康祁公路永定河大桥高墩转体设计与计算

 陈敬松

 （中铁轨道工程研究设计有限公司  武汉430074）

摘要  为了跨越永定河及丰沙铁路，康祁公路永定河大桥设计了59 m、56 m高墩双转体预应力混凝土连续刚构一连续梁组合结构，其中1，2号墩为2个高墩，2，3号墩为2个转体墩，并对1，2号高墩的3个控制截面进行静力计算和在El与E2地震波作用下的抗震计算，合理解决了在不中断铁路运行条件下跨峡谷河流桥梁的设计与计算难题，有效指导了工程实施，保证了桥梁结构安全及交通安全，节省了工期。

关键词  桥梁工程连续刚构一连续梁组合结构高墩设计转体设计静力计算抗震计算

 康祁公路永定河大桥为高墩双转体预应力混凝土连续刚构一连续梁组合结构，跨越官厅水库下游永定河段及丰沙铁路，全长308 m，桥跨布置58m+93 m+97 m+58 m，梁宽12.4 m，1，2号桥墩分别为59，56 m的高墩结构，3号桥墩为7m的矩形截面结构。

 桥位上游官厅水库洪水位为482. 30 m，最大泄洪量为2 000 m3/s，泄洪水头高约10 m。桥梁设计荷载为1.3×公路一I级，设计速度为60km/h，按照VIII度抗震设防，地震动峰值加速度值为0. 2g。

1  高墩及转体设计

1.1总体方案设计

 本桥为高墩大跨连续转体刚构，具有墩高、联长、施工难度大，控制因素多等特点，高墩设计时主要考虑的因素有：桥墩应有足够的刚度，以满足温度、混凝土收缩徐变等引起的变形，及其在运营过程中自身的受力需求；应满足转体施工的要求，尽量减小官厅水库泄洪对桥梁的影响，满足地震作用下桥梁结构的安全。

本桥桥位处地形地貌复杂，高差约为70 m，永定河河道底宽约为90 m，河道成U形。由于路线与沟底高差较大，且永定河泄洪水量较大，而丰沙铁路上下行线间距30 m，同时应保证合龙段与铁路有较大的平面距离，设计采用93 m+97 m不等跨转体方案，最大限度减少桥梁对永定河泄洪的影响，并保障铁路的运营安全。同时考虑到3号桥墩较矮，不宜采用墩梁固结，于3号墩顶设置支座（连续梁结构）。最终确定为58 m+93 m+97 m+58 m的连续刚构一连续梁组合结构方案，2，3号桥墩为转体墩，2转体梁长均为95 m，考虑3号桥墩较矮，为节约工期，3号桥墩转体梁体采用支架现浇施工，其余梁体采用挂篮悬浇施工，转体角度分别为65。和74。，转体重量分别为7 200 t和6 100 t。桥型布置见图1。

1.2高墩结构设计

 高墩大跨刚构桥墩大多采用双肢薄壁与单体空心墩2种，双肢薄壁墩与单体空心墩相比，单体空心墩特别是箱形截面的抗扭性能好，抗推能力强，但其柔性不如双肢薄壁墩。双肢薄壁墩减小了跨径，对主梁负弯矩的消峰能力较好，能有效减小梁高。但随着墩身高度的不断增加，单体空心墩的柔性逐渐增强，允许的纵向变位也随之增大，且单体空心墩施工及成桥状态稳定性要高于双肢薄壁墩，因此，当墩高不高时，常采用双肢薄壁墩，当墩高大于50 m时，多采用单体空心墩。考虑本桥为转体施工，由于双肢薄壁墩的纵向总尺寸要大于单体空心墩，采用双肢薄壁墩需要设置较大的转盘。故本桥选择箱形截面单体空心墩。并结合官厅水库泄洪的影响以及2号桥墩的转体情况，进行1，2号高墩设计。

1，2号墩身均采用矩形空心薄壁墩，墩身截面横桥向宽7.0 m，顺桥向宽6.0 m，壁厚1．0m。1号墩身下设19 m高圆端形实体墩座（考虑官厅水库泄洪的影响），墩座横桥向宽14.0 m（两端为半径3.5 m圆端形），顺桥向宽7．0m。2号墩身下设直径10.0m圆形实体墩座（考虑官厅水库泄洪的影响以及转体的要求），墩座高16.0m，转体球铰设置于墩座顶（减少转体重量，同时避免施工过程中水库泄洪的影响）。桥墩纵向钢筋采用直径28 mm螺纹钢，空心部分外壁四周按束筋布置（2根为1束，束间距10 cm），内壁四周按单筋布置(间距10 cm)。墩座外壁均按束筋布置(2根为1束，束间距10 cm)。1，2号墩身截面见图2。

1.3转体结构设计

 转体结构由下转盘、球铰、上转盘、转体牵引系统、撑脚、定位销轴组成。球铰由上下2块钢质球面板组成，下球铰呈凹形，凹面向上，上球铰呈凸形，凸面向下，凸面位于凹面内，这种凹凸形设计的转体球铰在形同倾覆力作用下其倾覆力臂更小、稳定性更高。上下球铰间采用摩擦系数较小的聚四氟乙烯材料连接。根据本桥的转体重量，2，3号桥墩均采用直径3m的球铰。

2桥墩结构静力计算

2.1  1，2号桥墩静力计算

1，2号桥墩均采用C40混凝土，环境类别为I类，重要性系数取1.1。采用Midas软件建立三维有限元模型进行计算，全桥共划分1 013个单元（其中上部结构103个单元，下部结构61个单元，基础849个单元），计算模型见图3。

成桥静力计算选择3个控制截面：①空心墩底(t=1 m)截面即距墩顶36 m处；②空心墩底（t=1.5 m）截面即距墩顶38 m处；③实心(7 m×6 m)截面即距墩顶40 m处。工况按弯矩最大的基本组合计算。空心截面（I形截面）按式(1)、式(2)计算，实心截面按式(3)、式(4)计算。

1，2号桥墩计算结果见表1、表2。

2.2 2号桥墩施工计算

 施工过程计算(2号桥墩控制，主梁跨径为97m)：主梁悬浇共分14个节段，其中0号节段长10m，1～11号节段长均为3.5 m，12号节段长4m，13号节段（合龙段）长2m。1～13号节段梁重分别为1 796,1 670,1 575,1 475,1 387,1 312,1 250,1  155,1 030,1 032, 958,1 061, 265 kN。主梁对称悬浇，考虑一个节段梁重和挂篮自重(取1 200 kN)对墩身产生不对称弯矩进行验算，并考虑桥面承受不对称风载。计算选择2个控制截面：①空心墩底（t=1 m）截面即距离墩顶36 m处；②空心墩顶(t=l m)截面即距离墩顶6m处。其计算结果均满足规范要求。

3  桥墩结构抗震计算

抗震计算：场地类别为II类，反应谱特征周期为0. 35 s，El地震作用下，结构重要性系数0.5，场地系数1.0，阻尼调整系数1.0，E2地震作用下，结构重要性系数1.3，场地系数1.0，阻尼调整系数1.0。经计算E1，E2地震作用下，1，2号桥墩均满足规范要求，限于篇幅，此处仅列出E2地震作用下，1，2号桥墩计算结果，见表3～表6。

根据抗震设计细则，按照式(5)、式(6)进行墩柱沿顺桥向和横桥向的斜截面抗剪强度验算。

4结语

 (1)为跨越永定河及丰沙铁路，康祁公路永定河大桥创新性提出了高墩转体的混凝土连续刚构一连续梁组合结构体系设计方案，解决了不中断铁路运行条件下跨峡谷河流的桥梁建设难题；桥墩上端采用空心矩形结构、下端采用实心（椭）圆形结构，墩中布置转体结构，综合解决了水库泄洪难题与转体重量大、风险高的问题，达到了结构安全、受力合理以及外形美观等多重要求。

 (2)对本桥施工难点1，2号高墩进行了静力计算，并给出了1，2号2个高墩在El与E2地震波作用下的抗震计算，保证了桥梁的施工安全和结构安全。当连续刚构桥墩较高时，采用箱型截面墩，能有效增加桥墩的抗推刚度，同时也能保证桥墩的整体柔性。但不利于墩顶主梁消峰，在主梁应力不受控制时可考虑此墩形。

 (3)康祁公路水定河大桥于2012年5月成功转体，2012年10月竣工通车，在保证丰沙铁路在施工期间不中断交通的同时节省6个月工期，节约投资数百万元，达到了安全、优质和高效的目的，对类似的设计施工具有很好的借鉴价值。