高速铁路高墩大跨连续刚构桥设计

高速铁路高墩大跨连续刚构桥设计　李俊龙　（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都６１００３１）　【摘要】　文章针对沪昆高铁（长沙一昆明段）岔河大桥主桥（８８＋１６８＋８８）ｍ预应力混凝土连续刚　构，介绍了高速铁路连续刚构桥的结构设计，对高墩大跨连续刚构桥的静动力特性及车桥耦合动力响应进行　了研究。研究表明对于百米以上高墩，矩形空心墩较双薄壁墩有更好的纵向刚度，同时设置墩身二次放坡，　具有更好的横向刚度和行车动力性能。文章介绍了高速铁路高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥设计的关键　技术。　【关键词】　高速铁路；　高墩大跨；预应力混凝土；　连续刚构；　结构设计　【中图分类号】Ｕ４４２．５　５　【文献标志码】Ａ　１工程概况　育。桥区内地震动峰值加速度为０．１０ｇ。桥址处地质较差，　新建高速铁路沪昆客运专线（长沙至昆明段）岔河大桥　主要有岩溶、断层破碎带、岩堆及顺层。主桥为（８８＋１６８＋　位于贵州省晴隆县与普安县之间，跨越岔河，桥高约１７０　ｍ，　８８）１１＂１预应力混凝土连续刚构，采用对称悬臂灌注法施工，　桥梁全长４８４．０５　ｍ。桥址两岸岸坡地势陡峻，河谷深切，为　主墩墩高分别为７６　ｍ、１０３　ｍ，为目前已建成的３５０　ｋｍ／ｈ时　速高速铁路世界最大跨度的预应力混凝土连续刚构高墩铁　Ｖ型河谷地貌，自然坡度为３０。～６５。，基岩多裸露，植被不发　路桥。主桥总体布置见图１…。　．丝　出　图１主桥总体布置　主要技术标准如下：　８．８　ｍ，桥面宽１２　ｍ。边支座中心线至梁端距离０．９　ｍ，横桥　（１）线路等级：客运专线。　向支座中心距为７　ｍ。中跨跨中１８　ｍ梁段和边跨端部１３．９　（２）设计行车速度：３５０　ｋｍ／ｈ。　ｍ梁段为等高梁段，梁高为６　ｍ。中支点处梁高为１２　ｍ，除０　（３）正线数目：双线；线间距：５　ｍ。　号段外其余梁段梁底下缘按二次抛物线变化。箱梁顶板宽　（４）设计活载：ＺＫ活载。　１２　ｍ，底板宽８　ｍ。顶板厚６２　ｏｍ，边跨端块处顶板厚由６２　（５）轨道结构类型：ＣＲＴＳ—Ｉ型双块式无砟轨道，跨区间　ｅｍ渐变至１００　Ｏ１１＂１。底板厚５２～Ｉ１０　ｅｍ，腹板厚５Ｏ～１１０　ｃｍ。　无缝线路。　梁体在边跨支座处和主墩处设横隔板，全联共设６道横隔　（６）设计洪水频率：１００年一遇。　板，横隔板中部设有孔洞，以便人员通过。梁体标准截面见　（７）使用年限：正常条件下设计寿命为１００　ａ。　图２［　。　２结构构造　２．１上部结构构造　［定稿日期］２０１７—０１—１３　梁体为单箱单室直腹板变高度变截面箱梁，计算跨度为　［作者简介］李俊龙（１９８５一），男，硕士研究生，工程师，　（８８＋１６８＋８８）ｍ，刚构梁体全长３４５．８　ｍ。防护墙内侧净宽　从事大跨桥梁设计研究。　四ＪＩ　ｌ建筑第３７卷１期２０１７．０２　Ｉ　ｌ３５　４２０　．　４ｎ　ｑ　１３５　１　．１　［　１　；牮　≮ｋｌ　，古　ｌ　１　Ｉ　　，／　著　－—班ＬＪ　ｒｌ　ｌ３ｓ；　：ｐ　ｉｎｎ　Ｉ　４∞　；　１３５　１　０　弼　Ｉ　Ｉ　．　尸　＿一ｌ１　８　．．．．／　．』　＼　／　４ｏ０　．　９０。　里　堕室　堡望矍　塑　图２梁体构造（单位：ｃｌｎ）　２．２梁体预应力体系　梁体采用Ｃ５５混凝土，按全预应力结构设计，纵向、横　向、竖向均设预应力。纵向预应力采用ｌ９—１５．２高强度低　松弛钢绞线（ｆＤｋ＝１８６０　ＭＰａ），金属波纹管成孔，１５一ｌ９锚具　锚固。横向预应力采用４—１５．２高强度低松弛钢绞线（ｆ　＝　１８６０　ＭＰａ），金属波纹管成孔，配套扁锚锚固。竖向预应力采　用４，３２　ＰＳＢ８３０螺纹粗钢筋，金属波纹管成孔，对应锚具锚　固，张拉时采用单端张拉的方式，张拉端设在梁顶。　２．３下部结构构造　主墩采用钢筋混凝土矩形空心墩，墩顶处横桥向宽９　ｎｌ，　壁厚为１．１　ｍ；纵桥向宽１０　ｍ，壁厚为１．３　ｍ。主墩纵桥向内　外均不放坡，在墩顶和墩底分别设置１．２　ｍ、６　ｍ高的实体　段。１　主墩高７６　ｍ，横桥向外坡为１５：１，横桥向内坡为３５：１。　为了将墩身质量合理地集中在结构下部，使其重心下移，有　效增加其横向刚度，同时得到较好的外观效果，故２　主墩横　桥向采用直线二次放坡。２　主墩高１０３　ｍ，墩顶以下７５　ｍ范　围横桥向外坡为１５：１，下接直线二次放坡，横桥向外坡变为　１０：１，横桥向内坡为３５：１。２　主墩构造见图３…。主墩基础　均采用钻孔群桩基础，１　主墩桩径２．５　ｍ，共６＋５．４－６：１７根　桩成梅花形布置，桩长为５１　ｍ；２　主墩桩径２．８　ｍ，共３×６＝　１８根桩成行列式布置，桩长为３０～３４　ｉｎ¨－２］。　图３　２　主墩构造（单位：ｃｍ）　两者的相对刚度，且梁体的收缩、徐变及温度应力也与刚构　墩柱的抗推刚度直接相关，既要满足全桥的纵向刚度要求，　又要尽可能地优化梁体内力分布，因此结构刚度是高墩大跨　预应力混凝土铁路桥设计的重要控制因素，选择合适的墩柱　３结构分析和研究　３．１静力计算　采用有限元桥梁专用软件对连续刚构桥进行整体计算　研究，得到各施工阶段和运营阶段的内力、应力及截面强度　纵向刚度是其中的重要内容。由于本桥桥墩较高（超过１００　ｍ），采用双薄壁墩的话，其纵向刚度相对于矩形空心墩较　小，在纵向水平力作用下，纵向位移将增大，同时墩身截面需　等分析结果。施工阶段中，最大压应力１４．８　ＭＰａ，最大拉应　力一１．０　ＭＰａ；在最不利荷载组合下，运营阶段截面均不出现　拉应力，顶、底板压应力均满足规范要求。考虑竖向预应力　钢筋作用时，最大主压应力、主拉应力均满足规范要求。静　保持足够的整体抗弯刚度来保持全桥的整体稳定，势必设计　会加大墩柱尺寸，这样将使圬工增大，且百米高的双薄壁墩　施工的线形控制也较难。故经上述双薄壁墩、矩形空心墩综　合对比，刚构主墩采用矩形空心墩较好　Ｊ。　矩形空心高墩墩顶处横桥向宽９　ｍ，纵桥向宽１０　ｍ，纵　桥向不放坡，在１／４墩高即墩顶以下７５　ｍ处横桥向进行直　线二次放坡。本桥比选如下３种方案，其横桥向放坡区别如　表１所示。　活载作用下中跨跨中最大挠度值为４１．６　ｍｍ（Ｉ．／４０３８），边跨　跨中最大挠度值９．４　ｍｍ　Ｅ３－４　Ｊ。　３．２高墩设计研究　连续刚构桥的墩梁刚性连接，墩与梁的弯矩分配决定于　８８　四川建筑第３７卷１期２０１７．０２　表１主墩横向放坡方案　横向外坡　方案　墩顶至以下７５　ｍ处　７５　ｍ处至墩底　方案一　方案二　方案三　１３：１　１５：ｌ　２０：１　８：１　１０：１　１２：１　３０：１　３５：１　６０：１　横向内坡　综上可知：刚构主墩横向尺寸是全桥整体横向刚度最重要的　控制因素，可通过墩身构造及尺寸的改变来提高结构刚度，　故选择在１／４墩高处横桥向直线二次放坡。此方案将墩身　质量合理地集中在结构下部，使其重心下移，有效增加其横　向刚度，改善了行车性能，同时整体外观效果较好。　３．３车桥耦合动力分析　本桥主跨１６８　ｍ，主墩１０３　ｍ，为目前已建成的３５０　ｋｍ／ｈ　时速高速铁路同类桥梁中的世界最大跨度，桥上铺设无缝线　路，对结构的动力性能要求大大提高，设计合理的竖向和横　向刚度对保证高速列车通过时的行车安全、桥梁安全和旅　客、司机的乘坐舒适性至关重要　一　。　对上述三个主墩方案进行车桥空间耦合动力分析，轨道　不平顺采用德国低干扰轨道谱，列车类型采用德国ＩＣＥ３动　力分散式车组和国产３００　ｋｍ／ｈ动力分散式车组；列车编组　为：２　（动＋拖＋动＋动＋动＋动＋拖＋动），共１６节；速度　等级取２５０、２７５、３００、３２５、３５０、３７５、４００、４２０　ｋｍ／ｈ。　车桥耦合动力分析评价结果见表３一表５。　经有限元计算分析，主墩各方案的自振频率如表２所示。　表２主墩自振频率　项目　纵向基频／Ｈｚ　方案一　０．４９３　方案二　０．４８５　方案三　０．４７３　全桥横向基频／Ｈｚ　竖向基频／Ｈｚ　０．５８８　１．２０６　０．５５７　１．２０１　０．５０４　１．１９４　第一横向自振周期／ｓ　１．７０　１．７９　１．９８　表３车桥耦合动力分析评价（方案一）　乘坐舒适性　列车类型　列车速度　／（ｋ桥梁动力性能　ｍ・ｈ　）　行车安全性　动车　脱轨系数　减载率　满足　竖向　优　横向　优　竖向　优　拖车　横向　良　德国ＩＣＥ３动力　２５０～３５０　满足　满足　分散式车组　３７５～４２０　满足　满足　满足　满足　满足　满足　满足　满足　满足　良　良　良　良　良　良　良　良　良　良　良　良　国产３００ｋｍ／ｈ动力　２５０～３５０　分散式车组　３７５～４２０　表４车桥耦合动力分析评价（方案二）　乘坐舒适性　列车类型　列车速度　／（ｋ桥梁动力性能　ｍ・ｈ　）　行车安全性　动车　拖车　脱轨系数　德国ＩＣＥ３动力　分散式车组　２５０～３５０　３７５～４２０　满足　满足　满足　满足　减载率　满足　满足　满足　满足　竖向　优　良　良　良　横向　良　良　良　良　竖向　优　良　良　良　横向　良　良　良　良　满足　满足　满足　满足　国产３００ｋｍ／ｈ动力　２５０～３５０　分散式车组　３７５～４２０　表５车桥耦合动力分析评价（方案三）　乘坐舒适性　列车类型　列车速度　／（ｋ桥梁动力性能　ｍ・ｈ　）　行车安全性　动车　拖车　脱轨系数　德国ＩＣＥ３动力　分散式车组　２５０～３５０　３７５～４２０　满足　满足　满足　满足　满足　满足　减载率　满足　满足　满足　竖向　优　良　良　横向　良　良　良　竖向　优　良　良　横向　良　合格　良　国产３００ｋｍ／ｈ动力　２５０～３５０　分散式车组　３７５～４２０　满足　满足　满足　良　合格　良　良　车桥空间耦合动力分析结论如下：　（１）三个方案的中跨跨中竖向振动加速度均较小，最大　值基本一致，说明三个方案桥梁的竖向刚度基本一致，几乎　没有变化；方案三的桥梁跨中横向振动加速度明显比方案一　四ＪＩ　Ｊ建筑第３７卷１期２０１７．０２　８９　和方案二的相应值要大，但均在规范限值以内。　（２）在德国ＩＣＥ３和国产３００　ｋｍ／ｈ动车组以速度２５０～　４２０　ｋｍ／ｈ范围作用下，方案一、方案二和方案三的动车与拖　车的脱轨系数、轮轨横向力、轮重减载率等安全性指标均不　舒适、结构安全可靠、运营状态良好。　（３）预应力混凝土连续刚构桥是高速铁路跨越高山峡谷　的常用桥型，沪昆高铁（长沙一昆明段）岔河大桥主桥（８８＋　１６８＋８８）ｍ预应力混凝土连续刚构桥成功地设计、施工并　建成运营，为高速铁路高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥的　设计提供了参考，为其跨度的进一步突破奠定了坚实的　基础。　参考文献　超过限值，满足高速列车行车安全性要求。方案一、方案二　和方案三的竖向舒适性均为“优”或“良”；方案一、方案二的　横向舒适性均为“优”或“良”，但方案三的横向舒适性仅为　“合格”。　可见方案一过于保守，方案三横向刚度略差，因此，为保　证高速列车具有足够的安全性和优秀的舒适性，设计采用方　案二。　［１］　中铁二院工程集团有限责任公司．新建高速铁路沪昆客运专　线（长沙一昆明段）岔河大桥施工图［ｚ］．成都：中铁二院工程　集团有限责任公司，２０１２．　［２］ＴＢ　１０００２．１—２００５铁路桥涵设计基本规范［ｓ］．　４结束语　（１）岔河大桥主桥（８８＋１６８＋８８）ｍ预应力混凝土连续　刚构，最大墩高１０３　ｍ，集高墩、大跨于一体，为当今世界３５０　ｋｍ／ｈ时速高速铁路最大跨度的混凝土连续刚构高墩铁路　桥。主墩采用横桥向直线二次放坡的矩形空心高墩，把墩身　［３］ＴＢ　１０６２１—２０１４高速铁路设计规范［ｓ］．　［４］ＴＢ　１０００２．３—２００５铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构　设计规范［ｓ］．　质量及刚度集中于结构下部，能较好地满足全桥静动力特　性，从而改善行车性能。　（２）通过对本桥静动力特性及车桥耦合动力分析研究，　各项设计参数符合规定，满足旅客乘坐舒适度、高速列车运　营安全性及无缝轨道平顺性等要求。岔河大桥通过静动载　试验，并于２０１６年ｌ２月通车运营，结果表明，大桥行车平稳　幺　幺　盘　Ｒ　Ｒ　［５］　马庭林，陈克坚，徐勇．南昆铁路清水河大桥预应力连续刚构　主桥施工设计［Ｊ］．桥梁建设，１９９７（３）：６９—７４．　［６］陈列，颜华．新建２００　ｋｍ／ｈ客货共线铁路大跨度连续刚构桥设　计研究［Ｊ］．桥梁建设，２００６（６）：３７—３９．　［７］何庭国，鄢勇．遂渝铁路新北碚嘉陵江大桥设计［Ｊ］．桥梁建　设，２００６（ｓ２）：２６—２９．　采　矗　５　‘棠　ｋ　ｋ　ｋ　ｋ　ｔ　（上接第８６页）　工技术探讨［Ｊ］．陕西建筑，２０１０（４）：５３—５６．　［５］盛明宏，方诗圣，宋亚．软弱地层浅埋双连拱隧道施工方法　［Ｊ］．工程与建设，２００７，２１（３）：２９０—２９２．　隧道合、分修方案的选择需要考虑的因素十分的繁杂，　技术人员的知识水平及外部建设环境有很大的影响，有时甚　至可能得出错误的结论。所以，完善我国隧道合、分修方案　［６］钟新，周跃峰．成都至兰州铁路隧道合修和分修方案比较［Ｊ］．　高速铁路技术，２０１１（３）：３３０—３３４．　［７］朱勇，吴华．成兰铁路云屯堡特长隧道合、分修方案研究［Ｊ］．　隧道建设，２０１４，３４（７）：６６１—６６７．　［８］刘鹏．沪昆客运专线壁板坡隧道分合修方案研究［Ｊ］．山西建　筑，２０１１，３７（１５）：１５０—１５２．　选择的评价体系及评价标准是刻不容缓的。　参考文献　［１］关宝树．隧道及地下工程喷混凝土支护技术［Ｍ］．北京：人民　交通出版社，２００９．　［９］赵勇．铁路隧道建设的几个问题［Ｊ］．铁道标准设计，２００４　（７）：１１０—１１６．　［２］王梦恕．中国隧道与地下工程修建技术［Ｍ］．北京：人民交通　出版社，２０１０．　［１０］　王梦恕，张梅．铁路隧道建设理念和设计原则［Ｊ］．中国工程　科学，２００９，１１（１２）：４—８．　［３］　杜宏宝．黄土地质条件下浅埋暗挖施工地表沉降控制及工程　应用［Ｄ］．西安：西安建筑科技大学，２００９．　［４］　范曾国．浅埋暗挖隧道下穿市区主干道、上跨地铁盾构隧道施　［１１］周林峰，余大龙．长大铁路隧道合修、分修方案比选［Ｊ］．中国　铁路，２０１４（８）：４３—４５．　四川建筑第３７卷１期２０１７．０２