新型铁路高墩大浴河特大桥主桥的方案研究

新型铁路高墩大浴河特大桥主桥的方案研究

1大浴河特大桥结构体系黄陵-青城-侯马铁路位于陕西省北部与山西省交界处，位于罗素高原。它的地质特征是黄土覆盖层厚，沟壑纵横。在选择路线时，不可避免地要注意高码头和大桥横跨沟渠的情况。大姚河特桥是线路研究的代表性点。大浴河特大桥主桥采用一联(78+3×140+78)m预应力混凝土连续刚构,联长576m,立面布置如图1所示.箱梁采用三向预应力结构体系,直腹板单箱单室变高度箱形截面.支点梁高11m,跨中梁高6.0m,梁体下缘按二次抛物线变化,箱梁顶宽11.5m,箱底宽7.5m.本桥2个中墩采用刚构墩,1#墩高92m,2#墩高112m,3#至5#墩高均为121m,6#墩高94m.对于这种高墩大跨结构,公路桥一般选用双薄壁空心墩,铁路桥一般采用独柱空心墩.桥墩拟采用2种形式,一种是常用的独柱矩形截面空心墩,另一种就是新型的四柱式墩.四柱式桥墩,其外形可以采用直线形,也可以按照抛物线变化,外形更加美观.2新型桥墩结构的建模在桥梁结构分析中,计算模型的选取对计算结果可能产生较大影响.采用精细的有限元模型,虽然能够得到较为准确的结果,但是耗时耗力.在满足工程精度要求的前提下,采用合适的简化模型计算,将大大降低计算难度.四柱式墩,构造比较特殊,中间连接板相对于柱子较薄,采用何种形式建模,需要做具体的分析.本文选取了一个高为121m的墩,桥墩截面尺寸沿墩高方向分别按照直线及二次抛物线变化,分别采用梁单元、梁-板单元、实体单元建模,桥墩截面如图2所示.不同建模方法求得的单墩刚度如表1所示.由表1可知,梁、板单元及实体单元建模所得的桥墩刚度很接近,梁单元建模所得单墩刚度与上述两者的差别也很小,为减少计算量,新型四柱式桥墩可采用梁单元进行建模.3直线型抗混墩参数的确定高墩大跨连续刚构桥下部结构一般主要由刚度控制设计,而强度比较富余.按照铁路高墩设计实践,由横向基本周期小于2s确定本桥桥墩设计的横向刚度.以矩形空心的桥墩刚度为参照,调整四柱式墩的截面,使得采用两者计算的全桥周期尽量接近.四柱式桥墩采用了2种外形,其截面沿墩高分别按照直线及1.8次抛物线变化,板厚0.5m.最终拟定的四柱式墩截面尺寸如表2所示.直线型四柱式墩全桥计算模型如图3所示.以矩形空心墩为基准,如表3所示,表4-6分别给出了不同形式桥墩的单墩刚度、全桥自振特性及混凝土用量.由表4-5可知,四柱式墩单墩刚度,较矩形空心墩的最大偏大值为6.3%,采用四柱式墩的全桥1阶横向弯曲周期,较矩形空心墩的偏小2%.由表6可知,提供同等刚度前提下,直线型四柱墩混凝土用量相对矩形空心墩可以减少20%,采用1.8次抛物线四柱墩,混凝土用量的减少量也超过了15%,不过其桥墩外形较直线形墩美观.四柱式桥墩相对于常用的矩形空心墩在经济性上有很大的优势.考察不同墩高的混凝土减少量可以发现,墩高90多米时,四柱式桥墩的混凝土减少量接近25%,优势很明显.随着墩高的增大,混凝土用量的相对减少量呈递减趋势.4考虑不同处理的桥墩抗振设计四柱式桥墩,由于其四根柱子相对于柱间板很强,发生地震时,柱子间的板首先开裂.板开裂会吸收地震能量,减小全桥的地震反应.而且,一旦板开裂后,桥墩的刚度会降低,全桥的周期会增长,桥墩所受到的地震力还会相应减小.矩形空心墩截面不允许发生开裂,这样在抗震性能上,矩形空心墩就不具备上述优势.由于板的开裂涉及到混凝土的非线性等因素,本文中暂不考虑开裂过程中的减震效果,仅考虑混凝土开裂后桥墩刚度降低引起地震力的减少量.采用反应谱来进行地震力的计算.桥址所属地区地震动峰值加速度值为0.15g,II类场地,地震动反应谱特征周期为0.40s.按照程度轻重分别为桥墩下部板开裂、中部及下部板开裂、桥墩全部板开裂等3种情况.建模时,在开裂位置处,将板的重量施加到对应的墩柱上,墩柱采用梁单元建模.地震力计算时,仅考虑桥上无车的情况.表7给出了主力+地震力计算工况不同形式桥墩墩底的抗震设计内力.表8计算了相当于矩形空心墩的内力变化情况.由表8可知,四柱墩墩底地震力相对于空心墩的变化量,绝大多数为负值,表明采用四柱墩墩底设计有所减少,对桥墩的抗震设计有利.表9-10给出了四柱墩不同开裂情况下全桥前5阶周期的改变量,对比表9-10发现,采用1.8次抛物线四柱墩的周期改变量均比直线四柱墩的要小.四柱式桥墩的柱间板开裂程度不同时,由于墩刚度的降低,自振周期增大,计算表明:墩底抗震设计内力有一定程度的减少,对抗震设计有利.5桥墩混凝土用量的影响从以上分析可知,对于新型的铁路四柱式桥墩,在计算全桥动力特性时,可以采用常用的梁单元建模.对分别采用1.8次抛物线及直线四柱式桥墩的主桥,在同等全桥刚度条件下,桥墩混凝土用量比传统的独柱矩形空心墩要减少15%及20%左右.由于桥墩混凝土用量的减少及四柱式桥墩在构造上允许柱间板开裂