渭河溝大橋115 m鋼筋混凝土拱橋方案設(shè)計(jì)

姚保輝

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

渭河溝大橋115 m鋼筋混凝土拱橋方案設(shè)計(jì)

姚保輝

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

蘭渝線渭河溝大橋跨越深溝，根據(jù)橋址處的地質(zhì)、地形等情況，擬采用主跨115 m的上承式鋼筋混凝土拱橋。本文先對該橋的拱軸系數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，并擬定了主橋的詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸及施工方法、步驟;然后，采用Midas軟件建立有限元模型，進(jìn)行靜力、動力、穩(wěn)定性及施工階段等方面的計(jì)算分析，分析結(jié)果表明該橋各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

雙線鐵路 上承式拱橋 鋼筋混凝土拱橋 設(shè)計(jì)

1 工程概況

蘭渝線渭河溝大橋主橋擬用115 m上承式鋼筋混凝土拱橋。橋梁位于直線上，線路縱坡12.8‰，為Ⅰ級雙線電氣化鐵路，設(shè)計(jì)行車速度200 km/h。橋址位于甘肅省隴南市武都區(qū)楓相院鄉(xiāng)北側(cè)，地形狹窄，溝床呈典型的V字形。橋位區(qū)域河流兩岸的陡立坡面基巖裸露。

橋址范圍地層主要為下元古界的板巖，河岸兩側(cè)峭壁廣泛出露，青灰色略帶灰綠色，板狀構(gòu)造，片理面較發(fā)育。巖質(zhì)較致密堅(jiān)硬。表層強(qiáng)風(fēng)化，風(fēng)化層厚約7～10 m，屬Ⅳ級軟石，σ0=600 kPa;弱 ～微風(fēng)化，屬Ⅳ級軟石，σ0=800 kPa。工程所屬區(qū)域地震動峰值加速度值為0.20g，相當(dāng)于地震基本烈度八度，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。該地區(qū)1月份月平均氣溫－2℃;7月份月平均氣溫 24℃;平均相對濕度為65.0%，最大季節(jié)凍結(jié)深度13 cm。

2 主橋設(shè)計(jì)構(gòu)思

2.1 橋式選擇

橋址處兩岸邊坡陡峭，溝谷呈典型的V字形，河谷深切，地質(zhì)條件良好。渭河溝溝槽內(nèi)常年流水、水流湍急，分布著大量塊石及碎石，最大的塊石直徑約4 m左右，溝內(nèi)不宜設(shè)置橋墩。上承式拱橋整體性及橫向穩(wěn)定性好，在地質(zhì)條件良好的峽谷地區(qū)，具有不可比擬的優(yōu)勢。為了減輕拱肋結(jié)構(gòu)自重，增加橋梁抗扭能力，拱肋可采用箱形截面。綜合考慮上述因素及減少后期養(yǎng)護(hù)維修工作量等問題，本橋主橋擬用上承式鋼筋混凝土拱橋橋式。

2.2 全橋總體布置

本橋主跨為115 m鋼筋混凝土提籃拱，拱肋高度25.0 m，矢跨比為1/4.6。拱中心軸線采用懸鏈線方程，拱軸系數(shù)1.9。全橋總布置見圖1。

圖1 全橋總布置(單位:cm)

全橋孔跨布置為1×24 m簡支箱梁+1×115 m鋼筋混凝土提籃拱+1×24 m簡支箱梁。拱頂框架兩端各采用4×12 m的橋面縱梁，橋面縱梁采用等高度鋼筋混凝土連續(xù)梁。

3 拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 拱軸系數(shù)選擇

本橋采用懸鏈線作為拱軸線，拱軸系數(shù)的大小直接影響主拱截面內(nèi)力分布與大小。選擇合理的拱軸系數(shù)，也就是盡可能降低由于荷載產(chǎn)生的彎矩值。本設(shè)計(jì)以1.3～3.0為拱軸系數(shù)，分析比較拱肋在恒載作用下的拱肋內(nèi)力。從結(jié)果可以看出，拱軸系數(shù)增大拱腳彎矩值減小，拱軸系數(shù)減小拱頂彎矩值減小。以拱肋截面內(nèi)力及截面檢算結(jié)果(混凝土應(yīng)力)均衡為原則，本設(shè)計(jì)拱軸系數(shù)最終采用1.9。

3.2 拱肋構(gòu)造

3.2.1 拱肋中心距

由于穩(wěn)定性要求，拱肋中心距需要大于跨度的1/20。為緩解較窄的橋面箱梁與較寬拱肋之間的矛盾，考慮橋梁的整體美觀，將兩分離式拱肋設(shè)置呈變間距。拱頂處兩拱肋中心距采用4.4 m;拱腳處拱肋中心距加寬至8.758 m。因此拱肋呈傾斜布置，拱頂內(nèi)傾2.179 m，其傾角為5°。兩片分離拱肋，在拱肋立柱處設(shè)橫撐，橫撐采用寬1.6 m箱形截面，高度隨拱箱高度變化，全橋共設(shè)11道一字橫撐。

3.2.2 拱肋箱形截面

單箱單室截面(拱腳以上4 m為實(shí)體段)，拱肋截面寬取2.0 m，拱頂截面高取 2.5 m，拱腳截面高取4.5 m，拱頂?shù)焦澳_范圍內(nèi)拱肋高度按 Ritter公式變化。拱肋箱形截面見圖2。

3.3 拱上結(jié)構(gòu)

拱上立柱的主要作用是將橋面荷載傳遞到主拱肋上，立柱之間的間距不宜過大，以免立柱底豎向力過大，引起拱肋在立柱處承受較大集中力;一般不宜大于拱肋跨度的1/8～1/15。本橋拱肋上每隔12 m左右設(shè)一立柱，拱上立柱采用雙斜柱，實(shí)心截面，1#，2#，3#立柱與6#，7#，8#立柱尺寸為130 cm(縱向)×170 cm (橫向)，立柱橫撐尺寸為100 cm(寬)×100 cm(高)。托盤高1.0 m，寬1.5 m;頂帽高0.5 m，寬1.7 m。1#立柱構(gòu)造見圖3。

圖2 拱肋箱形截面(單位:cm)

圖3 1#立柱構(gòu)造(單位:cm)

考慮到連續(xù)梁能增強(qiáng)橋面縱、橫向的剛度，行車條件好，拱頂框架兩端各采用4×12 m的橋面縱梁，橋面縱梁采用等高度鋼筋混凝土連續(xù)梁。采用單箱單室截面，箱梁高1.8 m，頂板寬11.36 m，底板寬5.6 m，跨中腹板厚50 cm，頂板厚30 cm，底板厚30 cm。橋面縱梁采用現(xiàn)澆懸臂式人行道。每聯(lián)縱梁固定支座設(shè)在拱頂側(cè)，其余各墩柱采用活動支座，以免固定支座設(shè)置在拱座墩上而導(dǎo)致拱座墩的尺寸過大。

拱頂采用框架式結(jié)構(gòu)，為避免其與拱圈共同受力而使頂板產(chǎn)生較大的順橋向壓力，每隔4.7 m設(shè)1道橫向斷縫;框架頂板和兩側(cè)墻采用混凝土鉸，以減少拱肋的不均勻沉降對框架產(chǎn)生的較大內(nèi)力?？蚣茼敯蹇缰泻癫捎?5 cm，框架側(cè)墻厚采用60 cm。

3.4 拱座基礎(chǔ)

拱座縱向長度為13.6 m，橫向尺寸15.5 m，高度17 m，拱座基礎(chǔ)置于板巖弱風(fēng)化層。施工時(shí)以拱肋預(yù)埋鋼管底部位置為分界線分兩次澆筑，一方面可以減小結(jié)構(gòu)尺寸降低水化熱，另一方面可以固定預(yù)埋鋼管支架，確保預(yù)埋鋼管定位牢固。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 靜力計(jì)算分析

4.1.1 主要設(shè)計(jì)荷載

收縮徐變按《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》(TB 10002.3—2005)中規(guī)定采用。混凝土平均加載齡期按7 d計(jì)，終極齡期按1 500 d計(jì)。

設(shè)計(jì)活載采用中活載，驗(yàn)算引橋簡支梁及拱上結(jié)構(gòu)時(shí)，動力系數(shù)按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》4.3.5條第3款計(jì)算，1+μ=1.286。

驗(yàn)算主拱圈時(shí)，動力系數(shù)按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》4.3.5條第4款計(jì)算，1+μ=1.20。

拱肋合龍溫度采用10～15℃。當(dāng)?shù)?月平均氣溫24℃，1月平均氣溫－2℃。整體升溫14℃，計(jì)算時(shí)取20℃。整體降溫 －17℃，計(jì)算時(shí)取 －17℃。拱上縱梁橋面板考慮非均勻升溫5°。

拱圈基礎(chǔ)豎直變位和水平變位均為0.05 m;拱上連續(xù)梁與拱圈、拱上立柱聯(lián)合計(jì)算，以考慮拱圈基礎(chǔ)變位及結(jié)構(gòu)變形對其內(nèi)力、變形的影響。

4.1.2 主要計(jì)算結(jié)果

拱橋的1/4跨度處，由列車豎向靜活載所產(chǎn)生的上下?lián)隙?絕對值)之和為0.032 m;拱上連續(xù)梁結(jié)構(gòu)由列車豎向靜活載所引起的豎向撓度為0.045 m;拱上連續(xù)梁結(jié)構(gòu)由列車豎向靜活載所引起的梁端轉(zhuǎn)角為0.000 84 rad，均滿足規(guī)范要求。

當(dāng)下各個學(xué)校教育管理信息系統(tǒng)的建設(shè)與構(gòu)成離不開教育部門的重視與推進(jìn)。時(shí)代變革也會在無形中影響到教育體系，早期板書加粉筆的教學(xué)模式不再適合現(xiàn)今學(xué)生多元化的學(xué)習(xí)需求，教育信息化成為了實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化的重要途徑，針對當(dāng)下國內(nèi)各學(xué)校教育信息化建設(shè)的不斷完善，廣大教師也應(yīng)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展將本校信息化工作落到實(shí)處。學(xué)校從硬件與軟件兩方面入手，硬件設(shè)施由信息網(wǎng)絡(luò)、用戶終端等基礎(chǔ)設(shè)備構(gòu)成，軟件則由主操作平臺，各教職部門管理軟件組成[4]。這些教育管理信息化利器及時(shí)、迅速地將學(xué)校現(xiàn)階段各項(xiàng)工作的狀態(tài)與進(jìn)展呈現(xiàn)了出來，從更高的角度進(jìn)行切入?yún)f(xié)助了學(xué)校各系統(tǒng)開展工作，強(qiáng)化了工作效率，降低了工作強(qiáng)度。

拱座計(jì)算時(shí)，將拱座墩墩底力及拱肋拱腳力垂直投影到拱座最下一層臺階底面進(jìn)行計(jì)算，不考慮基礎(chǔ)背面地基的影響。拱座底面滑動穩(wěn)定計(jì)算參照公路橋涵設(shè)計(jì)手冊《墩臺與基礎(chǔ)》(第二版)，計(jì)算結(jié)果見表1?；讘?yīng)力及基礎(chǔ)穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

表1 拱座計(jì)算結(jié)果

拱腳、拱頂鋼筋應(yīng)力均為120 MPa左右，拱腳、拱頂混凝土應(yīng)力均為12 MPa左右，滿足規(guī)范要求。拱肋截面應(yīng)力及裂縫情況見表2。

表2 拱肋計(jì)算結(jié)果

表2中軸力值受壓為正，彎矩值拱肋截面上緣受拉為負(fù)，下緣受拉為正。

1#及8#拱上立柱由于立柱高度為17 m左右，截面應(yīng)力受縱向地震控制，混凝土應(yīng)力為13.3 MPa，鋼筋應(yīng)力為223.9 MPa，滿足規(guī)范要求。拱上連續(xù)梁固定支座放置于4#及5#拱上立柱上，截面應(yīng)力受縱向地震控制，混凝土應(yīng)力為9.6 MPa，鋼筋應(yīng)力為216.6 MPa，滿足規(guī)范要求。

拱上連續(xù)梁抗彎計(jì)算結(jié)果見表3，均滿足規(guī)范要求。

表3 拱上連續(xù)梁計(jì)算結(jié)果

4.2 動力計(jì)算分析

地震動峰值加速度0.20g，特征周期0.40 s。采用Midas軟件對空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力特性分析，得出結(jié)構(gòu)前五階自振周期及振型特性見表4。

表4 全橋振型

4.3 穩(wěn)定性分析結(jié)果

穩(wěn)定性分析中，計(jì)算荷載考慮自重、二期恒載、靜活載等。靜活載全橋均布加載。

拱肋穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果:拱肋縱向臨界荷載系數(shù)32.3，拱肋橫向臨界荷載系數(shù)68.3，均大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)5，即穩(wěn)定性滿足要求。

5 主橋施工工藝

本橋采用纜索吊裝法施工。借助山體上設(shè)置的纜索吊，采用斜拉扣掛法完成預(yù)制拱肋的吊裝，然后在拱肋上現(xiàn)澆拱上立柱，在拱肋支架上現(xiàn)澆橋面縱梁。拱肋施工圖見圖4。

圖4 拱肋施工示意

1)纜索吊安裝預(yù)制拱肋

纜索吊的吊塔由施工方根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及自身的設(shè)備狀況確定，視吊裝方便可將扣塔設(shè)置在橋墩上，但需對橋墩進(jìn)行檢算。除去支架現(xiàn)澆段、濕接縫、拱頂合龍段，每片拱肋分為14個節(jié)段吊裝，最大吊重控制在750 kN。拱肋的吊裝方法采用四點(diǎn)抬吊整體吊裝、就位的方法進(jìn)行。

2)拱上立柱施工

待拱肋混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，從兩拱腳向拱頂對稱依次安裝及澆筑立柱混凝土，每組立柱混凝土需在初凝前一次澆筑完成。澆筑蓋梁混凝土?xí)r，從兩拱腳向拱頂對稱依次澆筑蓋梁混凝土。

3)拱頂框架施工

從兩側(cè)向拱頂對稱依次在支架上現(xiàn)澆拱頂框架。

4)支架現(xiàn)澆橋面縱梁

以墩、立柱及拱為依托架設(shè)支架。支架按不小于上部最大施工荷載的1.2倍重量進(jìn)行預(yù)壓。待蓋梁混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，從兩拱腳向拱頂對稱依次在支架上分段對稱現(xiàn)澆橋面連續(xù)梁。

5)橋面系施工

拆除支架，施工橋臺及引橋，現(xiàn)澆安裝伸縮縫、施工橋面鋪裝及橋面系。

6 結(jié)語

本橋采用纜索吊裝預(yù)制拱肋，最后施工拱上結(jié)構(gòu)，該方法很好地解決了跨越深峽谷或深水區(qū)的大跨度拱橋的安裝施工。同時(shí)，拱上立柱及拱頂框架的構(gòu)造比較新穎，對同類橋梁起到很好的借鑒參考作用。

［1］陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［2］陳寶春.鋼管混凝土上承式拱橋橋型分析［J］.公路，2006 (2):1-4.

［3］瞿國釗.宜萬鐵路落步溪大橋178 m混凝土拱橋設(shè)計(jì)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005(11):57-59.

［4］宋順忱，李鳳芹.朔準(zhǔn)線黃河橋主橋拱上建筑結(jié)構(gòu)研究［J］.鐵道建筑，2012(5):4-7.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

(責(zé)任審編 孟慶伶)

U442.5

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.04

2015-04-16;

:2015-06-23

姚保輝(1971— )，男，陜西寶雞人，高級工程師。

1003-1995(2015)09-0011-04