貴廣高鐵排搞河中橋主拱、防護(hù)拱設(shè)計

張志勇, 鄢 勇

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

1 工程概況

貴廣線排搞河雙線中橋位于貴州省黔南州，地處貴州高原向湘西丘陵和廣西丘陵的過渡地帶，跨排搞河。橋位水深較淺，橋下無通航要求。為山澗“U”型河谷，坡面陡峻，貴陽端近于直立，廣州端縱坡約45 °，河谷深切，深約60 m；排搞河縱坡較陡，河床平緩；坡面植被多為低矮灌木、喬木；橋址施工交通條件極其不便。橋位處不良地質(zhì)為危巖落石，貴陽端陡坡有危巖落石體分布較多，危巖體最大3 m×1 m×1.5 m,一般塊徑為1 m×1 m×1.5 m，需采用清除、防護(hù)等措施對主橋進(jìn)行防護(hù)。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級：客運專線。

(2)橋上線路：雙線，線間距4.8 m，平曲線R=12 000 m，縱坡-0.3 %，有豎曲線上橋。

(3)設(shè)計行車速度：250 km/h。

(4)設(shè)計活載：ZK活載。

(5)軌道結(jié)構(gòu)：雙塊式無砟軌道。

3 橋式布置

根據(jù)實測地形、河床斷面，以及調(diào)查、勘察收集到的地質(zhì)、水文、水位、氣象等情況，進(jìn)行了擬建橋梁的總體布置分析，孔跨布置和橋型選擇必須考慮以下幾個因素：

(1)橋址位于“U”型河谷，坡面陡峻，貴陽端近于直立，廣州端縱坡約45 °；

(2)設(shè)計中對塊徑3 m×1 m×1.5 m的危巖落石進(jìn)行清除，塊徑為1 m×1 m×1.5 m危巖落石需要防護(hù)，防止危巖落石對橋上行車安全進(jìn)行沖擊；

(3)橋兩端順接隧道：

(4)橋址施工交通條件極其不便，在滿足行車安全性的同時，應(yīng)盡可能降低工程量，減小工程造價。

重點考慮以上幾個因素，綜合自然條件，防洪要求，技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)節(jié)省等因素[1]，主橋選擇了1-45 m上承式拱橋及1-60 m下承式系桿拱橋。經(jīng)綜合比選，最后選擇1-45 m上承式拱橋方案作為實施方案。該橋為主跨45 m板拱橋，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.756，矢高10 m，矢跨比為1/4.5，拱上結(jié)構(gòu)為跨度(10.2+5×8.6+10.2)m的連續(xù)梁，該連續(xù)梁通過門式剛架墩支承于拱上。

為保證主橋的行車安全，防止危巖落石對主橋的沖擊，設(shè)計在主橋兩側(cè)采用了護(hù)橋進(jìn)行防護(hù)。護(hù)橋為上承式混凝土肋拱橋，該橋拱軸線與主橋一致，該橋橫向有兩鋼筋混凝土肋拱，兩肋拱通過橫向跨主橋的預(yù)應(yīng)力門式剛架結(jié)構(gòu)連接，再用混凝土T型縱梁架在門式剛架結(jié)構(gòu)的橫梁上形成棚洞，棚洞上覆土層及舊輪胎，防止危巖落石沖擊，對主橋進(jìn)行保護(hù)。

主橋總布置見圖1，護(hù)橋總布置見圖2，主橋與護(hù)橋相對關(guān)系示意見圖3。

圖1 排搞河雙線中橋主橋總布置(單位：m)

圖2 排搞河雙線中橋護(hù)橋總布置(單位：m)

圖3 排搞河雙線中橋主橋與護(hù)橋相對關(guān)系示意(單位：cm)

4 結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計

主橋為跨度45 m鋼筋混凝土板拱橋，由基礎(chǔ)、板拱圈、立柱、承軌梁、橋臺、橋面構(gòu)成。護(hù)橋為跨度45 m鋼筋混凝土肋拱橋，由基礎(chǔ)、肋拱圈、立柱、橫梁、工字型縱梁、填土構(gòu)成。

4.1 拱圈

我國鐵路拱橋常用的拱軸形式有：圓弧線、拋物線和懸鏈線拱。選擇拱軸的原則，首先應(yīng)當(dāng)盡量減小荷載彎矩[2]。根據(jù)這個原則，設(shè)計采用主橋拱圈1.1 m×7.0 m矩形鋼筋混凝土板拱，矢高10 m，矢跨比為1/4.5，其拱軸系數(shù)通過優(yōu)化計算不斷調(diào)整，使最不利彎矩在控制截面正負(fù)值大致相當(dāng)，最后得出拱軸系數(shù)m=1.756。拱腳與基礎(chǔ)采用剛接。護(hù)橋拱圈采用兩根2.5 m×1.8 m矩形鋼筋混凝土肋拱圈，分布于主橋兩側(cè)，橫向中心間距為14.1 m，考慮到美觀因素，其拱軸線與主橋一致。

4.2 基礎(chǔ)

考慮地形及巖石分布等因素，拱圈基礎(chǔ)采用斜向方樁，其軸線與拱腳處拱圈軸線相切。主拱基礎(chǔ)截面尺寸為2 m×2.5 m，嵌入W2巖石中，橫向共兩根方樁，方樁通過承臺與拱圈相連。為便于承臺基坑開挖，主橋拱圈承臺采用圓端形承臺，目的是使開挖斜向基坑時形成弧形拱洞，使巖石受力合理，保證施工安全。主橋橋臺基礎(chǔ)為圓形群樁基礎(chǔ)，小里程段橋臺為減小w2巖石開挖量，設(shè)計采用直徑1.5 m的單排樁基礎(chǔ)。護(hù)拱基礎(chǔ)采用樁柱式連接，肋拱基礎(chǔ)采用3 m×2.5 m矩形截面斜向方樁，立柱采用1.7 m×1.7 m豎向方樁。

4.3 主橋拱上建筑

承軌梁為跨度(10.2+8.6×5+10.2)m鋼筋混凝土連續(xù)梁，梁高0.9 m，橋面寬12.2 m，橋面設(shè)置排水系統(tǒng)，主梁截面形式為實心雙箱并置截面，橫向采用剛性連接。主橋立柱為鋼筋混凝土門式剛架墩，其縱向間距為8.6 m，立柱截面尺寸為1.5 m×1.1 m，橫梁截面尺寸為1.5 m×1.5 m。立柱下設(shè)基座與拱圈相連。為防止落梁，橫梁兩側(cè)均設(shè)置鋼筋混凝土擋塊。本橋位于R=12 000 m平曲線上，承軌梁平面布置采用平分中矢的原則進(jìn)行布置。

4.4 護(hù)橋拱上建筑

護(hù)橋拱上立柱縱向中心間距為8.6 m，與主橋一致，橫向中心間距為14.1 m，立柱截面為1.5 m×1.5 m。立柱上剛接橫梁，為2.5 m×1.7 m預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，采用高強度低松弛鋼絞線。立柱與橫梁相接位置縱向設(shè)置腹拱圈，用以加強各立柱間的縱向聯(lián)系，為減輕溫度及基礎(chǔ)沉降對腹拱圈內(nèi)力的影響，每隔2～3根立柱腹拱圈設(shè)置斷縫。為便于更換，橫梁上采用簡支縱向工字梁，形成護(hù)橋承重體系。工字梁梁高1.1 m，腹板厚0.42 m。工字梁上鋪防水層防止雨水滲漏。

4.5 護(hù)橋填土

為減輕危巖落石對護(hù)橋的沖擊，設(shè)計采用0.69～1.0 m厚的爐渣覆蓋于工字梁上，爐渣容重低于14 kN/m3，,爐渣上再覆蓋一層0.5 m厚的黏土隔水層，減少雨水往下滲透。黏土上方再覆蓋一層廢舊輪胎，以緩沖落石的沖擊力。

5 結(jié)構(gòu)計算與分析

5.1 計算模型

本文采用 Midas/Civil軟件分別建立了主拱和護(hù)拱的三維計算模型，均采用梁單元模擬，模型如圖4、圖5所示。

圖4 主橋模型

圖5 護(hù)橋模型

5.2 主要計算結(jié)果

受篇幅限值，本文僅列出主拱的計算結(jié)果

5.2.1 結(jié)構(gòu)豎向剛度

由表1可知，承軌梁及拱圈豎向撓度及梁端轉(zhuǎn)角均遠(yuǎn)小于鐵路設(shè)計規(guī)范限值[3]，說明結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度。

5.2.2 結(jié)構(gòu)配筋檢算

由表2可知，承軌梁、拱圈、立柱、蓋梁在主力和主+附荷載工況下，鋼筋、混凝土應(yīng)力及裂縫寬度均小于規(guī)范限值[4]。

表1 豎向撓度檢算

5.2.3 結(jié)構(gòu)動力特性

結(jié)構(gòu)自振頻率如表3所示，主拱第一階結(jié)構(gòu)自振振型如圖6所示。

由主橋結(jié)構(gòu)自振振型和頻率分析可知，第一、二階振動為拱上立柱縱飄，第三、四階為拱及主梁在面內(nèi)的豎向彎曲振動，第五階為拱及主梁在面外的橫向彎曲振動，說明橋跨結(jié)構(gòu)橫向剛度大于豎向剛度，面外穩(wěn)定性強于面內(nèi)穩(wěn)定性。最低自振頻率為2.703 Hz，說明結(jié)構(gòu)整體剛度較大。

表2 主拱結(jié)構(gòu)配筋檢算

表3 結(jié)構(gòu)自振特性

圖6 主拱第一階振型

6 設(shè)計體會

(1)拱橋拱圈厚度應(yīng)與其跨度相匹配，隨著厚度增加將導(dǎo)致其剛度增加，而溫度產(chǎn)生的內(nèi)力急劇增加，浪費材料又不能保證安全。厚度過小則其承載能力過小不能滿足安全要求。

(2)由于拱結(jié)構(gòu)受力下?lián)希澳_處及橋臺處幾乎不發(fā)生沉降，由于“蹺蹺板”效應(yīng)的影響，設(shè)計拱上連續(xù)梁時應(yīng)特別注意邊支座是否出現(xiàn)負(fù)反力。本橋承軌梁設(shè)計中采用的邊跨大于中間跨便是基于該原因設(shè)計而成。

(3)采用實心雙箱并置且橫向剛接的連續(xù)梁時，應(yīng)注意橫向四支座反力分配不均的問題。

(4)如何計算危巖落石的沖擊力是一個比較復(fù)雜問題，設(shè)計應(yīng)交代施工方排查清除已有危巖落石，并在設(shè)計中應(yīng)采取有效措施對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。

7 結(jié)束語

貴廣鐵路排搞河雙線中橋于2012年初開工，于2014年建成通車。該橋設(shè)計新穎獨特，護(hù)橋的設(shè)計提供了一種艱險復(fù)雜山區(qū)鐵路危巖落石的解決方案，從而避免了抬高線路標(biāo)高以及增加主橋跨度，大大節(jié)省了工程造價，為國內(nèi)該類情況的鐵路設(shè)計提供了參考，使高速鐵路的適應(yīng)能力得以提高。