澄江雙線特大橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐建華

(中國(guó)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

新建貴陽(yáng)至南寧鐵路客運(yùn)專線是國(guó)家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中“八縱八橫”高速鐵路主通道包頭至?？谕ǖ赖闹匾M成路段[1]，線路北起貴陽(yáng)北站，終至南寧東站。澄江特大橋位于貴州省河池市境內(nèi)，橋長(zhǎng)15 507.8m。大橋主橋采用(91.3+180+91.3)m拱加勁連續(xù)梁上跨蘭海高速，線路夾角30 °，高速公路為雙向四車道，路肩寬度25m。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋采用(91.3+180+91.3)m拱加勁連續(xù)梁，主墩高12.5m，采用直徑2.5m鉆孔灌注樁，邊墩基礎(chǔ)采用直徑1.25m鉆孔灌注樁。主橋總布置圖如圖1所示。

圖1 全橋總布置(單位：cm)

2.1 主梁構(gòu)造

主梁設(shè)計(jì)為單箱雙室變高度直腹板截面，受運(yùn)梁車通行要求控制，箱梁頂寬16m，箱寬13.6m，主墩頂支點(diǎn)截面梁高10m，邊支點(diǎn)截面高度4.5m，截面高度按二次拋物線變化，梁底曲線方程Y=5.5x2/772+4.5。箱梁頂板厚度55cm，腹板厚度40～83cm，底板厚度40～110cm。由于拱腳固結(jié)構(gòu)造需要，0號(hào)塊箱寬16.6m，兩側(cè)各加寬150cm。主梁內(nèi)吊桿錨固處對(duì)應(yīng)設(shè)置箱內(nèi)橫梁。主梁支點(diǎn)及跨中橫斷面如圖2所示。

圖2 主梁截面(單位：cm)

2.2 拱肋構(gòu)造

拱肋計(jì)算跨度L=180m，矢高f=36m，矢跨比f(wàn)/L=1∶5，拱軸線采用二次拋物線。兩榀拱肋之間橫向中心距為14.8m。拱肋采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高3.0m。拱肋弦管直徑1m，壁厚24mm，弦管之間用16mm厚腹板連接。弦管及腹板內(nèi)均填充C50微膨脹混凝土。拱肋截面如圖3所示。

圖3 拱肋截面(單位：cm)

兩榀拱肋之間共設(shè)9道橫撐，拱頂橫撐為米字形，其余10道為K字形。橫撐橫桿均為φ600×14mm鋼管；斜桿均為φ500mm×mm鋼管。拱肋上下鋼管分別設(shè)置橫撐，同一位置處上下橫撐間設(shè)φ200×12mm鋼管連接。

2.3 吊桿

全橋共設(shè)18組吊桿，順橋向間距9m。吊桿采用GJ15-12整束擠壓鋼絞線拉索，為便于吊桿更換采用雙吊桿體系，吊桿間距0.55m。吊桿上端穿過(guò)拱肋錨固于拱肋上緣張拉底座，在拱肋上端進(jìn)行張拉；下端錨于吊點(diǎn)橫梁下緣固定底座。

2.4 支座

采用球型鋼支座，各支點(diǎn)沿橫橋向布置 3個(gè)支座，每道腹板下設(shè)置一個(gè)支座。邊支點(diǎn)支座噸位9 000kN，間距5.75m；中支點(diǎn)支座噸位85 000kN，間距 6.2m。

3 施工方法

梁部采用封閉掛籃對(duì)稱懸臂澆筑，先合攏邊跨，然后繼續(xù)澆筑中跨不平衡節(jié)段，合龍中跨。主梁施工完畢后，準(zhǔn)備架設(shè)鋼管拱肋，鋼管拱采用在小里程側(cè)引橋及主橋邊跨上搭設(shè)支架拼裝成型，拱肋拼裝支架如圖4所示。

圖4 拱肋拼裝示意(單位：cm)

拱肋拼裝完成后，張拉臨時(shí)系桿鎖定，拆除安裝支架，落架至走行小車上，沿橋面預(yù)埋軌道平推至設(shè)計(jì)位置安裝就位，如圖5所示。

圖5 拱肋頂推示意(單位：cm)

然后按照先上弦、再下弦、最后腹腔的順序灌注拱肋混凝土。管內(nèi)混凝土達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度后按指定次序張拉吊桿，調(diào)整吊桿力，施工橋面系，完成主橋施工。

4 靜力計(jì)算分析

4.1 計(jì)算模型

主梁按全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用有限元程序MidasCivil建模。全橋共分為 1 067 個(gè)單元，其中主梁、拱肋按梁?jiǎn)卧?，拱肋采取鋼管、管?nèi)混凝土模擬成雙單元共節(jié)點(diǎn)的形式，考慮鋼管混凝土拱肋的實(shí)際形成過(guò)程。吊桿按只受拉的桁架單元建模，全橋共計(jì)梁?jiǎn)卧?1 031個(gè)，索單元36 個(gè)，計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 計(jì)算模型

4.2 主梁計(jì)算

主梁在各種最不利荷載組合下,各控制截面應(yīng)力見(jiàn)表2。

梁部最大主拉應(yīng)力-2.87MPa，最大主壓應(yīng)力18.71MPa。最小抗裂安全系數(shù)1.26，主力作用下強(qiáng)度安全系數(shù)2.21，主+附作用下強(qiáng)度安全系數(shù)2.18。

表2 控制截面應(yīng)力 MPa

考慮列車豎向ZK靜活載與溫度共同作用，中跨梁體豎向最大撓度為45.3mm，為跨度的1/3974；邊跨梁體豎向最大撓度為19.6mm，為跨度的1/4658。在ZK活載靜力作用下，梁端豎向轉(zhuǎn)角為0.83 ‰。

軌道鋪設(shè)后，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的中跨豎向殘余徐變變形僅為-0.2mm；邊跨豎向殘余徐變變形為-12.4mm，為跨度的1/7363，滿足規(guī)范要求的豎向殘余徐變變形不應(yīng)大于L/5000且不大于20mm[2]。

4.3 拱肋計(jì)算

拱肋鋼管主力最小壓應(yīng)力為50.0MPa，最大壓應(yīng)力152.0MPa；主+附最小壓應(yīng)力為31.0MPa，最大壓應(yīng)力165.0MPa。鋼管各截面均不出現(xiàn)拉應(yīng)力。拱肋混凝土主力最大壓應(yīng)力6.3MPa；主+附最大壓應(yīng)力7.3MPa。

拱肋彈性穩(wěn)定系數(shù)為5.95。拱肋軸向受壓極限承載力安全系數(shù)：主力K=2.39；主+附K=2.28。

4.4 吊桿計(jì)算

主力下吊桿最大拉應(yīng)力 426.8MPa，強(qiáng)度安全系數(shù)K=4.4。主力+附加力下吊桿最大拉應(yīng)力 443.3MPa，強(qiáng)度安全系數(shù)K=4.2。吊桿最大活載應(yīng)力幅為 170MPa。

5 結(jié)束語(yǔ)

拱加勁連續(xù)梁是一種梁-拱組合體系橋梁，具有豎向剛度大、承載能力高、工后徐變小等優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于大跨度高速鐵路橋梁，在高鐵橋梁設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[3]。

結(jié)構(gòu)受力方面，此種結(jié)構(gòu)通常采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土拱肋形成組合結(jié)構(gòu)，主梁除承受彎矩外，還承受軸向拉力，因此需配置足夠的縱向預(yù)應(yīng)力使主梁處于全受壓狀態(tài)。鋼管混凝土拱肋主要承受軸向壓力，由于鋼管的套箍作用[4]，使混凝土處于三向約束狀態(tài)，承載力大大提高。另一方面，混凝土填充于鋼管之內(nèi)，增強(qiáng)了鋼管的穩(wěn)定性，組合結(jié)構(gòu)剛度也遠(yuǎn)大于鋼結(jié)構(gòu)，使其整體穩(wěn)定性也有了極大的提高。計(jì)算結(jié)果表明，鋼管混凝土拱肋對(duì)改善結(jié)構(gòu)剛度，降低跨中徐變有非常顯著的作用。

施工方面，連續(xù)梁采用常規(guī)的懸臂灌注工法施工，工藝十分成熟。主梁合龍后，在連續(xù)梁橋面上拼裝拱肋，為拱肋施工提供了天然工作平臺(tái)，采取必要防護(hù)措施后并不影響施工期間橋下交通?？删C合考慮橋下公路等級(jí)、安全要求級(jí)別、現(xiàn)場(chǎng)施工條件等因素，采用在橋面原位搭設(shè)支架拼裝或異位拼裝、頂推就位的施工方案。

綜上所述，當(dāng)常規(guī)三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)跨度不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要采用更大跨度橋梁結(jié)構(gòu)跨越道路或通航河流，但由于線路標(biāo)高導(dǎo)致橋下凈高受限時(shí)，拱加勁連續(xù)梁是一種比較合適的橋跨結(jié)構(gòu)[5]。