高速铁路小半径曲线T形刚构桥设计.pdf

第31卷第3期2023年7 月D0I:10.3969/j.issn.1672-0032.2023.03.013山东交通学院学报JOURNALOFSHANDONGJIAOTONGUNIVERSITYVol.31 No.3Jul.2023高速铁路小半径曲线T形刚构桥设计王建圣济青高速铁路有限公司，山东济南2 50 0 14摘要：为减小某高速铁路连接线施工时对与其小角度交叉的运营高速铁路的影响，采用大跨度小半径曲线T形刚构桥转体桥梁施工方案，设计曲线T形刚构桥主梁和主墩的结构形式，采用有限元软件MIDASCivil和BSAS计算分析曲线T形刚构桥在施工阶段、运营阶段及地震等工况下的结构应力、挠度和支反力等，采用MIDASCivil计算分析成桥阶段小半径曲线T形刚构桥的动力特性。结果表明：曲线T形刚构桥主梁及主墩结构的应力、挠度、自振频率等控制性指标均符合设计要求。关键词：高速铁路；小半径曲线；T形刚构桥；结构设计；动力特性中图分类号：U442.5引用格式：王建圣.高速铁路小半径曲线T形刚构桥设计J.山东交通学院学报，2 0 2 3,31（3)：93-10 0.WANG Jiansheng.Design of T-shaped rigid frame bridge with small radius curve for high speed railwayJ.Journal of Shandong Jiaotong University,2023,31(3):93-100.0引言T形刚构桥因主墩处梁体与桥墩固结,墩顶的前后方向外侧伸展的悬臂梁形似英文大写字母T而得名。T形刚构桥的竖向刚度大、造型优美、受力明确、施工便捷，尤其适用于跨越沟谷地形、公路铁路立体交叉等复杂施工情况1-3在T形刚构桥的结构设计、结构计算及转体施工技术等方面,孙大斌4 以桥梁刚度和经济性为控制因素,分析并确定客专无诈轨道T形刚构桥的合理跨径；寇延春5研究福厦高速铁路T形刚构桥设计,发现不同跨度T形刚构桥梁体的结构高度基本与跨度成线性关系；陶玉莲6 通过铁路高墩大跨T形刚构桥设计的结构应力、挠度及动力特性等控制因素，分析T形刚构桥结构的静力和动力特性,通过局部构造处理、施工加载、龄期调整等确保T形刚构桥结构满足要求;刘文聪7 以城际铁路连续刚构桥为实例对结构受力特性进行数值计算和对比分析，发现小半径曲线桥直线梁模型的计算结果与曲线梁模型相差不大，都满足工程实际要求；马明路等8 研究T形刚构桥跨越高铁的施工关键技术，采用旁位现浇、无合龙段水平转体等技术可大大降低T形刚构桥施工对运营高铁的影响；左家强9以客货共线双线铁路大跨度T形刚构桥为例，介绍刚构桥的结构、钢束布置及动力仿真等，提出大跨度T形刚构桥的设计要点。目前已建成的铁路T形刚构桥一般位于直线或大半径曲线上，在小半径曲线上应用大跨度T形刚构桥较少。本文以结构强度、刚度和位移等参数为控制要素,设计某高速铁路小半径曲线T形刚构桥的结构,对结构静力和动力特性进行数值计算分析，以期为小半径曲线T形刚构桥大跨度跨越高铁工程提供参考。1二工程概况某高铁连接线工程上跨运营高铁，二者夹角为153.37。高铁连接线为单线铁路，设计速度为80km/h，有碓轨道,ZK活载（中国客运专线标准活载）。连接线跨越高铁后尽快与在建高铁正线接轨，收稿日期：2 0 2 3-0 3-30基金项目：济青高速铁路科研计划项目（JQKJ2022-09作者简介：王建圣（197 8），男，山东商河人，高级工程师，主要研究方向为铁路建设,E-mail:。文献标志码：A文章编号：16 7 2-0 0 32(2 0 2 3)0 3-0 0 93-0 894同时避让铁路外侧的地方建筑物，减少连接线与高铁间的夹心地面积，因此T形刚构桥需尽量采取小半径曲线。经过线路方案比选10，以半径为50 0 m的圆曲线为连接线，纵向坡度为-2 9.8 2 2%。以桥墩基础基坑开挖边线不侵人高铁防护栅栏为原则计算桥梁跨径，最终确定采用跨径为10 0 m的T形刚构桥转体跨越运营高铁轨道。T形刚构桥平面、立面示意图如图1、2 所示。40.837.737.737.,市政道路37.0636.8237.037.2山东交通学院学报38.141.5市政道路运36.2营高速快路.36.12.36.236.0462023年7 月第31卷35.635.335.034.434.034.0100mT形刚构桥33.634.433.64.0734.734.232.235.736.635.734.233.736.638.62.97D图1T形刚构桥平面示意图202.4101.2100.3101.2100.3St0忆高速铁路S1单位：m。图2 T形刚构桥立面示意图T形刚构桥的基本施工步骤为：浇筑主墩及0 块组装挂篮逐次浇筑1#2 6 块一张拉预应力钢筋梁转体施工一梁端顶升施工桥面系,根据施工步骤共划分为8 9个施工阶段。为减少T形刚构桥施工对所跨越运营高铁的影响,T形刚构桥梁端不设现浇段1，在运营高铁影响范围外支架现浇施工0#块，挂篮悬浇施工1#2 6*块，采用墩底转体法顺时针旋转2 6.55施工就位，对梁端施加顶升力后，梁部达到设计高程。2主梁和主墩结构设计T形刚构桥梁体全长2 0 2.4m，计算跨径为2 10 0.3m。其中0*块长16.0 m，每个悬臂侧设2 6 个悬第3期浇节段，共52 个悬浇节段，每个悬浇段长约3.0 m。截面形式为单箱单室直腹板箱梁，顶板宽7.3m、底板宽5.7 m。参照文献4-5的设计原则,考虑小半径曲线对T形刚构桥结构受力的影响,拟定主梁截面梁高，中支点梁高12.8 0 m，端部梁高5.2 5m，梁高变化曲线为二次抛物线。顶板厚40 52 cm，底板厚40145cm，腹板厚50 12 0 cm。主梁边支点设1道厚1.5m的横隔板，中支点设2 道厚1.1m的横隔板，横隔板上设进人洞。主梁截面示意图如图3所示。主墩为普通钢筋混凝土结构，墩高2 4.0 m，截面为空心矩形，顺桥向长8.0 m，横桥向宽6.7 m，壁厚1.1m墩底设置厚4.0 m的实心段。边墩为圆端形空心墩，墩顶尺寸为4.4m8.0m，墩底设置4.0 m实体段，空心墩外侧坡比为40：1,内侧坡比为7 0：1,壁厚由0.4m按坡比逐渐增大,采用桩基础。此桥梁处于曲线地段,且曲线半径较小。为改善桥墩横向受力的状况，确保转体时T形刚构桥处于平衡状态，运营后各桩基受力基本均衡，主墩中心相对上转盘中心、下承台及桩基中心向曲线内侧设置横向偏心参数12-14。主墩设计示意图如图4所示。7.3/2王建圣：高速铁路小半径曲线T形刚构桥设计7.3/29511.2籍染中心线1.051.26025.7/2曲线外侧曲线内侧桥墩中心线球铰中心线2上转盘承台5.7/2a)横桥向单位：m。单位：m。图3主梁截面示意图3主梁结构计算3.1设计荷载主梁结构所受主力包括恒载、活载、横向摇摆力和离心力，所受附加力包括制动力、离心力、列车竖向动力和温度荷载等，根据文献15计算各荷载。悬臂浇筑时施工挂篮、机具（绑扎钢筋、浇筑混凝土等工序使用的机具）及人群等所受荷载按共计12 0 0 kN计算。主梁结构所受特殊荷载包括运梁车荷载和架桥机荷载。主梁所受荷载组合类型包括主力、主力-附加力、运梁和架梁等4种工况。3.2主梁纵向计算3.2.1计算方法曲线梁桥结构的数值计算方法包括以直代曲法、单梁法和梁格法等。本桥的梁长与桥宽之比为13.74，曲线半径与梁宽之比为6 8.49,梁长与曲率半径之比为0.2。本桥曲线半径与梁宽之比较大，曲线对结构计算结果的影响基本可忽略不计,可采用以直代曲法计算。采用软件MIDASCivil建立曲线单梁模型,采用软件BSAS建立直线单梁模型,进行计算分析,对比二者差异。2 个模型的主梁均划分为6 6 个单元，桥墩均划分为9个单元，如图5所示。上转盘承台承台中心线b)纵桥向图4主墩设计示意图96山东交通学院学报1#26*块1#26#块2023年7 月第31卷0#块1#26#块0#块1#26*块a)曲线单梁模型3.2.2计算结果及分析直线单梁模型的最大竖向挠度为18.6 mm（挠度与跨径之比为1/5392），容许竖向挠度为8 4.3mm；梁体下挠产生的梁端竖向转角为0.58%o；最大残余徐变为12.6 mm（向下）。以上计算结果均满足文献15要求。2种模型的主梁应力及安全系数的计算结果如表1所示，2 种模型的支反力计算结果如表2 所示。根据文献16-19,在弯扭耦合作用下此类曲线桥梁横截面上的应力分布基本均匀,可忽略扭矩对桥梁结构纵向计算的影响。荷载最大正应力/MPa结构模型组合曲线单梁13.12主力直线单梁13.77许用应力18.50曲线单梁16.90主力一附直线单梁17.21加力许用应力曲线单梁19.73运梁直线单梁19.85许用应力29.60曲线单梁17.34架梁直线单梁16.09许用应力29.60注：截面应力中拉应力为负，压应力为正。曲线单梁模型的支反力小里程边墩小里程边墩工况曲线内侧最大最小最大最小最大最小最大最小最大最小最大最小恒载4035主力4.920主力一附加力5211b)直线单梁模型图52 种计算模型表12 种模型的主梁应力及安全系数的计算结果最小正应力/MPa最小主拉最大剪应抗裂安全强度安全上缘下缘10.9910.4811.4112.0720.3511.0613.8810.2612.54曲线外侧4.0354.5743 6626 58533557 143最大主压上缘下缘应力/MPa应力/MPa2.541.682.701.58无拉应力1.081.200.981.13无拉应力0.891.550.941.642.64-0.422.67-0.163.002.64表2 2 种模型的支反力计算结果大里程边墩曲线内侧4 5744 03440844.9193 6595210力/MPa13.38-1.2814.13-1.3222.20-3.3316.90-2.3515.90-2.2724.42-3.30直线单梁模型的支反力大里程边墩小里程边墩曲线外侧(2个支座）4 0344.5803 6616 59133547149因数2.921.333.071.276.291.202.931.213.091.286.291.201.141.171.101.141.241.10单位：kN大里程边墩(2个支座）45808881409012.7203 66513 127因数2.412.342.202.382.301.982.602.261.802.582.411.808 8818.886810512.725790213 1328 8868 1107907第3期由表1可知：2 种模型的应力计算结果均满足文献15的要求，表明设计结构合理;2 种模型的计算结果接近,最大相对应力差小于5%。因此，按直线单梁建模进行计算分析的结果可信，满足工程建设要求。由表2 可知：按曲线单梁模型计算支反力，考虑荷载对曲线梁的影响，曲线外侧支座的支反力明显大于曲线内侧支座2 0，但1个桥墩上2 个支座反力的总和与直线单梁模型的计算结果接近。因梁长小于曲线半径，偏心荷载对T形刚构桥的影响相对较小,边墩支座未出现拉应力，不必考虑设置受拉支座。为避免边墩支座安装错误，偏于安全考虑，需按曲线单梁模型计算的较大支反力结果选择边墩支座型号。3.3主梁横向计算为计算主梁横向结构尺寸，核验钢筋配置是否合理，通常将箱梁简化为平面框架结构。沿桥纵向取1m宽板，建立有限元模型进行主梁横向计算，计算截面分别取顶板、底板、腹板的最薄处2 1。桥梁运营阶段恒载包括梁自重、二期恒载和钢束径向荷载，主力组合包括恒载、活载、离心力、横向摇摆力等，附加力组合包括温度荷载和风荷载。运梁、架梁阶段恒载包括梁自重和遮板、栏杆、保护层及防水层所受重力。运梁工况荷载组合包括恒载、运梁车荷载、温度荷载（升温间隔2 0，降温间隔-10）、基础沉降（按运营阶段基础沉降的50%）。架梁工况荷载组合包括恒载、架桥机荷载、温度荷载（升温间隔2 0，降温间隔-10）、基础沉降（按运营阶段基础沉降的50%）。各荷载工况下梁各结构的弯矩包络图如图6。由图6 可知：箱梁顶板、腹板顶部由架梁荷载组合控制结构设计，箱梁底板、腹板底部由主力-附加力组合控制结构设计。根据图6 计算结果设计截面钢筋并计算截面应力，结果如表3所示。由表3可知：在各荷载工况下，混凝土、钢筋应力及混凝土裂缝宽度均满足文献15的要求，安全储备较大，拟定的截面尺寸及配筋均满足受力要求。-902.5-49.6-314.930.5日 2 55.6王建圣：高速铁路小半径曲线T形刚构桥设计-338.6-67.0-278.246.0日20.097-902.5-186.2-186.2221.7147.0 73.6田2 7 7.073.6日147.0751.6工458.8458.8日7 51.7日153.830.1m193.474.4a)主力组合单位:kNm。荷载工况主力主力-附加力运梁架梁限值154主墩结构计算采用直径为2 5mm的钢筋为主墩墩身钢筋，按2 根一束设置，横桥向设置44根，纵桥向设置52 根，墩顶截面采用C55混凝土，其余截面采用C40混凝土。各荷载工况下，主墩控制截面的应力计算结果如表4所示。由表4可知：施工阶段与运营阶段主墩各截面混凝土应力均满足文献15的要求。1-26.8158.8日33.9n200.574.1168.384.3b)主力-附加力组合图6 各荷载工况下梁各结构的弯矩包络图表3截面应力计算结果混凝土正应力/MPa钢筋压应力/MPa7.6359.138.2463.574.7334.4910.8191.7426.46297.00-26.81-43.9-43.9c)运梁工况荷载组合钢筋拉应力/MPa152.02168.2375.71175.83297.0071.71-151.8.138.7.-151.1d)架梁工况荷载组合混凝土裂缝宽度/mm0.160.170.090.170.24-71.7198考虑地震对桥墩的影响，在多遇地震条件下，主墩的最大混凝土压应力为9.6 MPa,钢筋的最大压应力为7 5.9MPa，最大混凝土裂缝宽度为0.0 3mm;在罕遇地震条件下，主墩各截面的屈服弯矩均大于地震作用下产生的弯矩，桥墩未进人塑性工作状态。2 种条件下的计算结果均满足规范15的要求。T形刚构桥位于小半径曲线上，曲线内外侧将产生较大的不平衡弯矩，给桥墩及基础带来不利影响。计算墩底的横向偏心，在桥墩与上转盘、承台间预设横向不利偏心抵消不平衡弯矩的影响。各荷载工况下，主墩横向偏心的计算结果如表5所示。荷载工况最大最大悬臂施工阶段257.487主力153.183主力一横向附加力181.658主力一纵向附加力158.558由表5可知：转体施工前,T形刚构桥在最大悬臂施工阶段的横桥向弯矩最大，为优化T形刚构桥转体过程中球铰及上转盘的受力性能，保证T形刚构桥转体的稳定性，上转盘中心、球铰中心相对主墩中心向曲线内侧设置横向偏心，使转体过程中横向偏心距为0。球铰中心相对主墩中心向曲线内侧设置横向偏心后,T形刚构桥主墩及0 块混凝土浇筑阶段，横桥向将产生最大不平衡弯矩，为56.7 56 MNm,转盘临时固结结构最大可承受横桥向不平衡弯矩为16 4.595MNm，横桥向不平衡弯矩安全系数为2.9,故施工阶段T形刚构桥满足抗倾覆要求。为安全考虑，承台及桩基中心相对主墩中心向曲线内侧设置平均横向偏心为1.0 50 m。运营阶段，横桥向弯矩由主力-横向附加力控制，墩顶最大横向位移为2 2.8 mm，满足墩顶位移不大于50 mm的要求155T形刚构桥结构动力分析山东交通学院学报表4主墩控制截面的应力计算结果工况墩顶截面应力施工阶段荷载7.9主力5.0主力-横向附加力5.2主力-纵向附加力5.1运梁4.6架梁4.5注：主墩横向、纵向附加力主要为风荷载。表5各荷载工况下主墩横向偏心的计算结果横桥向弯矩/(MNm)最小257.487129.627136.223133.335107.259132.648130.358132.6862023年7 月第31卷单位：MPa顶部变截面应力底部变截面应力9.59.77.57.77.68.17.67.87.07.46.97.3竖向轴力/MN最大最小129.627143.711144.164144.126墩底截面应力6.04.95.45.04.94.8横向偏心/m最大最小1.9861.9861.1490.9481.3690.7441.1950.904桥梁结构的自振频率和振型等动力特性是桥梁动力性能的重要体现，桥梁的结构体系、刚度、质量分布及边界条件等对动力特性均有较大影响2 2。T形刚构桥在1 6 阶的自振频率分别为1.0 7 2、1.112、1.231、1.92 8、2.152、2.435H z,1 6 阶振型如图7 所示。由图7 可知：1阶振型为主梁反对称横向弯曲,2 阶振型为桥墩横向弯曲-主梁对称横向弯曲,3阶振型为桥墩纵向弯曲-主梁反对称竖向弯曲，,4阶振型为桥墩纵向弯曲-主梁二阶反对称竖向弯曲，5阶振第3期型为桥墩横向弯曲-主梁二阶对称横向弯曲,6 阶振型为主梁二阶对称竖向弯曲。主梁竖向弯曲出现较晚,表明T形刚构桥的横桥向刚度相对较小,原因是单桥的横向宽度较小。本桥主墩高度较小，主墩刚度比主梁大,桥墩振型出现晚于主梁振型。第1阶振型的自振周期按T,1.7s进行控制,本桥第1阶振型的自振周期为0.932 8 s,满足文献2 3要求。王建圣：高速铁路小半径曲线T形刚构桥设计99a）1阶b)2阶c）3阶d）4阶e）5阶6结束语f)6阶图7 T形刚构桥的1 6 阶振型在曲线半径为50 0 m的线路上采用跨径为10 0 m的T形刚构桥转体跨越运营高速铁路，采用软件MIDASCivil和BSAS分别建立曲线单梁模型和直线单梁模型,对设计的T形刚构桥的主梁和主墩结构进行静力计算分析,采用软件MIDAS Civil对T形刚构桥的结构进行动力计算分析,计算结果表明T形刚构桥的结构强度、刚度、位移和动力特性等均满足设计要求，成功解决了小半径曲线大跨径跨越运营高速铁路的桥梁设计问题。随曲线半径的减小及T形刚构桥跨径的增大,在桥梁结构计算中应进一步研究弯扭耦合作用对桥梁结构的影响，研究优化曲线桥梁的建模方法，考虑小半径曲线、大跨径T形刚构桥在列车激励下的动力响应及列车行车舒适性等问题。参考文献：1杨光强，吴辉，韦定超.超高墩大跨连续刚构桥设计J.交通科技,2 0 14,2 2(4)：1-4.YANG Guangqiang,WU Hui,WEI Dingchao.Design of super-high pier and long span continuous rigid frame bridgeJ.Transportation Science&Technology,2014,22(4):1-4.2顾云杰.大跨连续刚构桥结构监测参数分析与评估方法研究D.重庆：重庆交通大学,2 0 2 2.GU Yunjie.Research on structure monitoring parameter analysis and evaluation method of long span continuous rigid framebridge D.Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2022.3曲春升，陆从飞，彭运动.山区大跨连续刚构桥设计思路探讨J.公路,2 0 17,6 2(11)：8 8-90.4孙大斌.客运专线无咋轨道预应力混凝土T构桥设计跨径研究J.世界桥梁，2 0 18,46(2)：6-9.SUN Dabin.Study of design span length of passenger-dedicated railway prestressed concrete T-frame bridge with ballastlesstracksJ.World Bridge,2018,46(2):6-9.5 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bridge with high piersJJ.Railway Engineering,2012(7):1-3.22铁道部.关于南昆铁路四座大桥横向刚度的补充技术要求：铁道部建鉴19 9 2 9 3号文S.北京：铁道部，19 9 2.23 李清蒂，康飞，陈传勇，等.大跨度PC连续刚构桥挠度及线形控制M.重庆：重庆大学出版社,2 0 2 2.山东交通学院学报2023年7 月第31卷（下转第12 8 页）128component of the steel hanging basket are within the allowable range under the unbalanced pouring condition;The stress of each component of the steel hanging basket is kept within the allowable stress rang under thecondition that the front and rear steel suspenders of the steel hanging basket are broken;The whole steel hangingbasket is damaged when the steel sling at the wind support is broken;The average deviation between the finiteelement analysis results and the measured results is 10.3%;The overall performance of the steel hanging basketis good,and the stress and deformation of each component in the construction meets the design and specificationrequirements.Keywords:continuous girder bridge;steel hanging basket;finite element analysis;special conditions;stressanalysis（责任编辑：王惠）(上接第10 0 页)山东交通学院学报2023年7 月第31卷Design of T-shaped rigid frame bridge with small radius curvefor high speed railwayWANG JianshengJiQing High Speed Railway Co.,Ltd.,Jinan 250014,ChinaAbstract:In order to reduce the impact of the construction of a high speed railway connecting line on theoperating high speed railway crossing with it at a small angle,the construction scheme of a large-span T-shapedrigid frame bridge with small radius curve is adopted.Structural form of main girder and main pier of curved T-shaped rigid frame bridge is designed.The structural stress,deflection and support reaction of curved T-shapedrigid frame bridge is calculated and analyzed under construction stage,operation stage and earthquakeconditions with the finite element software MIDAS civil and BSAS.The dynamic characteristics of T-shaped rigidframe bridge with small radius curve at completion stage are analyzed with MIDAS Civil.The results show thatthe stress,deflection,natural vibration frequency and other control indexes of the main girder and main pierstructure of the curved T-shaped rigid frame bridge meet the design requirements.Keywords:high speed railway;small radius curve;T-shaped rigid bridge;structural design;dynamiccharacteristics(上接第114 页）alignment of the beam after completion of the bridge is consistent with the theoretical manufacturing alignment,the transfer-matrix method method is used to calculate the assembly elevation of the beam to be assembled.Theassembly angle and deviation between the assembled beam and the beam to be assembled is taken as the controlparameters,in accordance with the construction control characteristics of the traditional launching bridge.Theresults show that the measured unstressed alignment of the beam is highly consistent with the theoreticalunstressed alignment,and the deviation of most measuring points is less than 10 mm.The calculation method ofthe beam height to be assembled is simple and practical.The application in practical engineering shows that thebeam pushing operation is progressing smoothly,and the beam alignment control effect is good.Keywords:bridge engineering;incremental launching method;unstressed alignment;transfer matrix method;assembly angle deviation(责任编辑：王惠）（责任编辑：王惠）