兰渝铁路96 m下承式钢管混凝土拱桥设计

2013-01-16赵亮

铁道标准设计 2013年12期

赵亮

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概况

兰渝铁路于DK37+021处跨越巉柳高速公路，高速公路宽24.5 m，中央设有分隔带，线路与高速公路夹角36°。桥址处线路曲线半径R=3 500 m，右侧20 m处为既有陇海铁路跨线桥。桥址区域地震动峰值加速度0.2g，动反应谱特征周期0.45 s。结合地形、地质等条件，同时考虑高速公路33.5 m的规划宽度要求，采用1孔96 m下承式钢管混凝土拱桥跨越。桥梁立面布置如图1所示。

图1 桥梁立面布置(单位：cm)

2 主要技术标准

(1)设计标准：客货共线Ⅰ级铁路；

(2)设计速度目标值：旅客列车200 km/h，货物列车120 km/h；

(3)正线数目：双线；

(4)轨道形式：有砟无缝线路；

(5)设计活载：中-活载。

3 结构设计

上部采用96 m下承式钢管混凝土拱-梁组合结构，全长99 m，计算跨度96 m。钢管混凝土拱圈采用受力均匀的抛物线拱，理论拱轴线方程为

式中，f为矢矩；L为计算跨度。

根据规范中1/3～1/7的合理矢跨比要求，矢跨比取1/5。横桥向设置两榀平行拱肋，拱肋中心距12.15 m。下部桥墩采用不等跨圆端墩，基础采用φ1.5 m钻孔灌注桩。

3.1 主梁构造

为满足列车高速运行时对桥梁刚度的要求，主梁采用桥面整体连续且具有较大竖向和横向刚度的箱梁，箱梁截面设计为单箱三室，跨中和支点处截面如图2所示。跨中梁高2.6 m，梁顶宽15.26 m，底宽12.5 m，梁端拱脚处10.5 m范围内梁顶加宽至15.85 m，梁底加宽至13.95 m；边腹板厚35 cm，支点处加厚至180 cm；中腹板厚30 cm，支点处加厚至200 cm。吊杆处隔墙厚35 cm，隔墙开设1.5 m×0.9 m的过人洞。箱梁顶设有2%的横坡，为减少箱梁内外温差，边、中腹板沿桥纵向每隔6.0 m左右设φ10 cm通风孔2处。桥梁位于曲线上，梁体按直线平分中矢布设后，96 m下承式钢管混凝土拱桥的主梁与32 m简支梁体之间在曲线外侧梁缝较大，为解决梁缝过宽问题，将96 m下承式钢管混凝土拱桥的主梁梁端线浇筑为平行梁缝中心线，即主梁平面按梯形布设。

图2 主梁截面(单位：cm)

3.2 主梁预应力

主梁纵、横向按全预应力结构设计，箱梁纵、横向预应力钢束均采用φ15.2 mm高强度、低松弛钢绞线。纵向设15φ15.2 mm预应力钢束，横向在吊杆隔墙和支点处端横梁内设3φ15.2 mm、9φ15.2 mm预应力钢束，拱座内竖向设φ32 mm PSB830预应力混凝土用螺纹钢筋。

3.3 拱肋构造

拱肋采用钢管混凝土结构，截面采用竖向抗弯刚度大且腹腔内不填筑混凝土的新型哑铃形截面[1]。拱肋截面高取3.2 m，上、下弦钢管外径取110 cm，壁厚取24 mm，钢管内灌注C55微膨胀混凝土，上下弦钢管中心距为2.1 m。拱肋上下弦管之间采用厚度为24 mm的缀板连接，缀板间距70 cm，在拱脚处加宽至110 cm，为保证缀板局部稳定，设置纵、竖向加劲肋。缀板间除拱脚面以外4.52 m范围及吊杆处纵向1.5 m范围灌注C55微膨胀混凝土外，其余均不灌注混凝土。拱肋截面如图3所示。

图3 拱肋截面(单位：mm)

3.4 横撑

对于平行拱肋，大量的分析表明，其横撑布置对结构横向稳定的影响要大于其自身刚度的影响。拱顶横撑布置成与拱轴线铅直正交，在其他地方布置成与拱轴线相切，对提高横向稳定效果较好[1]。因此，本桥在桥跨方向的两侧各设1道“K”撑，中间设3道“一”字撑。“一”字撑和“K”撑均为空钢管组成的桁式结构，分别由φ800 mm、φ500 mm、φ400 mm的钢管组成。

3.5 吊杆

为保证更换吊杆时不中断行车和单根吊杆断裂时桥梁的安全性，吊杆布置为纵向双吊杆，同一组吊杆纵向间距60 cm。两榀拱肋共设26组吊杆，第一组吊杆距离支点12.0 m，其余各组吊杆中心距均为6.0 m。吊杆采用PE防护的61丝φ7 mm的平行钢丝束。为防止人为破坏，在距梁顶3 m范围内，于吊杆PE护套外加设0.8 mm厚的不锈钢管予以防护。吊杆张拉端设在拱肋上端，下端与锚箱连接，锚箱钢板预埋在主梁内，锚箱拉板采用Q345qE钢板，尺寸为400 mm×30 mm，锚固钢筋采用HRB400的φ32 mm钢筋(板孔φ35 mm)。吊杆大样及连接构造横断面如图4所示。

图4 吊杆大样及连接构造横断面图(单位：mm)

3.6 拱脚

拱肋伸入拱座，拱座内拱肋钢管设置剪力钉，并通过构造钢筋和预应力粗钢筋与主梁形成整体。拱肋截面在拱脚处由哑铃形截面变为1.8 m×5.1 m的矩形截面。为提高拱座混凝土的抗拉能力，拱座和拱座下的部分主梁混凝土采用C55聚丙烯纤维混凝土。

3.7 支座

采用TQGZ型钢支座，支点处横向设置2个支座，支座间距12.15 m，支座吨位2750t。

4 施工方法

在条件允许的情况下采用支架现场浇筑，可较好地保证结构的整体性[1，2]，因此该桥采用支架现场浇筑、“先梁后拱”的施工方法。主要施工步骤如下：施工基础及桥墩，利用满堂支架现浇主梁，张拉主梁预应力钢束；以桥面为工作平台，搭设支架，拼装钢管拱肋，依次对称灌注拱肋上弦钢管、下弦钢管、吊杆处缀板内混凝土；拆除拱肋支架，拱肋受力，按指定的次序和初张力张拉吊杆；拆除主梁支架，在主梁预应力张拉完成150 d后施工桥面系；实测吊杆力并调整至设计目标值，完成全桥施工。全桥主要施工步骤如图5所示。

图5 主要施工步骤

5 结构计算分析

5.1 计算内容及方法

本桥计算内容主要包括静力计算分析、拱脚节点局部应力分析、自振特性分析和空间稳定性分析。静力计算分析主要有主梁纵向计算(施工阶段、运营阶段预应力混凝土的应力、强度及抗裂性检算)，主梁的变形、变位和梁端转角检算，主梁横向计算(支点处端横梁、吊杆处横隔墙和无吊杆区横向环框计算)，拱肋检算和吊杆及锚箱检算等。

根据采用的施工方法和拟定的施工步骤按平面杆系进行桥梁整体计算分析，以空间计算进行校核。计算中主要考虑结构自重、二期恒载、预应力、混凝土收缩、徐变、列车荷载、动力荷载、摇摆力、离心力、制动力、风力、温度力和地震荷载等。桥面二期恒载按190 kN/m2计算，根据桥址处气候条件，结构整体升、降温分别取20 ℃、-25 ℃，拱肋与主梁的温差取±5 ℃，吊杆与主梁的温差取±10 ℃，主梁顶板非线性升温取+5℃进行计算。其他设计荷载及相关参数的取值按铁路规范执行[3-5]。

5.2 桥梁纵向计算

主梁纵向按全预应力结构设计。钢管混凝土组合截面根据竖向抗弯刚度等效的原则转换为矩形截面的混凝土拱肋，并考虑混凝土收缩、徐变效应，拱肋与梁在连接处固结。综合考虑主梁、拱肋的受力和变形等因素，确定吊杆的张拉顺序和初张力。纵向计算模型如图6所示。

图6 纵向计算模型

计算结果表明,主梁与拱肋的竖向刚度比为2.15，设计为刚梁刚拱，弯矩由梁、拱按刚度共同承担。

(1)施工阶段按指定顺序和初张力张拉吊杆时，吊杆和拱肋的检算不控制设计；主梁上、下缘最大压应力分别为11.5、12.0 MPa，最小压应力分别为0.97、2.1 MPa，设计应力均满足施工阶段应力要求。

(2)成桥时主梁弯矩、剪力、轴力和应力如图7所示，拱肋的弯矩、剪力、轴力如图8所示，吊杆拉力如图9所示。

图7 成桥时主梁弯矩、剪力、轴力及应力

图8 成桥时拱肋弯矩、剪力、轴力

从以上各图中可以看出，在成桥时主梁恒载弯矩、剪力较小，上、下缘应力均小于10 MPa，最大应力差4.8 MPa；拱肋弯矩、剪力较均匀，各吊杆拉力大小基本均匀，结构受力比较合理。

(3)运营阶段计算结果

运营阶段主梁计算结果如表1所示。

表1 运营阶段主梁计算结果

从表1可以看出，主梁设计应力、正截面抗弯强度安全系数和抗裂安全系数[5]均满足规范要求，并留有一定的安全储备。

(4)主梁的变形、变位和梁端转角[6，7]

运营阶段在中-活载作用下，主梁竖向活载挠度(计冲击力)为1.83 cm，小于计算跨度的1/900限值；引起的梁端转角为0.9‰，小于3‰限值；3 m梁长扭曲变形为0.68 mm，小于3.0 mm限值。在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度力的作用下梁体的水平挠度为0.56 cm，小于计算跨度的1/4 000限值，均满足规范要求。

5.3 主梁横向计算

(1)支点处端横梁计算

支点处端横梁简化为横向简支的矩形截面梁检算，端横梁上的恒、活载加载考虑拱肋轴力和剪力的影响，并按实际位置加载，活载考虑道砟横向分布的作用。计算需配置18根9φ15.2 mm钢束，上下2排布置。

(2)吊杆处横隔墙计算

吊杆处横隔墙按被支撑在主梁腹板下缘的T形截面梁进行检算。箱梁横向有4道腹板，分别按边腹板下缘设置刚性支撑，中腹板设弹性支撑和只在边腹板下缘设置刚性支撑进行检算，按最不利状况配置预应力筋。恒载考虑纵向两吊杆间箱梁的自重和二期恒载，活载按两吊杆间距离能布置的所有列车活载计算，并考虑横向道砟分布的作用。计算比较后，吊杆处隔墙下须配置9根3φ15.2 mm钢束和1根9φ15.2 mm钢束，沿箱梁底板横向布置。

(3)无吊杆区横向环框计算

无吊杆区横向环框纵向计算长度按列车一个轴的荷载在桥面板上的有效分布宽度取值，恒、活载按实际位置进行加载，并考虑桥上道砟的分布作用。计算模型简化为四点支承的框架，按刚性支撑和弹性支撑分别计算，取最不利状况进行配筋计算。其荷载工况按日照、寒潮2种模式考虑。温度图式如图10所示。

图10 环框横向温度计算图示

5.4 拱肋检算

拱肋为钢管混凝土组合结构，按钢筋混凝土理论检算截面强度。运营阶段最不利荷载组合作用下，拱肋属小偏心受压构件，钢管及钢管内混凝土检算结果见表2。

表2 运营阶段正应力计算结果 MPa

计算结果表明钢管内混凝土未出现拉应力，拱肋钢管和钢管内混凝土正应力均满足规范要求。

拱肋按承受最大水平推力的中心受压杆件检算其在拱平面内的稳定性[3]。经计算，在运营状态主力作用下，拱平面内拱肋稳定安全系数为23，满足规范要求。

5.5 吊杆及锚箱检算

根据计算分析，确定出合理的张拉顺序和张拉力，施工阶段的吊杆初拉力为188～368 kN。主力作用下最大吊杆力为1 064 kN，强度安全系数3.7；主+附加力作用下最大吊杆力为1 057.5 kN，强度安全系数3.7；疲劳应力幅为118 MPa。锚箱拉板拉应力53.7 MPa，疲劳应力幅14 MPa，锚固钢筋计算需要9根。

在恒、活载作用下，吊杆力总计为53 970 kN，吊杆承担二期恒载为26.4%，承担活载为24.0%。

5.6 吊杆断裂或更换吊杆对结构受力、变形的影响

吊杆是易损构件，其安全性、耐久性、适应性关系到桥梁结构的安全性和正常使用，在断裂或意外损坏时，须进行更换。运营状态下，按单线行车荷载工况考虑单根吊杆断裂或单根吊杆的拆除更换[11]。全桥单侧共13组吊杆，每一组各2根，吊杆断裂或拆除更换时只考虑一组更换1根。经计算分析，一组吊杆的单根断裂或更换时，对拱肋、拱脚、主梁的应力及变形有影响，但影响不大；但对同一组的吊杆及相邻的吊杆应力影响较大，设计时考虑增加吊杆的安全强度系数，保证本桥的安全性。

5.7 拱脚节点局部应力分析

拱脚处拱肋伸入拱座，与主梁固结，受力复杂，是受力的关键部位。本桥利用通用软件Midas FEA建立空间实体模型，进行局部应力分析。计算荷载工况为结构自重、二期恒载、体系温度、温度梯度和活载的最不利组合工况。拱脚处局部实体模型如图11所示，拱座正应力云图如图12所示。

图11 拱座处局部实体模型

图12 拱座正应力云图(单位：MPa)

计算结果表明：在拱座前端与主梁连接的弧形部位和拱座前端下的边腹板内出现了纵向和竖向拉应力，但应力水平不高。为防止开裂，设计时在拱座内增加了竖向预应力粗钢筋，并对纵向预应力钢束进行了优化布置，保证拱脚节点处混凝土局部应力满足规范要求。

5.8 自振特性分析

为了解梁部的刚度变化和变形情况，自振特性分析只考虑了上部梁拱，未考虑桥墩及基础的共同作用。空间计算采用通用软件Midas Civil建模，主梁、拱肋、横撑按梁单元模拟，各杆件连接处均采用刚接。吊杆按只受拉的索单元模拟。二期恒载作为均布荷载作用于桥面，并转化为桥面部分质量。空间计算模型如图13所示。

图13 空间计算模型

桥梁的自振频率及振型特点见表3。

表3 桥梁的自振特性分析结果

自振特性计算结果表明，梁部振型首先表现为拱肋面外对称挠曲，其面内竖向挠曲在第三阶出现，频率为1.846 Hz，大于n0=23.58L-0.592=1.581 Hz的限值要求[6-7]。

5.9 空间稳定性分析

钢管混凝土拱的空间稳定分为极值点失稳和分支屈曲失稳，极值点失稳的研究还不够成熟，在实际工程中很少使用，但分支屈曲失稳可以采用通用程序进行特征值求解，在设计和计算时被大量采用[1]。本桥利用通用软件Midas Civil计算，采用子空间迭代法进行桥梁模态分析，计算屈曲失稳临界荷载系数。运营阶段屈曲分析采用荷载组合为：自重+二期恒载+中-活载+离心力+摇摆力。第一阶失稳模态如图14所示。