结构自重。本桥为单线铁路桥,考虑到箱形截面抗弯及抗扭刚度大,仅在支座处设有横隔板,这样既减轻了梁体的自重也简化了施工工艺。
2.2 梁体预应力体系
箱梁按全预应力设计,考虑箱梁较高、较宽以及铁路活载较大等因素,通过计算决定对梁体采用三向预应力布置。纵向顶板、腹板钢束采用9-75高强度低松弛钢绞线,ｆｐｋ=1860ＭＰａ,ＳＴＭ15-9群锚;底板钢束采用12-75高强度低松弛钢绞线,ｆｐｋ=1860ＭＰａ,ＳＴＭ15-12群锚。横向采用2-75钢绞线,扁型金属波纹管成孔,单端交替张拉,张拉端为ＳＴＢＭ15-2扁形锚具锚固,固定端为ＳＴＢＭ15Ｐ-2型锚具锚固。在箱梁顶板每0.5ｍ布置1根。腹板竖向预应力采用Ｌ25高强精轧螺纹粗钢筋,ＹＧＭ-25型锚具锚固,在腹板内双排布置,在梁上间距为0.4～0.5ｍ。考虑到腹板根部的负弯矩,钢筋重心布置偏向外侧,它与腹板弯起的钢绞线及横向箍筋共同承担梁体的主拉应力。
2.3 主梁结构计算
将连续梁划分为98个单元进行有限元分析计算,分别按拟定的施工步骤和成桥运营进行全面计算。荷载按主力及主力+附加力进行组合,并计入列车冲击力。主力组合:恒载+活载+预应力+混凝土收缩徐变+支点沉降;主力+附加力组合:①主力+支座摩阻+温度变化;②主力+制动力+温度变化。计算顶、底板最大压应力为13.26ＭＰａ,最小压应力为1.92ＭＰａ,截面均不出现拉应力,主跨跨中最大活载挠度4.7ｃｍ;边跨跨中最大活载挠度1.7ｃｍ。
3 桥墩设计 主桥各墩所承受的制动力或牵引力,按各墩的抗推刚度进行分配,并考虑活动支座滑移后引起制动力的重新分配以及温度变化引起梁体伸缩变形产生的水平力对制动力分配的影响。对于风力的影响,考虑了合理的风振系数。除常规计算外,还对墩、梁整体进行动力特性分析。连续梁3个主墩墩高分别为104,110,78ｍ,2个边墩墩高分别为66ｍ和55ｍ。该桥地处云贵高原,风速较大,极端风速达24ｍ/ｓ。因此,对风力问题要引起足够的重视,墩身应选择合理的抗风结构形式,尽量减少风振的影响。本桥墩身采用钢筋混凝土圆端形空心墩,这种墩型抗风性能良好,抗弯及抗扭刚度大。在桥墩设计中,采用ＡＮＳＹＳ的ＳＯＬＩＤ45、ＳＯＬ ＩＤ95单元对高墩进行实体模拟。为了更好地反映墩、顶帽、实体段的各部位的应力情况,在建模时考虑了这些部分及梗胁的作用。鉴于解题的规模控制,在单元划分时,在墩身与实体连接处单元划分较密,墩身部分则单元划分较稀。荷载处理时,将竖向轴力按等效均布力作用在支承垫石上,横向(纵向)力等效到4个锚栓孔处,由于ＳＯＬＩＤ45、ＳＯＬＩＤ95单元不能直接承受弯矩,故弯矩以等效力偶来代替,作用在支承垫石4个锚栓孔处。计算结果表明,除了墩顶、墩底应力变化大,且应力较集中外,墩身部分应力分布变化均匀;墩身的应力分布反映了墩偏心受压的受力特性,其截面应力满足设计要求;在墩身与顶帽和基础连接处,由于实体段的刚度较墩壁大,相当于固端,对墩壁有约束作用,因此,该部位的纵向应力和环向应力增大很多,须在设计中引起重视。
责任编辑：xiaohan
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