新型鐵路高墩大浴河特大橋主橋的方案研究

新型鐵路高墩大浴河特大橋主橋的方案研究

1大浴河特大橋結構體系黃陵-青城-侯馬鐵路位于陜西省北部與山西省交界處，位于羅素高原。它的地質特征是黃土覆蓋層厚，溝壑縱橫。在選擇路線時，不可避免地要注意高碼頭和大橋橫跨溝渠的情況。大姚河特橋是線路研究的代表性點。大浴河特大橋主橋采用一聯(lián)(78+3×140+78)m預應力混凝土連續(xù)剛構,聯(lián)長576m,立面布置如圖1所示.箱梁采用三向預應力結構體系,直腹板單箱單室變高度箱形截面.支點梁高11m,跨中梁高6.0m,梁體下緣按二次拋物線變化,箱梁頂寬11.5m,箱底寬7.5m.本橋2個中墩采用剛構墩,1#墩高92m,2#墩高112m,3#至5#墩高均為121m,6#墩高94m.對于這種高墩大跨結構,公路橋一般選用雙薄壁空心墩,鐵路橋一般采用獨柱空心墩.橋墩擬采用2種形式,一種是常用的獨柱矩形截面空心墩,另一種就是新型的四柱式墩.四柱式橋墩,其外形可以采用直線形,也可以按照拋物線變化,外形更加美觀.2新型橋墩結構的建模在橋梁結構分析中,計算模型的選取對計算結果可能產生較大影響.采用精細的有限元模型,雖然能夠得到較為準確的結果,但是耗時耗力.在滿足工程精度要求的前提下,采用合適的簡化模型計算,將大大降低計算難度.四柱式墩,構造比較特殊,中間連接板相對于柱子較薄,采用何種形式建模,需要做具體的分析.本文選取了一個高為121m的墩,橋墩截面尺寸沿墩高方向分別按照直線及二次拋物線變化,分別采用梁單元、梁-板單元、實體單元建模,橋墩截面如圖2所示.不同建模方法求得的單墩剛度如表1所示.由表1可知,梁、板單元及實體單元建模所得的橋墩剛度很接近,梁單元建模所得單墩剛度與上述兩者的差別也很小,為減少計算量,新型四柱式橋墩可采用梁單元進行建模.3直線型抗混墩參數(shù)的確定高墩大跨連續(xù)剛構橋下部結構一般主要由剛度控制設計,而強度比較富余.按照鐵路高墩設計實踐,由橫向基本周期小于2s確定本橋橋墩設計的橫向剛度.以矩形空心的橋墩剛度為參照,調整四柱式墩的截面,使得采用兩者計算的全橋周期盡量接近.四柱式橋墩采用了2種外形,其截面沿墩高分別按照直線及1.8次拋物線變化,板厚0.5m.最終擬定的四柱式墩截面尺寸如表2所示.直線型四柱式墩全橋計算模型如圖3所示.以矩形空心墩為基準,如表3所示,表4-6分別給出了不同形式橋墩的單墩剛度、全橋自振特性及混凝土用量.由表4-5可知,四柱式墩單墩剛度,較矩形空心墩的最大偏大值為6.3%,采用四柱式墩的全橋1階橫向彎曲周期,較矩形空心墩的偏小2%.由表6可知,提供同等剛度前提下,直線型四柱墩混凝土用量相對矩形空心墩可以減少20%,采用1.8次拋物線四柱墩,混凝土用量的減少量也超過了15%,不過其橋墩外形較直線形墩美觀.四柱式橋墩相對于常用的矩形空心墩在經濟性上有很大的優(yōu)勢.考察不同墩高的混凝土減少量可以發(fā)現(xiàn),墩高90多米時,四柱式橋墩的混凝土減少量接近25%,優(yōu)勢很明顯.隨著墩高的增大,混凝土用量的相對減少量呈遞減趨勢.4考慮不同處理的橋墩抗振設計四柱式橋墩,由于其四根柱子相對于柱間板很強,發(fā)生地震時,柱子間的板首先開裂.板開裂會吸收地震能量,減小全橋的地震反應.而且,一旦板開裂后,橋墩的剛度會降低,全橋的周期會增長,橋墩所受到的地震力還會相應減小.矩形空心墩截面不允許發(fā)生開裂,這樣在抗震性能上,矩形空心墩就不具備上述優(yōu)勢.由于板的開裂涉及到混凝土的非線性等因素,本文中暫不考慮開裂過程中的減震效果,僅考慮混凝土開裂后橋墩剛度降低引起地震力的減少量.采用反應譜來進行地震力的計算.橋址所屬地區(qū)地震動峰值加速度值為0.15g,II類場地,地震動反應譜特征周期為0.40s.按照程度輕重分別為橋墩下部板開裂、中部及下部板開裂、橋墩全部板開裂等3種情況.建模時,在開裂位置處,將板的重量施加到對應的墩柱上,墩柱采用梁單元建模.地震力計算時,僅考慮橋上無車的情況.表7給出了主力+地震力計算工況不同形式橋墩墩底的抗震設計內力.表8計算了相當于矩形空心墩的內力變化情況.由表8可知,四柱墩墩底地震力相對于空心墩的變化量,絕大多數(shù)為負值,表明采用四柱墩墩底設計有所減少,對橋墩的抗震設計有利.表9-10給出了四柱墩不同開裂情況下全橋前5階周期的改變量,對比表9-10發(fā)現(xiàn),采用1.8次拋物線四柱墩的周期改變量均比直線四柱墩的要小.四柱式橋墩的柱間板開裂程度不同時,由于墩剛度的降低,自振周期增大,計算表明:墩底抗震設計內力有一定程度的減少,對抗震設計有利.5橋墩混凝土用量的影響從以上分析可知,對于新型的鐵路四柱式橋墩,在計算全橋動力特性時,可以采用常用的梁單元建模.對分別采用1.8次拋物線及直線四柱式橋墩的主橋,在同等全橋剛度條件下,橋墩混凝土用量比傳統(tǒng)的獨柱矩形空心墩要減少15%及20%左右.由于橋墩混凝土用量的減少及四柱式橋墩在構造上允許柱間板開裂