某高速铁路连续梁拱组合桥结构设计

2011-01-22陈晓波

铁道标准设计 2011年5期

陈晓波

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

高速铁路对桥梁结构不仅要求刚度大,而且对结构变形和动力性能要求也非常严格。结合高速铁路对桥梁结构的要求所进行的分析研究表明,下承式梁拱组合体系结构高度低、跨越能力大、造型美观,能够使拱和梁在受力方面的优点得以充分发挥,同时下承式梁拱组合结构在工程中得到了越来越广泛的应用[1～3]。但是作为一种新型组合结构,梁拱组合体系的受力比较复杂,结构性能也不同于一般的梁和拱,因此有必要对下承式梁拱组合的关键技术进行研究分析。

某高速铁路特大桥设计荷载为ZK标准活载,线间距5 m,轨道类型为无砟轨道。桥址处跨越多条公路及快速环道,在满足桥下公路净空要求的条件下,为降低线路高程,减少桥梁长度,降低造价,并考虑景观要求,该桥主桥采用了结构高度低、跨越能力大、造型美观的钢管混凝土拱加劲连续梁的组合结构,主跨为136 m,边跨为70 m,如图1所示。

图1 主桥总体布置(单位：cm)

2 上部结构设计

2.1 主梁

主梁为三向预应力混凝土结构,采用单箱双室变高度箱形截面,如图2所示。中支点梁高为7.5 m,边支点及跨中梁高4.0 m,分别为主跨的1/18.1与1/34。

图2 主梁横断面布置(单位：cm)

箱梁顶宽14.4 m,中支点处局部顶宽16.0 m；箱梁顶板厚0.42 m,中支点处局部顶板厚0.92 m,边支点处局部顶板厚0.72 m；箱梁底宽10.8 m,中支点处局部底宽14.0 m；底板厚度0.35～0.80 m,中支点处局部底板厚1.10 m,边支点处局部底板厚0.70 m,边支点处底板设0.8 m×0.8 m检查孔。

箱梁采用直腹板,腹板厚分0.40、0.55、0.65 m 3种,中支点处局部腹板厚1.25 m,边支点处局部腹板厚0.70 m,箱梁各腹板上下交错设置直径为φ10 cm的通风孔,用以降低箱内外温差。

箱梁共设5道横隔板,边支点横隔板厚1.4 m,中支点横隔板厚3.0 m,中孔跨中横隔板厚0.3 m,各横隔板均设进人孔。

箱梁于各吊杆处共设14道吊点横梁,除靠近拱脚的第一道横梁高1.5 m外,其余横梁高均为1.4 m,横梁厚均为0.4 m。

2.2 加劲拱

加劲拱的计算跨径L=136 m,设计矢高f=27.2 m,矢跨比f/L=1/5,拱轴曲线为抛物线。设计拱轴线方程:y=1/170x2+0.8x。

拱肋为钢管混凝土结构,拱肋采用等高度哑铃形截面,截面高度2.8 m。拱肋弦管直径φ0.8 m,由δ=16 mm厚的钢板卷制而成,弦管之间用δ=16 mm厚钢缀板连接,拱肋弦管及缀板内填充微膨胀混凝土，如图3所示。

图3 拱肋截面(单位:cm)

为确保拱肋横向稳定性,两榀拱肋之间采用空间桁架撑连接,全桥共设置9道横撑,各横撑由4根φ450 mm×12 mm主钢管和32根φ250 mm×10 mm连接钢管组成,横撑钢管采用Q345qD钢,内部不填混凝土。横撑截面如图4所示。

图4 横撑截面(单位:cm)

拱肋采用竖直平行吊杆传力[4]。吊杆顺桥向间距8 m,全桥共设14对吊杆。吊杆采用PES(FD)7-109型低应力防腐拉索(平行钢丝束),其材料特性fpk=1 670 MPa,Ep=2.0×105MPa。吊杆外套复合不锈钢管,配套使用OVMLZM(K)7-109Ⅰ型冷铸锚。吊杆上端穿过拱肋锚于拱肋上缘张拉底座,下端锚于吊点横梁下缘固定底座。

3 结构计算

3.1 主梁3.1.1 主梁应力

按照施工和运营分阶段进行内力分析和截面应力检算。计算时考虑：自重、二期恒载、施工荷载、混凝土收缩徐变、预应力、活载、温度力、支座沉降和体系转换产生的二次内力[5]。主梁控制截面应力计算结果见表1。

表1 主梁控制截面应力计算结果

3.1.2 主梁挠度

在ZK活载静力作用下,主梁最大竖向挠度-0.026 4 m,挠跨比为1/5 151,梁体下挠的最大梁端转角0.766‰；成桥后,1 100 d后,主梁后期徐变上拱18.7 mm,满足德国规范DIN-Fachbericht 103中规定徐变上拱限值为L/5 000。

ZK活载静力作用下产生的挠度值与0.5倍温度引起的挠度值之和为4.8 cm,挠跨比为1/2 833。0.63倍ZK活载静力作用下产生的挠度值与全部温度引起的挠度值之和为2.1 cm,挠跨比为1/6 476。具有足够的竖向刚度。

3.2 拱肋

主拱肋及横向联接系在拱肋未灌注混凝土前为完全的钢结构，按钢结构的要求进行检算,在灌注混凝土后以及在大桥的长期运营阶段,拱肋为钢管混凝土结构[6～8]。现有铁路和公路桥梁设计规范还没有钢管混凝土的相关规定,设计参考《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS28：90)设计及按“铁路桥规”容许应力法进行检算[9]。

(1) 运营阶段拱肋钢管及混凝土正应力计算结果见表2。

表2 运营阶段拱肋钢管、混凝土正应力计算结果 MPa

3.3 吊杆

运营阶段,在最不利荷载作用下,横向一组吊杆最大轴力2 684 kN,最大拉应力320.0 MPa,强度安全系数K=5.22。吊杆最大活载应力幅131.6 MPa。

3.4 横向受力分析

主梁横向分无吊杆区和有吊杆区分别进行计算。无吊杆区沿纵向截取单位长度的主梁梁体,简化成腹板下缘三点支撑的双孔框架,按刚性支撑和弹性支撑包络计算。

有吊杆区沿纵向截取一定长度的主梁梁体,简化成腹板下缘三点支承的双孔框架,吊点处加竖向集中力,按刚性支撑和弹性支撑包络计算。

3.5 动力分析计算

(1)结构动力特性分析研究

采用分析程序MIDAS/Civil所建的全桥有限元模型,整体坐标系以顺桥向为X轴,横桥向为Y轴,竖向为Z轴。全桥有限元模型见图5。

图5 全桥有限元模型

自振特性计算结果见表3。

表3 前5阶自振特性计算结果 Hz

(2)车桥动力响应分析结果

对列车-桥梁建立整体空间模型,并以不同车速过桥时对车桥振动响应进行分析。当国产高速列车、德国ICE、日本500系以不超过420 km/h速度通过桥梁时,桥梁动力响应及各车的车体竖、横向振动加速度满足限值要求,列车行车安全性满足要求；当车速不超过该桥设计车速350 km/h时列车的乘坐舒适度均达到“良好”以上,当车速不超过该桥检算车速420 km/h(120%设计车速)时,列车的乘坐舒适度达到“合格”以上。

4 施工方法及结构特点

该桥采用先梁后拱的施工方案,即先完成连续梁体系的施工,再施工拱肋、张拉吊杆、铺设桥面设施,形成梁拱组合体系。主梁自重主要由连续梁承受,二期恒载及活载由拱肋与主梁二者共同承受。拱作为以受压为主的构件,具有竖向刚度大的特点,形成组合结构以后,在竖向荷载作用下,一部分力通过吊杆、拱肋直接传至主梁根部,因此使主梁跨中及支点弯矩得以显著减小。