单线铁路大跨度连续梁拱组合结构设计

2010-01-22朱林根

铁道标准设计 2010年7期

关键词：吊杆支点腹板

朱林根

(中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070)

1 工程概况

京杭运河特大桥是新建宿州至淮安铁路的重要节点工程。主桥采用(62+132+62)m单线连续梁拱组合结构。主要技术标准如下。

(1)线路：国铁Ⅰ级,单线,主桥平面位于直线,纵坡i=4‰,设计行车速度为160 km/h。

(2)设计恒载：混凝土容重26 kN/m3；二期恒载95 kN/m；支点不均匀沉降2 cm。

(3)设计活载：中-活载。

(4)通航等级及通航净空：Ⅱ级三线航道,90 m×7 m。

(5)建筑限界：桥限-2A(净宽4.88 m,净高6.55 m)。

2 主桥结构设计

2.1 主梁构造及节段划分

主梁为预应力混凝土结构,采用C55混凝土。主梁采用单箱单室箱形截面,中支点处梁高7.0 m,跨中及边支点处梁高3.5 m,中支点处高跨比1/18.86,跨中处高跨比1/37.71。梁底曲线采用二次抛物线。箱梁顶板宽10.6 m,底板宽6.5 m。顶板厚度0.4 m；底板厚度由跨中0.35 m渐变至根部1.0 m；腹板采用直腹板,厚度为0.40～0.60～0.80～1.0 m,由跨中至支点按照折线变化,中支点附近局部加厚至2.20 m。

主梁在端支点、中支点及吊点处共设18道横隔板,边支点横隔板厚1.5 m,中支点横隔板厚4.0 m,吊点处横隔板厚0.35 m。横隔板设有人孔,供检查人员通过。

主梁全长257.5 m,共划分为63个梁段,梁拱结合部0号块长16 m,中跨和边跨合龙段长均为2.0 m,边跨现浇段长4.75 m,其余梁段长分别为2.5、3.5、4.0、4.5 m。主梁0号块、边跨现浇段在支架上施工,边跨合龙段和中跨合龙段采用悬吊支架施工,其余梁段均采用挂篮悬臂浇筑施工。主桥总布置和横断面分别见图1和图2。

图1 主桥总布置(单位：cm)

图2 跨中及中支点横断面(单位：cm)

2.2 主梁预应力

主梁设置纵向、竖向双向预应力。纵向预应力筋采用1×7-15.2-1860-GB/5224-2003预应力钢绞线。中支点截面上缘共布置52束19-φs15.2 mm顶板束和38束17-φs15.2 mm腹板下弯束；边跨底板布置12束15-φs15.2 mm钢束,边跨顶板布置2束19-φs15.2 mm钢束；中跨跨中底板布置16束17-φs15.2 mm钢束,中跨跨中顶板布置4束17-φs15.2 mm钢束。纵向预应力钢束采用OVM锚具,金属波纹管成孔,两端张拉,张拉控制应力分为1 265、1 302 MPa和1 339.2 MPa 3种。

竖向预应力采用φ32 mm高强精轧螺纹钢筋,型号为PSB830。顺桥向间距0.5 m,内径45 mm铁皮管成孔。腹板厚1.0 m和0.8 m的梁段,横桥向各腹板布置两根φ32 mm竖向预应力钢筋；腹板厚0.6 m、0.4 m的梁段,横桥向各腹板布置1根φ32 mm竖向预应力钢筋,竖向预应力均于梁顶张拉。

2.3 拱肋构造

拱肋采用钢管混凝土结构,计算跨度L=132 m,设计矢高f=22 m,矢跨比f/L=1/6,拱轴线采用二次抛物线,设计拱轴方程为Y=-1/198X2+2/3·X。拱肋采用等高度哑铃形截面,截面高度2.8 m,拱肋钢管直径φ1.0 m,由16 mm厚的钢板卷制而成,钢管之间用16 mm厚钢缀板连接,拱肋钢管及缀板采用Q345qD钢,其内填充C50无收缩混凝土。两榀拱肋横向中心距7.2 m。

2.4 横撑

全桥共设置了4道K撑和3道一字撑。一字形撑和K形撑的横撑采用外直径0.7 m,壁厚20 mm的圆钢管,K形撑的斜撑采用外直径0.5 m,壁厚20 mm的圆钢管。横撑和斜撑均采用Q235qD钢材,内部不填混凝土。横撑布置如图3所示。

图3 横撑布置(单位：cm)

2.5 吊杆

吊杆顺桥向间距8 m,全桥共设14对吊杆。吊杆采用OVM PES(FD)7-85型低应力防腐拉索(平行钢丝束),抗拉强度标准值fpk=1 670 MPa,Ep=2.0×105MPa。吊杆采用双层HDPE护层,并外套不锈钢护套。锚具采用LZM7-85冷铸墩头锚。吊杆上端锚于拱肋下缘,对应吊杆处,拱肋下缘设置钢锚箱。吊杆下端通过箱梁外侧翼缘板锚于底板底,锚固处箱梁腹板向外侧局部加厚。吊杆在下端张拉,锚固形式考虑了更换吊杆的需要。

3 施工方法

该桥采用“先梁后拱”施工方法,主要施工步骤为：利用挂篮悬臂浇筑主梁；合龙主梁边孔；合龙主梁中孔；在桥面搭设支架,拼装钢管拱肋；顶升拱肋下管、上管、腹腔内混凝土；按指定次序张拉吊杆；施工桥面系；完成全桥施工。

4 主要计算结果

主梁在成桥阶段及运营阶段的正应力见表1,主梁抗裂及强度计算见表2,拱肋正应力计算结果见表3。

表1 主梁正应力计算结果 MPa

表2 主梁抗裂及强度计算结果

表3 拱肋正应力计算结果 MPa

从表1～表3可见,主梁正应力、抗裂、强度及拱肋正应力均满足规范要求。

理论计算残余徐变变形：中跨跨中上拱16 mm,边跨跨中下挠4.9 mm。

在中-活载作用下,主梁最大静活载挠度-19.4 mm,挠跨比1/6 804,小于限值L/900,梁端竖向转角0.67‰,小于限值3‰。

5 结构自振特性

采用通用有限元软件建立空间模型,主梁的顶板、底板、腹板采用板单元,墩顶0号块及拱脚采用实体单元,拱肋采用梁单元,吊杆采用索单元,横撑采用梁单元。不考虑下部结构时,结构的自振特性见表4。

表4 结构自振特性计算结果(不考虑下部结构)

从结构自振特性的计算结果可以看出：

桥梁的第1阶振型为拱对称横弯,频率为0.546 Hz;第2阶振型为拱反对称横弯,频率为1.023 Hz。拱肋的面外振型先出现,表明拱的面内刚度大于面外刚度,因为拱肋面内振动要引起主梁的振动,所以阻力大,频率高,面内振型出现晚于面外振型。

钢管混凝土拱肋提高了桥梁的竖向刚度,使桥梁的竖弯振型的频率较高,主梁一阶竖弯振型频率为1.519 Hz。

主梁横弯的振型出现较晚,一阶横弯振型的频率为1.694 Hz>55/L0.8=55/1320.8=1.11 Hz,表明混凝土连续梁拱具有较大的横向刚度,连续梁拱组合桥的横向振动首先表现为拱肋的横向振动。与同类型大跨度桥梁结构的自振频率相比,该桥具有良好的竖向和横向刚度。

6 横撑布置对整体稳定的影响

为了研究横撑布置形式对连续梁拱整体稳定的影响,考虑以下4种布置形式。

横撑布置形式一：6道K撑+1道一字撑；

横撑布置形式二：4道K撑+3道一字撑；

横撑布置形式三：7道一字撑；

横撑布置形式四：4道K撑+1道一字撑；

各种横撑布置形式下的整体稳定系数见表5。

表5 不同横撑布置形式的整体稳定系数

从表中可以看出,6道K撑和1道一字撑布置形式时,结构的整体稳定系数最高,为7.462；而7道一字撑布置形式稳定系数最低,为3.878。根据国内钢管混凝土拱桥设计经验,由于一类稳定计算没有考虑材料非线性和几何非线性,通常一类稳定系数要求取4.0以上[1]。因此,横撑布置形式采用4道K撑+3道一字撑的布置形式。