欽江鐵路特大橋128m鋼管混凝土系桿拱橋設(shè)計(jì)

廖成強(qiáng)

(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

欽江鐵路特大橋是廣西沿海鐵路擴(kuò)能改造工程欽北段重點(diǎn)橋渡，橋梁與河道水流基本正交;橋位處遠(yuǎn)期規(guī)劃為雙孔通航，凈空2－110m×13m，最高通航水位為10.09m。

本橋采用雙線有碴軌道，線間距4.6m，列車運(yùn)行速度目標(biāo)值為(ZK活載)250km/h、(中－活載)120km/h。橋梁位于R=3 500m的曲線上，全長(zhǎng)2 225m。其中，主橋采用兩孔計(jì)算跨徑128m下承式鋼管混凝土簡(jiǎn)支系桿拱，立面如圖1所示。

圖1 主橋2×128 m鋼管混凝土拱橋立面布置

2 主橋結(jié)構(gòu)構(gòu)造

單跨系桿拱系梁全長(zhǎng)131.6m，計(jì)算跨徑128m，矢跨比f/L=1/5，拱肋平面內(nèi)矢高25.6m，拱軸線采用m=1.347懸鏈線線型。單跨系桿拱橋立面、平面及斷面布置詳見圖2所示。

圖2 系桿拱立面、平面及斷面布置(單位:cm)

系桿拱采用“先梁后拱”的施工方法，主要施工順序?yàn)?橋下搭設(shè)鋼管樁支架現(xiàn)澆混凝土主梁(系梁)→以主梁梁體作為施工平臺(tái)搭架拼裝空鋼管拱肋→泵送拱肋混凝土→安裝張拉吊桿。

2.1 拱肋、橫撐及吊桿

拱肋橫截面采用啞鈴型鋼管混凝土截面，截面高3.6m，沿程等高布置，主鋼管規(guī)格為1 300mm、壁厚δ=20mm，上下弦管中心距2.3m。拱肋主鋼管及腹腔內(nèi)均灌注C55混凝土。

兩片拱肋之間共布置5道橫撐，其中拱頂設(shè)置“米”撐，拱頂至兩拱腳間設(shè)4道K撐。橫撐為空鋼管組成的桁式結(jié)構(gòu)，主鋼管外徑850mm、壁厚16mm，斜鋼管外徑630mm、壁厚12mm。

單跨系桿拱共設(shè)14對(duì)吊桿，第一根吊桿距離支點(diǎn)12m，其余吊桿縱橋向中心間距均為8m。每處吊桿均由單根163絲7mm的平行鋼絲束組成，配套錨具為冷鑄墩頭錨。

2.2 系梁

系梁按整體箱形梁布置，采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面。系梁標(biāo)準(zhǔn)段箱寬17.8m，梁高2.5m。系梁平面、立面及斷面構(gòu)造詳見圖3所示。

圖3 混凝土系梁立面、平面及斷面布置(單位:cm)

系梁縱向設(shè)置102束15－ΦS15.2預(yù)應(yīng)力筋，橫向在底板上設(shè)置4－ΦS15.2預(yù)應(yīng)力筋，吊桿處橫梁內(nèi)設(shè)置4束13－ΦS15.2預(yù)應(yīng)力筋，端橫梁處設(shè)置39束15－ΦS15.2預(yù)應(yīng)力筋。

2.3 主墩及支座

3個(gè)主墩均采用中間挖門洞造型的圓端形墩柱。主墩基礎(chǔ)均采用群樁基礎(chǔ)。單孔系桿拱橋共計(jì)設(shè)置4個(gè)40 000kN的球鋼支座。

3 主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

本橋系桿拱結(jié)構(gòu)體系為剛性系桿剛性拱，空間桿系結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力及穩(wěn)定性分析計(jì)算均采用Midas/Civil7.4.1版程序。并采用了Midas/FEA程序?qū)澳_及主梁吊點(diǎn)進(jìn)行了局部實(shí)體有限元分析，采用MSC程序?qū)Ρ緲蜻M(jìn)行車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)分析。

3.1 計(jì)算荷載與計(jì)算參數(shù)

(1)恒載(2)活載(3)附加力，附加力包括:①制動(dòng)力或牽引力;②風(fēng)荷載;③溫度力:整體均勻升降溫±25℃，非均勻升降溫考慮為拱肋±10℃、吊桿±15℃、系梁頂板±10℃。

3.2 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果

(1)系梁撓度:在靜活載和考慮溫度荷載引起的最大撓度為38.0mm，撓跨比為1/3372。

(2)梁端轉(zhuǎn)角:在中活載作用下，梁端豎向折角為－1.270‰、+0.884‰;在ZK活載作用下，梁端豎向折角為－1.124‰、+0.793‰。

(3)自振頻率:結(jié)構(gòu)一階自振為橫向彎曲(拱肋)，頻率0.669Hz;二階自振為縱向彎曲，頻率1.283Hz。

(4)結(jié)構(gòu)應(yīng)力:

①拱肋鋼管最大應(yīng)力:中活載主力組合135.5MPa，主+附組合147.0MPa。

②拱肋鋼管混凝土應(yīng)力(考慮混凝土收縮、徐變):中活載主力組合最大14.1MPa，最小2.0MPa;主+附組合最大15.3MPa，最小 0.9MPa。

③吊桿應(yīng)力:中活載主力組合最大499.2MPa，最小377.2MPa;主+附組合最大511.5MPa，最小352.1MPa。吊桿最大應(yīng)力幅為96.2MPa，安全系數(shù)大于3.0。

3.3 拱腳及主梁吊點(diǎn)局部應(yīng)力分析

拱腳節(jié)點(diǎn)及主梁吊點(diǎn)的構(gòu)造處理較為復(fù)雜，采用實(shí)體有限元模型(如圖4所示)進(jìn)行局部應(yīng)力計(jì)算分析，用以指導(dǎo)局部加強(qiáng)和鋼筋設(shè)置。

圖4 拱腳及主梁吊點(diǎn)局部實(shí)體分析模型

計(jì)算結(jié)果表明，忽略去預(yù)應(yīng)力筋錨固區(qū)域及過人孔等部位的局部應(yīng)力集中，拱腳處最大主拉應(yīng)力可控制在1.4MPa以內(nèi);系梁吊點(diǎn)處最大主拉應(yīng)力可控制在1.3MPa以內(nèi)。

3.4 主拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性核算

計(jì)算結(jié)果表明，主拱結(jié)構(gòu)1～15階失穩(wěn)模態(tài)均為面外失穩(wěn)，最低階面外失穩(wěn)模態(tài)穩(wěn)定系數(shù)為8.47(結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性足夠)，如圖5所示。

圖5 最低階橋梁橫向失穩(wěn)模態(tài)

3.5 車橋耦合動(dòng)力分析計(jì)算

采用MSC程序?qū)Ρ緲蜻M(jìn)行車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)分析檢算，結(jié)果表明主橋結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)營(yíng)中有足夠的橫向剛度及良好的列車運(yùn)營(yíng)平穩(wěn)性。

4 設(shè)計(jì)體會(huì)

通過對(duì)欽江特大橋128m系桿拱橋的全過程設(shè)計(jì)，筆者有如下幾點(diǎn)體會(huì)。

4.1 大跨徑高速鐵路鋼管混凝土系桿拱橋的結(jié)構(gòu)選型

(1)拱肋布置 分內(nèi)傾提籃拱型式和豎直雙拱肋型式兩種，前者拱肋結(jié)構(gòu)施工定位略復(fù)雜，后者則相對(duì)簡(jiǎn)潔施工便捷，本橋采用了后者。

(2)吊桿布置 分斜吊桿布置(尼爾森體系)型式和平行布置型式兩種，前者吊桿在主梁及拱肋上的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造處理較為復(fù)雜(單個(gè)吊點(diǎn)一般為兩根吊桿交匯)，后者則相對(duì)較為簡(jiǎn)單，本橋采用了后者。

(3)啞鈴型拱肋腹腔結(jié)構(gòu) 從提高截面的抗彎截面慣性矩而言，腹腔混凝土貢獻(xiàn)并不大，可考慮采用空腔(不灌注混凝土)。為保證拱肋上下弦管的剛度銜接過渡，本橋仍考慮腹腔內(nèi)灌注混凝土，但采用較小的腹腔綴板間距。

4.2 系梁與拱肋的剛度比

作為剛性系桿剛性拱，系梁和拱肋的剛度比應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行控制。經(jīng)過對(duì)比計(jì)算分析，建議(EI)拱肋/(EI)系梁取值在1/2左右時(shí)，可以明顯的減小拱肋中的彎矩，使其更加符合梁拱組合體系橋梁的受力特點(diǎn)，使得“拱肋受壓、系梁受拉”得到充分發(fā)揮。

4.3 吊桿分批張拉順序的優(yōu)化

為避免施工過程中各組吊桿索力預(yù)張拉值過大，不建議直接采用“邊→中、逐組分批張拉”，建議采用“邊→中→邊、隔組分批張拉”。以本橋?yàn)槔?，單跨系桿拱共計(jì)14組吊桿，吊桿編號(hào)從拱腳到跨中分別編號(hào)1～7和1’～7’，經(jīng)過反復(fù)試算分析，建議的張拉順序?yàn)?第7、7’對(duì)吊桿→第4、4’對(duì)吊桿→第1、1’對(duì)吊桿→第3、3’對(duì)吊桿→第 6、6’對(duì)吊桿→第2、2’對(duì)吊桿→第 5、5’對(duì)吊桿。

5 結(jié)束語(yǔ)

鋼管混凝土系桿拱橋剛度大， 動(dòng)力性能好，能夠有效降低主梁的結(jié)構(gòu)高度，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。為確保結(jié)構(gòu)安全和行車平穩(wěn)，滿足剛度要求，鋼管混凝土系桿拱橋設(shè)計(jì)應(yīng)注意拱肋和吊桿結(jié)構(gòu)布置選型，合理控制系梁和拱肋的剛度比。對(duì)于拱梁結(jié)合部及主梁吊點(diǎn)處，應(yīng)根據(jù)局部應(yīng)力分析的計(jì)算結(jié)果，做好其構(gòu)造處理及配筋設(shè)計(jì)。

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M］．人民交通出版社，2007