京杭運(yùn)河特大橋連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王法武

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

1 工程概況

寧啟鐵路復(fù)線電氣化改造京杭運(yùn)河特大橋位于揚(yáng)州市，新建橋位于既有鐵路橋南側(cè)25 m左右。既有橋孔跨布置為:27－16 m先張T梁+5－32 m后張T梁+1－112 m下承式鋼桁梁+28－32 m后張T梁。為對孔布置及降低結(jié)構(gòu)高度，新建橋采用(65+114+65)m單線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土拱組合結(jié)構(gòu)。

京杭運(yùn)河為Ⅱ級航道，通航凈高7.5 m，最高通航水位7.13 m，最低通航水位3.33 m，通航凈寬≥90 m，設(shè)計(jì)洪水位H1/100=7.51 m，設(shè)計(jì)流量為2 107 m3/s，設(shè)計(jì)流速為1.28 m/s，設(shè)計(jì)橋梁線路中心與京杭運(yùn)河水流方向交角為2°。

主橋總布置見圖1。

圖1 主橋總布置(單位:cm)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)線路等級:國鐵Ⅰ級。

(2)線路情況:有砟軌道，單線，直線。

(3)牽引種類:電力。

(4)設(shè)計(jì)活載:“中－活載”。

(5)設(shè)計(jì)行車速度:客車200 km/h，貨車120 km/h。

(6)地震動(dòng)峰值加速度:≤0.15g。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主梁構(gòu)造

主梁橋面寬8.5 m，主墩頂橋面加寬至10.2 m。主梁采用單箱單室直腹板箱形斷面，邊跨及跨中梁高3.5 m，支點(diǎn)梁高6.0 m，梁高按二次拋物線變化。箱梁頂板厚0.4 m，在墩頂位置加厚至0.8 m;底板變厚度，邊跨及跨中為0.35 m，主墩墩頂位置處為1.0 m，邊跨墩頂位置處為0.8 m;腹板亦為變厚度，厚度分0.40 m、0.60 m、0.90 m三種，腹板厚度變化通過一個(gè)節(jié)段實(shí)現(xiàn)。

主梁共設(shè)置4道橫隔板，邊跨墩頂橫隔板厚1.5 m，主跨墩頂橫隔板厚3.5 m。在吊桿位置設(shè)吊桿橫梁，共設(shè)12道吊點(diǎn)橫梁，吊點(diǎn)橫梁厚0.35 m。

主梁采用掛籃懸臂澆筑施工，節(jié)段劃分主要考慮以下因素:①0號塊長度應(yīng)考慮拱腳構(gòu)造和掛籃安裝空間。②考慮工期緊張，適當(dāng)加大節(jié)段長度。③吊桿中心至各梁段端部最好為一個(gè)定值，以方便施工。

主梁懸臂施工共分為13個(gè)節(jié)段。各節(jié)段長度分別為:0號節(jié)段長17 m，1號節(jié)段長3.5 m，2號～12號節(jié)段長4.0 m，合龍段長2.0 m，邊跨現(xiàn)澆段長7.75 m。主梁橫斷面見圖2。

圖2 主梁橫斷面(單位:cm)

3.2 預(yù)應(yīng)力布置

主梁采用縱、豎雙向預(yù)應(yīng)力。縱向預(yù)應(yīng)力鋼束在最大負(fù)彎矩區(qū)設(shè)置40束19－φs15.2 mm頂板束和26束16－φs15.2 mm腹板下彎束。中跨最大正彎矩區(qū)設(shè)置12束16－φs15.2 mm鋼束，邊跨最大正彎矩區(qū)設(shè)置14束16－φs15.2 mm鋼束，邊跨和中跨合龍段附近頂板均設(shè)置2束19－φs15.2 mm鋼束?？v向預(yù)應(yīng)力鋼束標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，張拉控制應(yīng)力 σcon=1 302 MPa。

豎向預(yù)應(yīng)力筋采用φL25 mm高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度830 MPa，錨下張拉控制力為346 kN。

3.3 拱肋

拱肋跨徑114 m，理論矢高22.8 m，矢跨比為1/5，拱軸線為二次拋物線。拱肋采用鋼管混凝土啞鈴形截面，截面高度2.8 m，上、下弦管為φ800×16 mm鋼管，腹腔由16 mm厚鋼板組成，寬0.55 m。拱肋內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土。兩片拱肋橫向間距6.7 m。

3.4 吊桿

吊桿采用高強(qiáng)鋼絲成品吊桿，每根吊桿采用73根φ7 mm雙層鍍鋅高強(qiáng)鋼絲，吊桿下端錨固于橫梁底部，上端穿過拱肋錨固于拱肋上緣，吊桿于上端張拉。本橋吊桿力較小，采用單吊桿以簡化設(shè)計(jì)和施工，吊桿順橋向間距8 m，全橋共設(shè)12對吊桿。

3.5 風(fēng)撐

兩片拱肋之間共設(shè)置5道風(fēng)撐，風(fēng)撐采用鋼管桁架結(jié)構(gòu)，與拱肋固結(jié)。風(fēng)撐鋼管規(guī)格分別為φ450 mm×12 mm、φ250 mm ×10 mm。

4 施工方案

本橋主要施工步驟如下:

①施工0號節(jié)段，張拉預(yù)應(yīng)力筋。安裝掛籃。

②懸臂澆筑1～12號節(jié)段，張拉相應(yīng)預(yù)應(yīng)力筋，在施工12號節(jié)段的同時(shí)進(jìn)行邊跨現(xiàn)澆段施工。

③澆筑邊跨合龍段混凝土，張拉預(yù)應(yīng)力筋。

④安裝中跨合龍段支架，澆筑中跨合龍段混凝土，張拉預(yù)應(yīng)力筋。

⑤在橋面搭設(shè)臨時(shí)支架，安裝拱肋和風(fēng)撐。

⑥將拱肋與臨時(shí)支架脫離，依次灌注拱肋上弦管、下弦管、腹腔混凝土。

⑦安裝吊桿，按設(shè)計(jì)順序張拉吊桿。

⑧施工橋面系，調(diào)整吊桿力至設(shè)計(jì)值。

5 結(jié)構(gòu)整體靜力計(jì)算

5.1 結(jié)構(gòu)體系分析

對于連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)，梁拱剛度之比決定二者承擔(dān)荷載大小。本橋梁拱剛度之比見表1。

表1 梁拱剛度之比

1/80＜E梁I梁/E拱I拱＜80，屬于剛性梁剛性拱。在二期恒載q=89.3 kN/m作用下，全部吊桿力之和為3 630 kN，中跨二期恒載合計(jì)10 180 kN，拱肋承擔(dān)荷載比例為3 630/10 180=35.66%。

分別建立中跨無拱肋加勁的連續(xù)梁模型(模型一)和中跨有拱肋加勁的連續(xù)梁拱模型(模型二)，考慮施工階段，對比兩種模型內(nèi)力和位移。有、無拱肋加勁時(shí)主梁彎矩對比見表2。

表2 有、無拱肋加勁主梁彎矩對比 kN·m

從表2可見，當(dāng)有拱肋加勁時(shí)，在列車活載作用下，邊跨跨中、中跨跨中和中支點(diǎn)彎矩均明顯減小;在恒載作用下，中跨跨中、中支點(diǎn)彎矩明顯減小，邊跨跨中彎矩略有增大。

有、無拱肋加勁時(shí)主梁列車活載位移對比見表3。

表3 有、無拱肋加勁主梁列車活載位移對比 mm

從表3可見，當(dāng)有拱肋加勁時(shí)，在列車活載作用下，邊跨跨中、中跨跨中位移減小，中跨跨中位移由91.9 mm減小至18.0 mm，拱肋顯著提高了主梁豎向剛度。

5.2 主梁計(jì)算結(jié)果

(1)應(yīng)力

主力組合下，上緣最小壓應(yīng)力1.09 MPa，最大壓應(yīng)力11.22 MPa;下緣最小壓應(yīng)力2.97 MPa，最大壓應(yīng)力13.12 MPa。主+附組合下，上緣最小壓應(yīng)力0.43 MPa，最大壓應(yīng)力12.17 MPa;下緣最小壓應(yīng)力2.10 MPa，最大壓應(yīng)力13.58 MPa。

(2)強(qiáng)度及抗裂

主力組合下，最小強(qiáng)度安全系數(shù)2.20，最小抗裂安全系數(shù)1.39，最大主拉應(yīng)力1.25 MPa。

主+附組合下，最小強(qiáng)度安全系數(shù)2.13，最小抗裂安全系數(shù)1.35，最大主拉應(yīng)力1.32 MPa。

(3)剛度

列車荷載作用下，中跨最大靜活載撓度17.1 mm，撓跨比1/6 667;邊跨最大靜活載撓度16.7 mm，撓跨比1/3 892;梁端轉(zhuǎn)角1.0‰。

5.3 拱肋計(jì)算結(jié)果

主力組合下，鋼管上緣最大壓應(yīng)力83 MPa，最大拉應(yīng)力8 MPa;下緣最大壓應(yīng)力132 MPa，最小壓應(yīng)力32 MPa。主 +附組合下，鋼管上緣最大壓應(yīng)力85 MPa，最大拉應(yīng)力11 MPa;下緣最大壓應(yīng)力136 MPa，最小壓應(yīng)力28 MPa。

主力組合下，混凝土上緣最大壓應(yīng)力4.39 MPa，最大拉應(yīng)力2.36 MPa;下緣最大壓應(yīng)力2.71 MPa，最小壓應(yīng)力－1.31 MPa。主+附組合下，混凝土上緣最大壓應(yīng)力4.88 MPa，最大拉應(yīng)力－2.85 MPa;下緣最大壓應(yīng)力3.07 MPa，最小壓應(yīng)力－2.03 MPa。

5.4 吊桿計(jì)算結(jié)果

主+附組合下，吊桿最大拉應(yīng)力268 MPa，強(qiáng)度安全系數(shù)6.23＞3.0。吊桿最大活載應(yīng)力幅142 MPa＜200 MPa。

6 動(dòng)力特性分析

橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性是其固有特性，它是對橋梁進(jìn)行抗震分析的基礎(chǔ)，并對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有直接影響。采用Midas軟件建立空間計(jì)算模型，主梁、拱肋及橫撐采用空間梁單元，吊桿采用桁架單元。結(jié)構(gòu)自振特性見表4。

表4 結(jié)構(gòu)自振特性

從表4可見:結(jié)構(gòu)第一階頻率為0.606 Hz，表現(xiàn)為拱肋橫向彎曲振動(dòng);主梁豎向彎曲振動(dòng)在第3階出現(xiàn)，頻率為1.79 Hz;主梁橫向彎曲振動(dòng)在第6階出現(xiàn)，頻率為2.261 Hz。

7 穩(wěn)定計(jì)算

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算與動(dòng)力特性分析采用同一空間模型。計(jì)算表明:結(jié)構(gòu)失穩(wěn)表現(xiàn)為拱肋面外失穩(wěn)。在自重+二期恒載+列車活載作用下，一階失穩(wěn)臨界荷載系數(shù)為7.48，一階失穩(wěn)模態(tài)見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)一階失穩(wěn)模態(tài)

8 結(jié)論

(1)連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)可以較同等跨度連續(xù)梁顯著降低建筑高度，并且主梁可以采用掛籃懸臂澆筑施工，拱肋在合龍后的橋面上進(jìn)行架設(shè)，對航道干擾甚小，非常適合于跨越高等級航道。

(2)連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)由于拱肋的加勁作用，主梁豎向剛度有明顯提高。以本橋?yàn)槔?，由于拱肋的加勁，中跨跨中列車活載撓度由91.9 mm減至18.0 mm。

(3)連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)主要表現(xiàn)為拱肋面外失穩(wěn)，本橋一階失穩(wěn)臨界荷載系數(shù)為7.48。

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