ｌＩ。熬＿ 裰 簿＿√ ・ （１００＋１９２＋１００）ｍ铁路预应力混凝土连续刚构桥刚度控制设计 刘 伟，岳 强 （中铁二院工程集团有限公司土建一院，四川成都６１００３１） 【摘要】 针对亚洲最大跨度的铁路预应力混凝土梁桥——牛角坪特大桥（１００＋１９２＋１００）ｍ连续刚 构，计算分析了上部结构、下部结构对桥梁刚度的影响，总结了保证桥梁刚度的设计思路与方法。 【关键词】铁路桥梁； 高墩大跨；预应力混凝土；纵横向刚度；设计 【中图分类号】Ｕ４４２．５ ４ 襄渝增建二线铁路牛角坪特大桥位于陕西省汉中市镇 巴县，桥位属大巴山高山河谷地貌，跨越既有襄渝铁路及川 陕高速公路。两岸自然坡度较陡，约３０。～５０。，谷底为松树 坝断层，破碎带宽约８０～１６０ ＩＴＩ，桥高近１２０ ｍ，桥位地震动峰 值加速度为０．０５ｇ。牛角坪大桥主桥为（１００＋１９２＋１００）ｍ 预应力混凝土连续刚构，采用对称悬臂灌注法施工，为亚洲 最大跨度混凝土连续刚构铁路桥。 主要技术标准（１）线路等级：Ｉ级。（２）正线数目：双 线，线间距４．２ ｉｎ。（３）设计行车速度：１４０ ｋｍ／ｈ。（４）设计 荷载：中一活载。（５）使用年限：正常条件下设计寿命为 １００年。 【文献标识码】Ｂ １２：１放坡，墩底部采用圆弧形二次放坡，圆弧半径分别为 ９７．３４ ｍ、４１．８８ ｍ，并与上部直线坡相切。通过二次圆弧形放 坡，合理地把质量及刚度集中在墩身下部，将结构的中心下 移，有效地增加了墩身横向刚度，并提升了外观效果。 主墩基础均采用桩基础。９８ ｍ高墩采用挖孔桩，桩径 ３．０ ｍ，３ ｘ６＝１８根桩成行列式布置，桩长为１７～１９ １３１；６９ ｍ 高墩采用钻孑Ｌ桩，桩径２．５ ｍ，３ Ｘ ７＝２１根桩成行列式布置， 桩长３９～５４ ｍ。 ２桥梁刚度控制设计 ２．１计算模型 ｌ桥梁构造 （１００＋１９２＋ｌｏｏ）ｍ刚构梁部采用直腹板的单箱单室变 高截面，梁体采用Ｃ５５混凝土，箱梁顶宽为１１．２ ｍ，箱宽为 ９．２ ｍ；跨中截面梁高７．２ ＩＴＩ，中墩处梁高为１３．５ ｍ，梁高变化 段梁底曲线按Ｙ＝７．２＋ ／１ ０４１．４３二次抛物线变化。全桥 顶板厚６２ ｏｍ，底板厚为５１～１２０ ｅｍ，腹板厚为６０～１２０ ｏｍ。 采用ＭＩＤＩＳ／ＣＩＶＩＬ建立（１００＋１９２＋１００）ｍ连续刚构 的分析计算模型，主梁、墩身采用空间梁单元来模拟，墩梁之 间采用主从关系进行处理，主墩群桩基础转化为门式刚架进 行等效，二期恒载质量作为均布质量分配到主梁单元中。主 要对梁体跨中横向位移、梁体跨中竖向挠度、墩顶纵横向弹 性位移及结构自振周期进行计算分析。 横截面如图１。 图２连续刚构结构计算模型 ２．２刚度计算比选 连续刚构整体刚度的控制因素主要有梁高、梁体箱体宽 度及墩身构造及尺寸。 ２．２．１梁高及梁体箱宽比选 鼗尘筮重 塞壁壁堂 通过表１、表２分析可知，刚构梁体跨中竖向挠度远小于 设计规范要求的／，／８００，刚构梁体跨中横向水平位移远小于 规范要求的Ｌ／４ ０００。梁高及箱宽在一定范围内变化对结构 图１箱粱截面 主墩采用钢筋混凝土矩形空心墩，墩高分别为９８ ｍ、６９ ｍ。主墩纵宽１１．０ ｍ，壁厚１．５ ｎｌ，内外壁均采用直坡；墩顶 横宽９．２ ｒｎ，与箱宽一致并顺接，墩顶部２／３墩高范围采用 ［定稿日期］２０１２—０３—０１ １５４ 四ＪＩｌ建筑第３２卷５期２０１２．１０ 叠 ＿ 程 横向、纵向刚度的影响非常小，梁体尺寸主要由结构受力控 制。梁体箱宽选用９．２ ｍ，梁高取７．２—１３．５ １ＴＩ。 ２．２．２主墩纵向尺寸比选 曩 构ｌｌ・ｉ＿ ４ ＝４０ ｍｍ；墩宽由１１ ｍ增为１２ ｎｌ时，主墩墩身圬工增加 １ ７９９．９ ｍ ，幅度达７．８％，但连续刚构一阶纵、横向自振周期 变化不大，幅度仅有１．７％。故主墩合理纵向宽度为１Ｉ．０ ｍ。 墩身纵向不放坡，宽度分别选用１０ ＩＴＩ、１１ ＩＴＩ、１２ ｍ进行比 选，见表３。墩宽１０ １１１时，墩顶纵向弹性位移不满足要求的 表１不同箱宽比较表（梁高７．２～１３．５ｍ） 箱宽（ｍ） ９．６ ９．４ ９．２ 第１阶周期 （ｓ） １．６１３（纵向） １．６１４（纵向） １．６１４（纵向） 第２阶周期 （ｓ） １．５０１（横向） １．５２８（横向） １．５４９（横向） 第３阶周期Ｔ（ｓ） ０．９８０（横向） １．０２１（横向） １．０４８（横向） 活载竖向挠度跨中（ｍｍ） 横向水平位移跨中（ｍｍ） ４７．１（Ｌ／４０７６） ４７．３（Ｌ／４０５９） ４７．４（Ｌ／４０５０） １５．５（Ｌ／１２３８７） １５．９（Ｌ／１２０７５） １６．２（Ｌ／１１８５０） 表２不同梁高比较表（梁宽９．２ ｎ１） 梁高（ｍ） ７．０～１３．０ ７．２～ｌ３．２ ７．２～１３．５ 第１阶周期 （ｓ） １．６２１（纵向） １．６２０（纵向） １．６１４（纵向） 第２阶周期Ｔ（ｓ） １．５８２（横向） １．５６７（横向） １．５４９（横向） 第３阶周期 （ｓ） １．１０１（横向） １．０７１（横向） １．０４８（横向） 活载竖向挠度跨中（ｍｍ） 横向水平位移跨中（ｍｍ） ５４．２（Ｌ／３５４２） ４９．１（Ｌ／３９１０） ４７．４（Ｌ／４０５０） １６．５（Ｌ／ｌ１６３６） １６．３（ １１７７９） １６．２（ １１８５０） 表３ 主墩纵宽比较（横向采用直线坡＋圆弧段放坡） 主墩纵宽（ｍ） 第１阶周期 （ｓ） 第２阶周期 （ｓ） 第３阶周期 （ｓ） １．７９６（纵） １．６２４（横） １．１１７（横） 墩顶纵向弹性位移（ｍｍ） ２号墩 ４５．８ ３号墩 ４２．８ 墩身圬工 合计（ｍ。） １９１０Ｈ０．９ １０．Ｏｍ １１．０ ｒｌｌ １２．０ｍ １．６１４（纵） １．６０５（纵） １．５４９（横） １．５２２（横） １．０４８（横） １．０６７（横） ３８．２ ３３．２ ３５．７ ３１．０ ２２９６０．２ ２４７６０．１ ２．２．３主墩横向构造及尺寸比较 主墩墩身下部分别采用半径分别为９７．３４ ｍ、４１．８６ ｉｎ的圆弧 放坡至墩底，内坡为１：０。其他３种为二级直线放坡，只是 坡比不同，见表４。 主墩墩顶横宽与箱宽一致采用９．２ ｍ，对２种不同的横 向放坡方式４种不同横向坡比进行分析比较。第一种为直 线坡＋圆弧段放坡，墩身上部横向直线外坡为１２：１，两个 表４不同墩身横向放坡形式比较 横坡类型 二级直线坡１ （１２：１，４：１） 第１阶周期Ｔ（ｓ） １．６８８（纵） １．第２阶周期７’（ｓ） １．５５６（横） 第３阶周期Ｔ（ｓ） １．０７９（横） 横向水平位移跨中（ｍｌ／１） １６．３（Ｌ／１１８５０） 墩身圬工合计（ｍ。） ２３２０９．１ （１２：１，二级直线坡２ ６：１） ７３５（纵） １．６１１（横） １．５４８（横） １．５４９（横） １．１１７（横） １．０７５（横） １．０４８（横） １７．４（∥１１０３４） １６．２（Ｌ／１１８５０） １６．２（Ｌ／１１８５０） ２２６４０．４ ２３ｌ８８．７ ２２９６０．２ 二级直线坡３ （１０：１，８：１） 直线坡＋圆弧 １．７３１（纵） １．６１４（纵） 通过上述比较可知：对高墩大跨的连续刚构铁路桥，主 墩横向尺寸的变化对结构最为关键的横向刚度的影响非常 各种行车工况分析结果表明，（１００＋１９２＋１００）ＩＴＩ预应 力混凝土连续刚构货车安全行车速度达８０ ｋｍ／ｈ，旅客列车 安全行车速度达１６０—２００ ｋｍ／ｈ，满足货物列车和客车安全 舒适运行的要求。 大，且因墩身圬工的单价远远低于梁体，故宜通过调整墩身 构造及尺寸来提高结构的刚度。而采用直线坡＋墩底圆弧 坡方案将墩身圬工适当集中在下部，可有效地增加刚度，同 时也将结构的重心下移，有利于提高行车性能。 ４动静载试验分析验证 综合考虑车辆长度及桥梁实际情况，试验采用ＳＳ４电力 机车与１９节Ｃ７０重车进行加载，试验列车分别以５ ｋｍ／ｈ、２０ ｋｍ／ｈ、４０ ｋｍ／ｈ、６０ ｋｍ／ｈ、７０ ｋｍ／ｈ、８０ ｋｍ／ｈ速度通过桥梁并 ３车桥耦合分析验证 分别采用２００ ｋｍ动力集中式电动车组、ＳＳ８客车＋双层 准高速列车、Ｃ６２货车以及Ｃ８０重载货车进行车桥动力耦合 分析。针对不同列车类型和行车速度共采用两种轨道不平 顺样本，分别为美国５级谱、美国６级谱。 制动。测试桥梁的刚度、动力响应、运行安全性（脱轨系数 值）、列车平稳性。 （下转第１５８页） 四ＪＩＩ建筑第３２卷５期２０１２．１０ １５５ 。 效率高…。 ２．１２隔震加固 ． 构工程师，２０１０，２６（３）：１８１—１８４ ［２］宋凯 既有建筑结构加固技术方法探讨［Ｊ］．科学之友，２０１１ （１４）：４—５ 隔震技术是在上部结构和基础之间设置铅芯橡胶隔震 支座，利用支座在水平地震作用下的变形来吸收和耗散地震 能量，增大上部结构的自振周期，阻隔地震能量向上部结构 传递，从而减少结构的地震反应。新西兰议会建筑采用铅芯 ［３］ 王玉岭．既有建筑结构加固改造技术手册［Ｍ］，北京：中国建 筑工业出版社，２０１０ 【４］ 周希茂．增大截面法加固钢筋混凝土框支架的非线性有限元 分析［Ｄ］．西安：西安科技大学，２００９ ［５］ 张伟平，王晓刚，顾祥林．碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁抗 弯性能研究［Ｊ］．土木工程学报，２０１０，４３（６）：３４－４１ ［６］ 王晓刚，顾祥林，张伟平．碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁的 抗弯刚度［Ｊ］．建筑结构学报，２００９，３０（５）：１６９—１７６ ［７］ 邓朗妮，陈华．侧贴预应力ＣＦＲＰ板加固混凝土粱抗弯性能的 试验研究［Ｊ］．中国铁道科学，２０１０（５）：２８—３４ ［８］Ｒｏｌｌａｗａｙ Ｌ Ｃ．Ｔｈｅ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｗａｙ Ｆｏｒｗａｒｄ ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｏｌｙ ｍｅｔ Ｃｏ ｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｃｉｖｉｌ Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎ— ｔｅｍａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ＦＲＰ Ｃｏ ｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｎ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 橡胶支座进行抗震加固，该建筑加固后可在地震时水平移动 ３００ ｍｍ。美国加利福尼亚的奥克兰市政大厅，在震后采用了 在基础部位增设隔震装置的抗震加固方法。 在我国，隔震技术已非常成熟，国家制定了相应的标准 和规范，已有上千万平方米的新建建筑采用了隔震技术。代 表性建筑有：北京三里河国务院办公建筑群、昆明新机场、四 川Ｉ成都凯德风尚小区等Ｎ５］。 ２．１３消能减震加固法 消能减震加固法是在结构上附加各种阻尼器，通过阻尼 器大量耗散地震输入到上部结构的能量，从而达到保护主体 结构免遭破坏目的。但目前的阻尼器造价较贵且长期抗震 性能有待进一步验证，限制了该技术的推广应用。 消能减震技术近年来被大量的应用在己有建筑物的抗 ［Ｊ］．Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｌｔｄ，Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ：２００１：２７—４０ ［９］ 吴刚．钢一连续纤维复合筋（ＳＦＣＢ）嵌入式加固混凝土梁试验 研究［Ｊ］．工程抗震与加固改造２００９（１）：８—１３ ［１Ｏ］ 秦绪勇．连续刚构桥跨中置换混凝土加固技术研究［Ｊ］．重庆 交通大学学报（自然科学版），２００８，２７（６）：１０３１—１０３３ 震加固上。如美国的ＷｅｌｌｓＦａｒｇｏ银行大楼，墨西哥城的Ｉｚａ— ｚａｇａ大楼、北京展览馆部分展馆、中国革命历史博物馆、京西 宾馆等国家重点工程 １５］ Ｊ。 ［１２］ ［１１］ＧＢ ５０３６７—２００６混凝土结构加固设计规范［Ｓ］ 良桃，叶蓁，周子范，等．钢筋网复合砂浆加固受弯足尺ＲＣ ３结束语 既有钢筋混凝土结构的加固方法有很多种。在实际工 梁二次受力试验研究［Ｊ］．建筑结构学报，２００６，２７（５）：９３９ １００ ［１３］赵赤云，陈亚静．钢绞线一聚合物砂浆加固钢筋混凝土梁抗 剪承载力［Ｊ］．四川建筑科学研究，２０１０，３６（１）：７１—７５ ［１４］潘明远．钢筋混凝土柱绕丝加固的试验研究［Ｊ＿．混凝土， ２００８（３）：１２４—１２５ 程中，应首先注重从结构体系角度出发考虑结构加固方案， 对方案进行综合比较后选择合适的加固方法，利用各种加固 方法的优点，并结合技术经济效果实现最大化的加固效果。 参考文献 ［１５］ 薛彦涛，范苏榕．传统抗震加固技术与抗震加同新技术介绍 ［Ｊ］．工程建设与设计，２００６（８）：１９—２２ ［１６］张敬书，金德保．汶川地震后的建筑［Ｊ］．抗震加固技术， ［１］王平山．既有建筑改造结构体系加固原则与应用研究［Ｊ］．结 ２０１１，３３（１）：１０６—１１１ 尔 芥 笳 纫 镅 纫 翻 尔 环 并 尔 芥 尔 希 乔 夼 尔 夼 （上接第１５５页） 制因素。 试验结果表明，桥梁结构处于弹性工作状态。竖向挠跨 （２）主墩构造及尺寸对预应力混凝土刚构的影响要远远 大于梁部结构。 （３）把墩身的圬工量及刚度集中置于墩身下部，能有效 地提高连续刚构的刚度、降低结构重心从而提高行车性能。 参考文献 比小于《铁路桥梁检定规范》提出的桥梁跨中竖向挠跨比通 常值１／１ ８００；实测主梁的一阶竖弯频率大于计算值，实测最 低横向自振频率大于《铁路桥梁检定规范》规定的规范限值； 实测主梁横向加速度实测值、动力系数实测值、机车脱轨系 数实测值均小于规范限值。 大桥的静动载试验表明：大桥的强度、刚度及行车响应 满足设计及规范要求，并有一定的安全储备。 预应力混凝土连续梁桥［Ｍ］．北京：人民交通出版 ［１］范立础． 社．１９８５ ５结束语 高墩大跨预应力混凝土桥是西南山区一种常用的桥式， ［２］王勖成． 有限单元法［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３：４７０ ４７１ 为保证该类结构的刚度，经过上述分析得出以下结论： （１）结构刚度是高墩大跨预应力混凝土铁路桥的重要控 ［３］ＴＢ １０００２．３—９９铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设 计规范［Ｓ］ １５８ 四川Ｉ建筑第３２卷５期２０１２．１０