李喜平

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.中鐵建大橋設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430063)

1 工程概況

武漢至十堰客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)崔家營(yíng)漢江特大橋位于湖北省襄陽(yáng)市襄州區(qū)東津鎮(zhèn)，線(xiàn)路起始于岳崗村，穿過(guò)崔胡村、覃灣村至后崗村結(jié)束，橋址公路密布，交通發(fā)達(dá)。該橋在漢江中游崔家營(yíng)航電樞紐水庫(kù)的庫(kù)區(qū)內(nèi)，橋位下距崔家營(yíng)壩址約1.8 km，上距襄樊內(nèi)環(huán)五橋5.6 km。主橋采用連續(xù)剛構(gòu)拱橋，橋跨布置為(135+2×300+135)m，橋長(zhǎng)871.6 m。邊跨與主跨梁部均設(shè)置鋼管混凝土拱，為四聯(lián)拱結(jié)構(gòu)。該橋于2016年1月開(kāi)工，計(jì)劃2019年12月建成通車(chē)，建成后將成為世界上最大跨度的鐵路混凝土連續(xù)剛構(gòu)拱橋。橋型布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋型布置(單位：m)

橋址位于漢江沖積平原漢江一級(jí)階地，漢江平原地勢(shì)平坦、開(kāi)闊。地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)人工填土、沖洪積層；下伏晚第三系(N)泥白云巖，白堊～第三系(K～E)泥巖、泥質(zhì)砂巖，震旦系(Z)砂礫巖、白云巖。不良地質(zhì)主要為巖溶，巖溶較發(fā)育。年溫度變化較大，6—8月氣溫最高，月平均溫度為27 ℃，極端溫度可達(dá)41.4 ℃；12月至次年2月氣溫最低，月平均溫度為4 ℃，極端最低氣溫-16.5 ℃；多年平均氣溫16.4 ℃。抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g[1]。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2-4]：①設(shè)計(jì)速度300 km/h；②雙線(xiàn)線(xiàn)路，正線(xiàn)線(xiàn)間距5.0 m。線(xiàn)路平面位于直線(xiàn)上，縱坡i=3‰；③設(shè)計(jì)活載為ZK活載；④軌道結(jié)構(gòu)為有砟軌道；⑤環(huán)境類(lèi)別及作用等級(jí)為一般大氣條件下無(wú)防護(hù)措施的地面結(jié)構(gòu)，環(huán)境類(lèi)別為碳化環(huán)境，作用等級(jí)T2；⑥正常使用條件下梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命為100年；⑦地震動(dòng)峰值加速度≤0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期均為0.35 s。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主梁

圖2 典型截面(單位：cm)

主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，梁體混凝土采用C60，箱梁中支點(diǎn)處梁高16.5 m(見(jiàn)圖2(a))，端支點(diǎn)及中跨跨中處梁高6.5 m(見(jiàn)圖2(b))。中支點(diǎn)處平段長(zhǎng)11.0 m，中跨跨中(梁高6.5 m)平段長(zhǎng)50 m，中間119.5 m為變高段，梁底曲線(xiàn)為拋物線(xiàn)。箱梁為單箱雙室截面，兩邊腹板為直腹板，腹板厚度包括0.30，0.50，0.65，1.10 m四種；箱梁頂板寬度除中支點(diǎn)處受拱座影響加寬到19.15 m外，其余均為14.6 m。頂板厚度根據(jù)主梁縱向預(yù)應(yīng)力索布置情況，在布置雙層索區(qū)域的頂板厚63 cm，在布置單層索區(qū)域的頂板厚40 cm。箱梁底板寬12 m，底板厚度由6.5 m梁高處的0.35 m漸變至16.5 m梁高處的2.0 m。箱梁各腹板上下交錯(cuò)設(shè)置直徑為φ10 cm的通風(fēng)孔，以降低箱內(nèi)外溫差。箱梁共設(shè)14道橫隔板，邊支點(diǎn)橫隔板厚3.0 m，中支點(diǎn)橫隔板厚2.0 m，中間橫隔板厚0.4 m，各橫隔板均設(shè)進(jìn)人孔。中跨共設(shè)54道吊點(diǎn)橫梁，吊點(diǎn)橫梁高1.6 m，厚0.5 m。

3.2 拱肋

3.2.1 邊拱肋

為滿(mǎn)足高速鐵路行車(chē)安全和舒適性要求，減小靜活載作用下的梁端轉(zhuǎn)角，2個(gè)邊跨均設(shè)置鋼管混凝土加勁拱。ZK活載靜力作用下變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。可知，未設(shè)置加勁拱時(shí)，靜活載作用下最大梁端轉(zhuǎn)角為1.02×10-3rad，設(shè)置后減少到0.63×10-3rad。

表1 ZK活載靜力作用下變形計(jì)算結(jié)果

邊跨拱肋計(jì)算跨度130 m，設(shè)計(jì)矢高26 m，矢跨比為1/5，拱軸線(xiàn)采用二次拋物線(xiàn)。拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管采用Q345qD鋼。每片拱肋采用等高度啞鈴形截面，截面高度2.8 m，拱肋弦管直徑為0.8 m，2片拱肋中心距12.35 m。邊跨拱肋典型橫斷面見(jiàn)圖3。兩榀拱肋之間共設(shè)7道橫撐，橫撐均采用空間桁架撐，各橫撐由φ450 mm主鋼管和φ250 mm連接鋼管組成，鋼管內(nèi)不填充混凝土。

圖3 邊跨拱肋典型橫斷面(單位：cm)

3.2.2 主拱肋

主拱肋計(jì)算跨度289 m，矢高57.8 m，矢跨比為1/5，拱軸線(xiàn)為二次拋物線(xiàn)。每片拱肋由4×φ850 mm鋼管混凝土組成，鋼管采用Q345qD鋼，由橫向平聯(lián)板、豎向腹桿連接成為鋼管混凝土桁架，橫向平聯(lián)板之間灌注混凝土，腹桿為空鋼管，中跨拱肋典型橫斷面見(jiàn)圖4。鋼管及平聯(lián)板厚度有36，28，20 mm三種。平聯(lián)板與對(duì)應(yīng)位置鋼管等厚，平聯(lián)板之間用螺栓加強(qiáng)連接。拱肋鋼管中心高度由拱腳處的5.0 m(鋼管中心間距離)漸變至拱頂處4.0 m。每片拱肋鋼管橫向中心距1.7 m，兩榀拱肋中心距13.1 m。拱肋腹桿規(guī)格為φ500 mm，壁厚包括12,16 mm兩種。兩榀拱肋之間共設(shè)11道橫撐，橫撐均采用空間桁架撐，各橫撐由φ500 mm 主鋼管和φ250 mm連接鋼管組成，鋼管內(nèi)不填充混凝土。

圖4 中跨拱肋典型橫斷面(單位：cm)

3.3 吊桿

吊桿采用低應(yīng)力防腐拉索(平行鋼絲束)，外套復(fù)合不銹鋼管，配套使用冷鑄錨。吊桿上端穿過(guò)拱肋，錨于拱肋上緣張拉底座，下端錨于吊點(diǎn)橫梁下緣固定底座。吊桿順橋向間距10 m。每個(gè)邊跨設(shè)11對(duì)吊桿，2個(gè)邊跨共22對(duì)吊桿，邊跨吊桿均采用PES(FD)7-85型。每個(gè)中跨設(shè)置54對(duì)吊桿，2個(gè)中跨共設(shè)108對(duì)吊桿，靠近拱腳處3對(duì)吊桿采用PES(FD)7-55型，其余采用PES(FD)7-73型。

3.4 橋墩和基礎(chǔ)

317#,319#墩采用雙薄壁墩，橋墩采用C60混凝土，雙柱中心距為5 m,凈距為2 m。墩身截面尺寸為3.0 m(順橋向)×12.5 m(橫橋向)，墩高均為37.7 m。318#墩采用空心墩，墩身截面尺寸為8.0 m(順橋向)×12.5 m(橫橋向)，順橋向和橫橋向壁厚均為1.5 m，墩高35.7 m。317#，319#墩承臺(tái)尺寸為為17.0 m(順橋向)×35.0 m(橫橋向)×7.0 m(厚)，四角以R=200 cm的圓弧倒圓；318#墩承臺(tái)尺寸為20.0 m(順橋向)×35.0 m(橫橋向)×6.5 m(厚)，四角以R=200 cm的圓弧倒圓。317#，319#墩均采用18φ3 m鉆孔柱樁，按柱樁設(shè)計(jì)。318#墩采用15φ3 m鉆孔柱樁，按摩擦樁設(shè)計(jì)。317#—319#墩承臺(tái)平面布置見(jiàn)圖5。

圖5 317#—319#墩承臺(tái)平面布置(單位：cm)

4 合理成橋狀態(tài)

根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，大跨度連續(xù)剛構(gòu)拱的墩高與跨度比不宜小于1/10。墩高太矮會(huì)導(dǎo)致橋墩剛度增加，收縮徐變和溫度產(chǎn)生的內(nèi)力太大，將給主墩設(shè)計(jì)帶來(lái)很大困難。崔家營(yíng)漢江大橋與一般的連續(xù)剛構(gòu)拱不同，它有2個(gè)主跨，跨度達(dá)300 m，邊主墩高37.7 m，墩高跨比為1/8，與1/10接近，但其收縮徐變和溫度跨度是相同跨度單主跨橋的2倍。因此如何采取措施讓邊主墩受力合理，滿(mǎn)足規(guī)范要求是該橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文從頂推力、邊跨壓重、合龍溫度方面進(jìn)行分析，使橋梁結(jié)構(gòu)處于合理成橋狀態(tài)[5-7]。

4.1 頂推力對(duì)成橋狀態(tài)的影響

連續(xù)剛構(gòu)拱橋由于成橋后收縮徐變會(huì)在邊主墩頂產(chǎn)生向主跨跨中方向的水平力，對(duì)邊主墩受力不利。通過(guò)在中跨合龍時(shí)施加頂推力，可以減小這種不利的影響。頂推力的大小要合理，太小達(dá)不到效果，太大會(huì)增加施工難度或適得其反。不同頂推力下邊主墩受力及應(yīng)力見(jiàn)表2。

表2 不同頂推力下邊主墩受力及應(yīng)力情況

由表2可知：隨著頂推力從 22 000 kN 增加到 30 000 kN，邊主墩左右柱頂最大彎矩均呈減小趨勢(shì)，減小幅度約為10%；左柱頂最大軸力呈增加趨勢(shì)，增加幅度約為7%，右柱頂最大軸力呈減小趨勢(shì)，減小幅度約為6%；邊主墩墩身最大壓應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，減小幅度約為9%。說(shuō)明增大頂推力可以有效減小邊主墩左右柱頂彎矩，改善墩身應(yīng)力。同時(shí)，頂推力改變了邊主墩左右柱的軸力分配，但對(duì)整個(gè)邊墩的軸力影響很小。頂推力過(guò)大會(huì)增加施工困難度，對(duì)樁基受力不利[8]。因此本橋頂推力采用 25 000 kN。

4.2 邊跨壓重對(duì)成橋狀態(tài)的影響

由于本橋邊跨跨度為135 m，僅為主跨的0.45倍，懸臂施工過(guò)程中主跨最大懸臂長(zhǎng)149 m，邊跨最大懸臂長(zhǎng)135 m，導(dǎo)致邊主墩產(chǎn)生不平衡彎矩。通過(guò)在邊跨施加壓重使得懸臂施工過(guò)程中邊主墩兩側(cè)梁重相對(duì)平衡，合龍后再撤除，可以減小不平衡彎矩對(duì)邊主墩的不利影響。梁端117.3 m范圍內(nèi)，不同邊跨壓重下邊主墩受力及應(yīng)力見(jiàn)表3。

表3 不同邊跨壓重下邊主墩受力及應(yīng)力

由表3可知：隨著邊跨壓重從100 kN/m增加到160 kN/m，邊主墩左右柱頂最大彎矩均呈減小趨勢(shì)，減小幅度約為6%～7%；左柱頂最大軸力呈增加趨勢(shì)，增加幅度約為5%，右柱頂最大軸力呈減小趨勢(shì)，減小幅度約為5%。邊主墩墩身最大壓應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，減小幅度約為5%。說(shuō)明施工過(guò)程中在邊跨壓重可以減小邊主墩左右柱頂彎矩，改善墩身應(yīng)力。同時(shí)，邊跨壓重改變了邊主墩左右柱的軸力分配，但對(duì)整個(gè)邊墩的軸力影響很小。因此，本橋邊跨壓重時(shí)采用120 kN/m。

4.3 合龍溫度對(duì)成橋狀態(tài)的影響

經(jīng)計(jì)算分析連續(xù)剛構(gòu)拱體系溫度應(yīng)力很大。為了減少溫度荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，選擇合適的合龍溫度對(duì)結(jié)構(gòu)安全十分重要。對(duì)不同合龍溫度下邊主墩受力及應(yīng)力見(jiàn)表4。

表4 不同合龍溫度下邊主墩受力及應(yīng)力

由表4可知：隨著合龍溫度從10 ℃增加到25 ℃，邊主墩左右柱頂最大彎矩值均呈增加趨勢(shì)，增加幅度約為52%～55%；左柱頂最大軸力呈減小趨勢(shì)，減小幅度約為5%，右柱頂最大軸力呈增加趨勢(shì)，增加幅度約為6%。邊主墩墩身最大壓應(yīng)力呈增加趨勢(shì)，增加幅度約為47%。說(shuō)明合龍溫度增大時(shí)，邊主墩左右柱頂彎矩和墩身對(duì)大壓應(yīng)力均顯著增加，但墩身應(yīng)力增大對(duì)其受力不利。同時(shí)，合龍溫度改變了邊主墩左右柱的軸力分配，但對(duì)整個(gè)邊墩的軸力影響很小。因此需合理進(jìn)行施工安排，選擇合適的施工合龍時(shí)間[9-10]。建議合龍溫度控制在10～15 ℃，確保橋梁結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

崔家營(yíng)漢江特大橋?yàn)槎樟汗探Y(jié)的超靜定結(jié)構(gòu)，主跨跨度達(dá)300 m，混凝土梁的收縮徐變和溫度效應(yīng)對(duì)邊主墩受力影響很大。通過(guò)合龍前在中跨合龍段兩側(cè)梁端頂推、控制合龍溫度可以減小主梁收縮徐變和溫度效應(yīng)。主梁懸臂施工時(shí)通過(guò)在邊跨施加壓重，可以減小不平衡彎矩，使其受力更合理，確保了橋梁結(jié)構(gòu)的安全。