商合杭高鐵淮河特大橋（112+224+112）m連續(xù)梁拱設計及關鍵技術研究

余艷霞

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 概述

連續(xù)梁拱組合橋?qū)⑦B續(xù)梁和拱2種結(jié)構體系有機結(jié)合在一起，二者共同協(xié)作將跨徑范圍內(nèi)的荷載傳遞到支座上［1-3］。通過拱結(jié)構對主梁的加勁作用，可以有效控制主梁撓度，增加結(jié)構的剛度與承載力，從而使梁拱組合橋成為一種受力合理、外形美觀的結(jié)構體系［2-3］。連續(xù)梁拱在溫福鐵路昆陽特大橋首次提出使用以來，由于其較大的跨越能力、較小的結(jié)構高度、優(yōu)美的外形，且施工時對橋下道路、航道通行影響較小，成為高速鐵路跨越高等級公路及航道的首選橋型之一［4］。

1.1 工程概況

淮河特大橋跨東淝河主橋位于安徽省淮南市，是商合杭高鐵全線重點控制性工程之一，跨越的東淝河為規(guī)劃引江濟淮工程，限制性Ⅱ級航道，雙向通航。根據(jù)通航標準及防洪評估，主橋采用1孔跨越，主跨224 m，采用連續(xù)梁拱組合結(jié)構，跨徑組成為（112+224+112）m，全長449.5 m（含梁端至支座的距離0.75 m）。主橋橋式總體布置見圖1。

圖1 主橋橋式總體布置圖

1.2 主要技術標準

淮河特大橋跨東淝河主橋主要技術指標見表1。

2 結(jié)構設計

2.1 主梁構造

2.1.1 縱向布置

主梁全長449.5 m（含梁端至支座距離0.75 m），跨中梁高5.5 m，中支點梁高14.5 m，梁底按1.6次拋物線變化。主梁共劃分為99 個梁段，梁拱結(jié)合部0#梁段長25.0 m，中孔合龍梁段長3.0 m，邊孔直線段梁段長8.3 m，其余梁段長3.0～4.5 m。主梁除0#梁段、邊孔直線段在支架上施工外，其余梁段均采用掛藍懸臂澆筑，掛籃包括模板重2 500 kN。

表1 主要技術指標

2.1.2 橫向布置

主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，兩邊腹板為直腹板， 吊桿索采用箱外牛腿錨固形式。箱梁頂寬14.2 m，中支點處局部頂寬17.1 m；箱梁頂板厚0.42、0.64 m，中支點處局部頂板厚1.14 m，邊支點處局部頂板厚0.92 m；箱梁底寬11.0 m，中支點處局部底寬14.4 m；底板厚度0.4～2.0 m，中支點處局部底板厚2.5 m，邊支點處局部底板厚0.9 m。箱梁腹板厚0.4～1.0 m，中支點處局部腹板厚1.5、1.8 m，邊支點處局部腹板厚0.7 m。主梁典型橫截面見圖2。

圖2 主梁典型橫截面布置

2.1.3 主梁隔板及吊桿橫梁

箱梁共設5 道橫隔板，邊支點橫隔板厚1.6 m，中支點橫隔板厚5.0 m，中跨中橫隔板厚0.4 m，各橫隔板均設進人孔。

箱梁共設22 道吊點橫梁，吊點橫梁高1.8 m，橫梁厚0.4 m。

2.1.4 主梁預應力體系

主梁設縱向、橫向和豎向3向預應力?？v向預應力采用M15-19、M15-22、M15-31 規(guī)格的鋼索，配套使用M15-19、M15-22、M15-31 型錨具，鋼索管道采用內(nèi)徑φ100、120、130 mm金屬波紋管成孔。

2.2 拱肋、橫撐及吊桿

根據(jù)規(guī)范中1/3～1/7 的合理矢跨比要求［5-6］，本梁拱肋計算跨度L=224 m，設計矢高f=44.8 m，矢跨比f/L=1∶5，拱軸線采用二次拋物線，設計拱軸線方程為y=-1/280x2+0.8x。

拱肋為鋼管混凝土結(jié)構，采用等高度啞鈴形截面，截面高度3.8 m。拱肋弦管直徑1.3 m，由δ=26、32 mm厚的鋼板卷制而成，弦管之間用δ=20 mm 厚鋼綴板連接，拱肋弦管及綴板內(nèi)填充無收縮混凝土。兩榀拱肋間橫向中心距12.2 m。拱肋截面見圖3。

圖3 拱肋截面

兩榀拱肋之間共設11 道橫撐，橫撐均采用空間桁架撐，各橫撐由 4 根φ600×20 mm 主鋼管和 32 根φ300×16 mm連接鋼管組成，鋼管內(nèi)部不填混凝土。

吊桿順橋向間距9 m，全橋共設22組雙吊桿。吊桿采用PES（FD）7-61型低應力防腐平行鋼絲束。

2.3 主要計算結(jié)果

2.3.1 主梁檢算[7]

（1）主梁應力。梁部主要計算結(jié)果見表2。

表2 梁部主要計算結(jié)果 MPa

（2）變形計算結(jié)果。

①靜活載變形。主梁最大豎向撓度：邊跨為-18.9 mm，撓跨比為1/5 929；中跨為-40.3 mm，撓跨比為1/5 561；最大梁端轉(zhuǎn)角0.804‰rad。

②主梁后期殘余徐變值18.9 mm，小于限值L/5 000，計算結(jié)果均滿足要求。

2.3.2 拱肋檢算[8-10]

拱肋運營階段應力結(jié)果見表3，拱肋強度、穩(wěn)定性檢算結(jié)果見表4。

表3 拱肋運營階段應力結(jié)果 MPa

表4 拱肋強度、穩(wěn)定性檢算

2.3.3 吊桿檢算

吊桿主力作用下最大應力為285 MPa，安全系數(shù)K=5.8；主力+附加力作用下最大應力為320 MPa，安全系數(shù)K=5.2。其最大應力幅為130 MPa，應力幅小于150 MPa，吊桿應力檢算滿足要求。

3 技術難點及關鍵點

3.1 主梁強度控制

連續(xù)梁拱主梁的強度，特別是1/4 跨附近的強度為控制設計關鍵，增加控制部位梁高是好的解決方法。經(jīng)過試算可知，僅增加跨中梁高對1/4 跨部位的強度反而不利，增加支點梁高可以改善主梁強度。但是對于大跨度梁部來說，支點梁高加大，重力荷載占全部設計荷載的絕大部分，不經(jīng)濟也沒有必要。在支點和跨中梁高相對經(jīng)濟合理的情況下，設計考慮調(diào)整梁底曲線線型增加主梁局部梁高的方案。本梁在保持支點梁高及跨中梁高不變的情況下，底板采用不同的曲線線型。主梁1/4跨附近梁高匯總見表5。

表5 不同線型梁高匯總 cm

由表5 可知，梁底采用圓曲線和2 次拋物線梁高差別不大，采用低次拋物線可以有效改善局部梁高，本梁1/4 跨附近的梁高采用1.6 次拋物線比圓曲線增高了75.4 cm，局部梁高改善效果明顯，可有效解決主梁1/4跨附近位置強度不足的情況。

3.2 梁端轉(zhuǎn)角控制

本梁為高速鐵路無砟軌道橋梁，梁端轉(zhuǎn)角的控制是設計關鍵點。通過調(diào)整主梁支點梁高、跨中梁高、邊跨長度調(diào)整梁端轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角對比見表6。

由表6可知，減小邊跨長度和增加跨中梁高能有效減小梁端轉(zhuǎn)角，而僅調(diào)整支點梁高對梁端轉(zhuǎn)角改善很小。根據(jù)橋址布置情況，本梁邊跨跨度采用112 m，最大梁端轉(zhuǎn)角為0.80‰rad。

表6 調(diào)整主梁支點梁高等梁端轉(zhuǎn)角對比

3.3 不平衡彎矩及支點負反力控制

本橋邊跨112 m，中跨224 m，邊中跨比0.5，中跨比邊跨多2個懸澆梁段，并且中跨拱肋吊桿處設吊桿橫梁，主梁施工中產(chǎn)生較大的不平衡彎矩及負反力。對不平衡彎矩及支點負反力的控制是本梁的設計關鍵點。

對不平衡彎矩采用臨時固結(jié)措施抵抗，一般可采用墩頂臨時固結(jié)、在墩旁設置臨時支架或臨時墩等形式。本設計采用在中墩承臺上沿橫橋向布置6 個直徑2.4 m的鋼管混凝土柱（見圖4）。

圖4 臨時固結(jié)支墩平面

施工過程支點負反力可采用梁端臨時壓重或者在邊跨對稱配重的方式控制（見圖5、圖6）。

2種方案均可行，應注意不同施工方案主梁變形的差別，并由于邊跨對稱壓重過程煩瑣，本設計采用在邊跨合龍時梁端壓重的方式解決負反力。

3.4 主梁后期殘余徐變控制

圖5 1/2主梁梁端壓重示意圖

圖6 1/2主梁對稱配重示意圖

預應力混凝土大跨橋梁結(jié)構，除了結(jié)構豎向剛度以外，后期殘余徐變值也直接影響梁上軌面的平整度，對高速行車的安全性和乘坐舒適性不利，必須加以嚴格控制。本梁邊跨跨中下?lián)?，中跨跨中上拱，?jīng)試算比較（見表7），在保證主梁、拱肋及吊桿等受力合理的情況下，減小拱肋剛度、減小吊桿力及減小中跨跨中底板短索是控制中跨跨中上拱的有效方法。本設計通過合理調(diào)整吊桿力及預應力鋼束布置，有效控制了主梁殘余徐變，本設計理論計算殘余徐變拱度值［11-13］：邊跨-11.5 mm，中跨18.9 mm，滿足設計要求。

表7 計算比較結(jié)果 mm

3.5 特大噸位預應力體系

主梁縱向預應力索最大規(guī)格為31-φ15.20 mm，最大張力達5 640 kN。由于縱向預應力鋼束型號較大，鋼束錨固時局部應力及鋸齒塊抗剪能力的驗算及其對結(jié)構尺寸和預應力配索的影響是本梁設計的難點和關鍵點，通過合理調(diào)整預應力鋼束縱橫向布置、局部調(diào)整主梁結(jié)構尺寸、增大鋸齒塊縱橫向尺寸及配筋等方法，解決鋼束型號較大的問題。

3.6 支座選型及防落梁設施設置

本梁采用球形支座，各支點沿橫向設3個支座，邊支點支座噸位10 000 kN，中支點支座噸位145 000 kN，每個支點橫向僅1個支座抵抗橫向水平力。因此，應研究支座的水平承載力以控制支座選型。本梁支座水平承載力見表8。

表8 支座水平承載力

由表8可知，支座承受的設計水平承載力達到其設計豎向承載力的26%，按常規(guī)支座選型不適合，應增大水平承載力。

關于防落梁的設置，由于支座設計水平力和豎向力均較大、支座尺寸較大、主梁橫向位置有限，無法設置常規(guī)防落梁設施。本梁設計時將支座進行特殊設計，使得支座同時兼有支座及防落梁的功能。

3.7 拱腳局部應力

對于連續(xù)梁拱結(jié)構，拱腳是將拱橋上部結(jié)構荷載傳遞到基礎的重要傳力構件，其受力性能對橋梁整體承載能力和跨越能力非常重要［14-17］。本橋拱腳位置0#塊體積龐大，構造復雜，受力復雜。設計采用Ansys 進行局部應力分析，指導結(jié)構尺寸及縱、橫向預應力鋼束布置等。經(jīng)過局部應力分析可知：拱角之間橋面板附近、橫隔板過人洞上下區(qū)域、中腹板支座附近等區(qū)域的橫向拉應力相對較大。在考慮設置縱向、橫向預應力共同作用下，0#塊箱梁順橋向應力介于-18.0～2.0 MPa；橫橋向正應力介于-4.76～2.0 MPa；豎向最大拉應力不超過2.0 MPa。第一主應力低于2.0 MPa，第三主應力介于-18.0～2.0 MPa，各項指標均滿足要求。0#塊順橋向、橫橋向、豎向正應力云圖見圖7—圖9。

圖7 0#塊順橋向正應力云圖

圖8 0#塊橫橋向正應力云圖

圖9 0#塊豎向正應力云圖

4 結(jié)束語

連續(xù)梁拱組合橋作為一種新型的組合結(jié)構，克服了常規(guī)拱橋?qū)Φ鼗蟾叩娜秉c，并通過采用拱肋加勁，梁拱共同受力的結(jié)構形式，更好地解決了大跨連續(xù)梁橋徐變變形過大、難以滿足高速鐵路剛度要求的缺點，能極好地適應高速鐵路剛度及平順性要求。該橋采用連續(xù)梁體系，克服剛構體系溫度應力過大的缺點，特別適合橋墩高度較矮剛構體系難以適應的情況。224 m的主跨跨度是目前建成的時速350 km無砟軌道連續(xù)梁體系拱橋中的最大跨度，可為同類工程提供借鑒和參考。