蘭渝鐵路96 m下承式鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)

趙 亮

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概況

蘭渝鐵路于DK37+021處跨越巉柳高速公路，高速公路寬24.5 m，中央設(shè)有分隔帶，線路與高速公路夾角36°。橋址處線路曲線半徑R=3 500 m，右側(cè)20 m處為既有隴海鐵路跨線橋。橋址區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度0.2g，動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.45 s。結(jié)合地形、地質(zhì)等條件，同時(shí)考慮高速公路33.5 m的規(guī)劃寬度要求，采用1孔96 m下承式鋼管混凝土拱橋跨越。橋梁立面布置如圖1所示。

圖1 橋梁立面布置(單位：cm)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：客貨共線Ⅰ級(jí)鐵路；

(2)設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值：旅客列車200 km/h，貨物列車120 km/h；

(3)正線數(shù)目：雙線；

(4)軌道形式：有砟無縫線路；

(5)設(shè)計(jì)活載：中-活載。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上部采用96 m下承式鋼管混凝土拱-梁組合結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)99 m，計(jì)算跨度96 m。鋼管混凝土拱圈采用受力均勻的拋物線拱，理論拱軸線方程為

式中，f為矢矩；L為計(jì)算跨度。

根據(jù)規(guī)范中1/3～1/7的合理矢跨比要求，矢跨比取1/5。橫橋向設(shè)置兩榀平行拱肋，拱肋中心距12.15 m。下部橋墩采用不等跨圓端墩，基礎(chǔ)采用φ1.5 m鉆孔灌注樁。

3.1 主梁構(gòu)造

為滿足列車高速運(yùn)行時(shí)對(duì)橋梁剛度的要求，主梁采用橋面整體連續(xù)且具有較大豎向和橫向剛度的箱梁，箱梁截面設(shè)計(jì)為單箱三室，跨中和支點(diǎn)處截面如圖2所示。跨中梁高2.6 m，梁頂寬15.26 m，底寬12.5 m，梁端拱腳處10.5 m范圍內(nèi)梁頂加寬至15.85 m，梁底加寬至13.95 m；邊腹板厚35 cm，支點(diǎn)處加厚至180 cm；中腹板厚30 cm，支點(diǎn)處加厚至200 cm。吊桿處隔墻厚35 cm，隔墻開設(shè)1.5 m×0.9 m的過人洞。箱梁頂設(shè)有2%的橫坡，為減少箱梁內(nèi)外溫差，邊、中腹板沿橋縱向每隔6.0 m左右設(shè)φ10 cm通風(fēng)孔2處。橋梁位于曲線上，梁體按直線平分中矢布設(shè)后，96 m下承式鋼管混凝土拱橋的主梁與32 m簡(jiǎn)支梁體之間在曲線外側(cè)梁縫較大，為解決梁縫過寬問題，將96 m下承式鋼管混凝土拱橋的主梁梁端線澆筑為平行梁縫中心線，即主梁平面按梯形布設(shè)。

圖2 主梁截面(單位：cm)

3.2 主梁預(yù)應(yīng)力

主梁縱、橫向按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，箱梁縱、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束均采用φ15.2 mm高強(qiáng)度、低松弛鋼絞線?？v向設(shè)15φ15.2 mm預(yù)應(yīng)力鋼束，橫向在吊桿隔墻和支點(diǎn)處端橫梁內(nèi)設(shè)3φ15.2 mm、9φ15.2 mm預(yù)應(yīng)力鋼束，拱座內(nèi)豎向設(shè)φ32 mm PSB830預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋。

3.3 拱肋構(gòu)造

拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，截面采用豎向抗彎剛度大且腹腔內(nèi)不填筑混凝土的新型啞鈴形截面[1]。拱肋截面高取3.2 m，上、下弦鋼管外徑取110 cm，壁厚取24 mm，鋼管內(nèi)灌注C55微膨脹混凝土，上下弦鋼管中心距為2.1 m。拱肋上下弦管之間采用厚度為24 mm的綴板連接，綴板間距70 cm，在拱腳處加寬至110 cm，為保證綴板局部穩(wěn)定，設(shè)置縱、豎向加勁肋。綴板間除拱腳面以外4.52 m范圍及吊桿處縱向1.5 m范圍灌注C55微膨脹混凝土外，其余均不灌注混凝土。拱肋截面如圖3所示。

圖3 拱肋截面(單位：mm)

3.4 橫撐

對(duì)于平行拱肋，大量的分析表明，其橫撐布置對(duì)結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定的影響要大于其自身剛度的影響。拱頂橫撐布置成與拱軸線鉛直正交，在其他地方布置成與拱軸線相切，對(duì)提高橫向穩(wěn)定效果較好[1]。因此，本橋在橋跨方向的兩側(cè)各設(shè)1道“K”撐，中間設(shè)3道“一”字撐?！耙弧弊謸魏汀癒”撐均為空鋼管組成的桁式結(jié)構(gòu)，分別由φ800 mm、φ500 mm、φ400 mm的鋼管組成。

3.5 吊桿

為保證更換吊桿時(shí)不中斷行車和單根吊桿斷裂時(shí)橋梁的安全性，吊桿布置為縱向雙吊桿，同一組吊桿縱向間距60 cm。兩榀拱肋共設(shè)26組吊桿，第一組吊桿距離支點(diǎn)12.0 m，其余各組吊桿中心距均為6.0 m。吊桿采用PE防護(hù)的61絲φ7 mm的平行鋼絲束。為防止人為破壞，在距梁頂3 m范圍內(nèi)，于吊桿PE護(hù)套外加設(shè)0.8 mm厚的不銹鋼管予以防護(hù)。吊桿張拉端設(shè)在拱肋上端，下端與錨箱連接，錨箱鋼板預(yù)埋在主梁內(nèi)，錨箱拉板采用Q345qE鋼板，尺寸為400 mm×30 mm，錨固鋼筋采用HRB400的φ32 mm鋼筋(板孔φ35 mm)。吊桿大樣及連接構(gòu)造橫斷面如圖4所示。

圖4 吊桿大樣及連接構(gòu)造橫斷面圖(單位：mm)

3.6 拱腳

拱肋伸入拱座，拱座內(nèi)拱肋鋼管設(shè)置剪力釘，并通過構(gòu)造鋼筋和預(yù)應(yīng)力粗鋼筋與主梁形成整體。拱肋截面在拱腳處由啞鈴形截面變?yōu)?.8 m×5.1 m的矩形截面。為提高拱座混凝土的抗拉能力，拱座和拱座下的部分主梁混凝土采用C55聚丙烯纖維混凝土。

3.7 支座

采用TQGZ型鋼支座，支點(diǎn)處橫向設(shè)置2個(gè)支座，支座間距12.15 m，支座噸位2750t。

4 施工方法

在條件允許的情況下采用支架現(xiàn)場(chǎng)澆筑，可較好地保證結(jié)構(gòu)的整體性[1，2]，因此該橋采用支架現(xiàn)場(chǎng)澆筑、“先梁后拱”的施工方法。主要施工步驟如下：施工基礎(chǔ)及橋墩，利用滿堂支架現(xiàn)澆主梁，張拉主梁預(yù)應(yīng)力鋼束；以橋面為工作平臺(tái)，搭設(shè)支架，拼裝鋼管拱肋，依次對(duì)稱灌注拱肋上弦鋼管、下弦鋼管、吊桿處綴板內(nèi)混凝土；拆除拱肋支架，拱肋受力，按指定的次序和初張力張拉吊桿；拆除主梁支架，在主梁預(yù)應(yīng)力張拉完成150 d后施工橋面系；實(shí)測(cè)吊桿力并調(diào)整至設(shè)計(jì)目標(biāo)值，完成全橋施工。全橋主要施工步驟如圖5所示。

圖5 主要施工步驟

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

5.1 計(jì)算內(nèi)容及方法

本橋計(jì)算內(nèi)容主要包括靜力計(jì)算分析、拱腳節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力分析、自振特性分析和空間穩(wěn)定性分析。靜力計(jì)算分析主要有主梁縱向計(jì)算(施工階段、運(yùn)營(yíng)階段預(yù)應(yīng)力混凝土的應(yīng)力、強(qiáng)度及抗裂性檢算)，主梁的變形、變位和梁端轉(zhuǎn)角檢算，主梁橫向計(jì)算(支點(diǎn)處端橫梁、吊桿處橫隔墻和無吊桿區(qū)橫向環(huán)框計(jì)算)，拱肋檢算和吊桿及錨箱檢算等。

根據(jù)采用的施工方法和擬定的施工步驟按平面桿系進(jìn)行橋梁整體計(jì)算分析，以空間計(jì)算進(jìn)行校核。計(jì)算中主要考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮、徐變、列車荷載、動(dòng)力荷載、搖擺力、離心力、制動(dòng)力、風(fēng)力、溫度力和地震荷載等。橋面二期恒載按190 kN/m2計(jì)算，根據(jù)橋址處氣候條件，結(jié)構(gòu)整體升、降溫分別取20 ℃、-25 ℃，拱肋與主梁的溫差取±5 ℃，吊桿與主梁的溫差取±10 ℃，主梁頂板非線性升溫取+5℃進(jìn)行計(jì)算。其他設(shè)計(jì)荷載及相關(guān)參數(shù)的取值按鐵路規(guī)范執(zhí)行[3-5]。

5.2 橋梁縱向計(jì)算

主梁縱向按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鋼管混凝土組合截面根據(jù)豎向抗彎剛度等效的原則轉(zhuǎn)換為矩形截面的混凝土拱肋，并考慮混凝土收縮、徐變效應(yīng)，拱肋與梁在連接處固結(jié)。綜合考慮主梁、拱肋的受力和變形等因素，確定吊桿的張拉順序和初張力。縱向計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 縱向計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果表明,主梁與拱肋的豎向剛度比為2.15，設(shè)計(jì)為剛梁剛拱，彎矩由梁、拱按剛度共同承擔(dān)。

(1)施工階段按指定順序和初張力張拉吊桿時(shí)，吊桿和拱肋的檢算不控制設(shè)計(jì)；主梁上、下緣最大壓應(yīng)力分別為11.5、12.0 MPa，最小壓應(yīng)力分別為0.97、2.1 MPa，設(shè)計(jì)應(yīng)力均滿足施工階段應(yīng)力要求。

(2)成橋時(shí)主梁彎矩、剪力、軸力和應(yīng)力如圖7所示，拱肋的彎矩、剪力、軸力如圖8所示，吊桿拉力如圖9所示。

圖7 成橋時(shí)主梁彎矩、剪力、軸力及應(yīng)力

圖8 成橋時(shí)拱肋彎矩、剪力、軸力

從以上各圖中可以看出，在成橋時(shí)主梁恒載彎矩、剪力較小，上、下緣應(yīng)力均小于10 MPa，最大應(yīng)力差4.8 MPa；拱肋彎矩、剪力較均勻，各吊桿拉力大小基本均勻，結(jié)構(gòu)受力比較合理。

(3)運(yùn)營(yíng)階段計(jì)算結(jié)果

運(yùn)營(yíng)階段主梁計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 運(yùn)營(yíng)階段主梁計(jì)算結(jié)果

從表1可以看出，主梁設(shè)計(jì)應(yīng)力、正截面抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)和抗裂安全系數(shù)[5]均滿足規(guī)范要求，并留有一定的安全儲(chǔ)備。

(4)主梁的變形、變位和梁端轉(zhuǎn)角[6，7]

運(yùn)營(yíng)階段在中-活載作用下，主梁豎向活載撓度(計(jì)沖擊力)為1.83 cm，小于計(jì)算跨度的1/900限值；引起的梁端轉(zhuǎn)角為0.9‰，小于3‰限值；3 m梁長(zhǎng)扭曲變形為0.68 mm，小于3.0 mm限值。在列車橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度力的作用下梁體的水平撓度為0.56 cm，小于計(jì)算跨度的1/4 000限值，均滿足規(guī)范要求。

5.3 主梁橫向計(jì)算

(1)支點(diǎn)處端橫梁計(jì)算

支點(diǎn)處端橫梁簡(jiǎn)化為橫向簡(jiǎn)支的矩形截面梁檢算，端橫梁上的恒、活載加載考慮拱肋軸力和剪力的影響，并按實(shí)際位置加載，活載考慮道砟橫向分布的作用。計(jì)算需配置18根9φ15.2 mm鋼束，上下2排布置。

(2)吊桿處橫隔墻計(jì)算

吊桿處橫隔墻按被支撐在主梁腹板下緣的T形截面梁進(jìn)行檢算。箱梁橫向有4道腹板，分別按邊腹板下緣設(shè)置剛性支撐，中腹板設(shè)彈性支撐和只在邊腹板下緣設(shè)置剛性支撐進(jìn)行檢算，按最不利狀況配置預(yù)應(yīng)力筋。恒載考慮縱向兩吊桿間箱梁的自重和二期恒載，活載按兩吊桿間距離能布置的所有列車活載計(jì)算，并考慮橫向道砟分布的作用。計(jì)算比較后，吊桿處隔墻下須配置9根3φ15.2 mm鋼束和1根9φ15.2 mm鋼束，沿箱梁底板橫向布置。

(3)無吊桿區(qū)橫向環(huán)框計(jì)算

無吊桿區(qū)橫向環(huán)框縱向計(jì)算長(zhǎng)度按列車一個(gè)軸的荷載在橋面板上的有效分布寬度取值，恒、活載按實(shí)際位置進(jìn)行加載，并考慮橋上道砟的分布作用。計(jì)算模型簡(jiǎn)化為四點(diǎn)支承的框架，按剛性支撐和彈性支撐分別計(jì)算，取最不利狀況進(jìn)行配筋計(jì)算。其荷載工況按日照、寒潮2種模式考慮。溫度圖式如圖10所示。

圖10 環(huán)框橫向溫度計(jì)算圖示

5.4 拱肋檢算

拱肋為鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，按鋼筋混凝土理論檢算截面強(qiáng)度。運(yùn)營(yíng)階段最不利荷載組合作用下，拱肋屬小偏心受壓構(gòu)件，鋼管及鋼管內(nèi)混凝土檢算結(jié)果見表2。

表2 運(yùn)營(yíng)階段正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

計(jì)算結(jié)果表明鋼管內(nèi)混凝土未出現(xiàn)拉應(yīng)力，拱肋鋼管和鋼管內(nèi)混凝土正應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

拱肋按承受最大水平推力的中心受壓桿件檢算其在拱平面內(nèi)的穩(wěn)定性[3]。經(jīng)計(jì)算，在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)主力作用下，拱平面內(nèi)拱肋穩(wěn)定安全系數(shù)為23，滿足規(guī)范要求。

5.5 吊桿及錨箱檢算

根據(jù)計(jì)算分析，確定出合理的張拉順序和張拉力，施工階段的吊桿初拉力為188～368 kN。主力作用下最大吊桿力為1 064 kN，強(qiáng)度安全系數(shù)3.7；主+附加力作用下最大吊桿力為1 057.5 kN，強(qiáng)度安全系數(shù)3.7；疲勞應(yīng)力幅為118 MPa。錨箱拉板拉應(yīng)力53.7 MPa，疲勞應(yīng)力幅14 MPa，錨固鋼筋計(jì)算需要9根。

在恒、活載作用下，吊桿力總計(jì)為53 970 kN，吊桿承擔(dān)二期恒載為26.4%，承擔(dān)活載為24.0%。

5.6 吊桿斷裂或更換吊桿對(duì)結(jié)構(gòu)受力、變形的影響

吊桿是易損構(gòu)件，其安全性、耐久性、適應(yīng)性關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和正常使用，在斷裂或意外損壞時(shí)，須進(jìn)行更換。運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，按單線行車荷載工況考慮單根吊桿斷裂或單根吊桿的拆除更換[11]。全橋單側(cè)共13組吊桿，每一組各2根，吊桿斷裂或拆除更換時(shí)只考慮一組更換1根。經(jīng)計(jì)算分析，一組吊桿的單根斷裂或更換時(shí)，對(duì)拱肋、拱腳、主梁的應(yīng)力及變形有影響，但影響不大；但對(duì)同一組的吊桿及相鄰的吊桿應(yīng)力影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)考慮增加吊桿的安全強(qiáng)度系數(shù)，保證本橋的安全性。

5.7 拱腳節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力分析

拱腳處拱肋伸入拱座，與主梁固結(jié)，受力復(fù)雜，是受力的關(guān)鍵部位。本橋利用通用軟件Midas FEA建立空間實(shí)體模型，進(jìn)行局部應(yīng)力分析。計(jì)算荷載工況為結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、體系溫度、溫度梯度和活載的最不利組合工況。拱腳處局部實(shí)體模型如圖11所示，拱座正應(yīng)力云圖如圖12所示。

圖11 拱座處局部實(shí)體模型

圖12 拱座正應(yīng)力云圖(單位：MPa)

計(jì)算結(jié)果表明：在拱座前端與主梁連接的弧形部位和拱座前端下的邊腹板內(nèi)出現(xiàn)了縱向和豎向拉應(yīng)力，但應(yīng)力水平不高。為防止開裂，設(shè)計(jì)時(shí)在拱座內(nèi)增加了豎向預(yù)應(yīng)力粗鋼筋，并對(duì)縱向預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行了優(yōu)化布置，保證拱腳節(jié)點(diǎn)處混凝土局部應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

5.8 自振特性分析

為了解梁部的剛度變化和變形情況，自振特性分析只考慮了上部梁拱，未考慮橋墩及基礎(chǔ)的共同作用。空間計(jì)算采用通用軟件Midas Civil建模，主梁、拱肋、橫撐按梁?jiǎn)卧M，各桿件連接處均采用剛接。吊桿按只受拉的索單元模擬。二期恒載作為均布荷載作用于橋面，并轉(zhuǎn)化為橋面部分質(zhì)量?？臻g計(jì)算模型如圖13所示。

圖13 空間計(jì)算模型

橋梁的自振頻率及振型特點(diǎn)見表3。

表3 橋梁的自振特性分析結(jié)果

自振特性計(jì)算結(jié)果表明，梁部振型首先表現(xiàn)為拱肋面外對(duì)稱撓曲，其面內(nèi)豎向撓曲在第三階出現(xiàn)，頻率為1.846 Hz，大于n0=23.58L-0.592=1.581 Hz的限值要求[6-7]。

5.9 空間穩(wěn)定性分析

鋼管混凝土拱的空間穩(wěn)定分為極值點(diǎn)失穩(wěn)和分支屈曲失穩(wěn)，極值點(diǎn)失穩(wěn)的研究還不夠成熟，在實(shí)際工程中很少使用，但分支屈曲失穩(wěn)可以采用通用程序進(jìn)行特征值求解，在設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)被大量采用[1]。本橋利用通用軟件Midas Civil計(jì)算，采用子空間迭代法進(jìn)行橋梁模態(tài)分析，計(jì)算屈曲失穩(wěn)臨界荷載系數(shù)。運(yùn)營(yíng)階段屈曲分析采用荷載組合為：自重+二期恒載+中-活載+離心力+搖擺力。第一階失穩(wěn)模態(tài)如圖14所示。

圖14 橋梁失穩(wěn)模態(tài)

計(jì)算結(jié)果表明前22階均表現(xiàn)為拱肋的面外彎曲或扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，說明該橋拱肋面外剛度相對(duì)于面內(nèi)剛度較小，對(duì)整個(gè)橋梁的穩(wěn)定起控制作用，屈曲分析的最小特征值即臨界荷載系數(shù)為6.46。

6 結(jié)語(yǔ)

下承式鋼管混凝土拱橋跨越能力大，建筑高度低，施工方便，主梁采用橋面整體連續(xù)的箱梁， 具有較大的強(qiáng)度和剛度，能保證列車運(yùn)行的安全性和旅客乘坐的舒適性。

[1] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].北京：人民交通出版社，2007．

[2] 金成棣.預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合橋梁設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐[M].北京：人民交通出版社，2001．

[3] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005．

[4] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.2—2005 鐵路橋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005．

[5] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005．

[6] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)函[2005]285號(hào) 新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005．

[7] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2009．

[8] 謝小蘭.黃延大橋主橋128 m鋼管混凝土系桿拱橋設(shè)計(jì)[J].鐵道建筑技術(shù)，2010(6):90-92．

[9] 殷俊章.雙線鐵路鋼管混凝土系桿拱橋設(shè)計(jì)[J].交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào)，2009(2):28-32．

[10] 馬雅林，毛亞娜，劉世忠，葉丹.下承式鋼管混凝土拱橋拱腳空間應(yīng)力分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(11):49-53．

[11] 張亞麗.吊桿初張力及更換吊桿對(duì)拱橋受力和變形的影響[J].高速鐵路技術(shù)，2010(S):196-203．