重载铁路大跨度上承式钢管混凝土拱桥设计研究

2018-04-16杨勇

铁道标准设计 2018年4期

杨　勇

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉　430063)

1　项目概况

洛河大桥位于河南省卢氏县境内，桥梁跨越故县水库淹没区，位于水库大坝上游约13.2 km。桥址处位于低山区及山间谷地，地势起伏较大，轨面至河床高差约104.0 m，桥址处水库测时水位深约35.0 m，不通航。山坡上植被欠发育，基岩出露，主要为弱风化安山岩，基本承载力[σ0]=1000 kPa。地震动峰值加速度Ag=0.1g。

2　主要技术标准

线路情况：Ⅰ级铁路，有砟轨道。

正线数目：双线，线间距4.0 m。

设计速度：120 km/h。

设计活载：中-活载(2005)ZH标准(Z=1.2)。

线路情况：桥梁位于直线上，平坡。

3　桥式方案确定

桥式方案应结合线路平纵要素、桥址地形、地质等情况选用合理的结构体系和结构形式。本桥大、小里程两端分别与黄柏岭隧道、庙坪隧道进出口相接，隧道分别长7 450 m(黄柏岭隧道)、4 001 m(庙坪隧道)。桥面高程结合两端隧道纵断面及本桥的设计要求，轨底设计高程为597.763 m。

本桥地形为典型的V字形地形，河流两岸地形陡峭，岩石埋深浅，跨越的洛河水库水深较深，采用上承式拱桥一跨跨越河流非常合适[1]。

主拱跨度220 m，避免了在深水环境下设置造价昂贵的桥墩及基础，也满足了防洪、环保等要求。因此，本桥采用主跨220 m上承式拱桥方案，一跨过河。洛河大桥总体立面布置如图1所示。

图1　洛河大桥总体立面布置(单位：m)

4　拱肋设计研究

4.1　矢跨比

矢跨比(f/L)是拱桥设计的一个重要参数，对拱肋的内力、构造以及施工方法都有影响。矢跨比应结合结构受力、通航、防洪等多方面因素综合考虑。

一般来说，矢跨比越小，拱桥的水平推力与垂直反力之比就越大，矢跨比越大，其比值就越小。拱肋的推力越大，拱肋的轴力也越大，对拱肋的受力有利，但对基础的受力不利。矢跨比太大，拱肋拱脚附近的就越陡，施工也越困难。另外，矢跨比应结合周围的环境，综合考虑拱肋的外形来确定[2-3]。

本桥结合桥面高程，地形、地质条件、库区水位以及桥梁景观因素综合考虑，采用桥梁跨度220 m，矢跨比f/L=1/5，矢高44.0 m(拱平面内)，并由此确定起拱线高程549.546 m，拱座顶部高程553.546 m，拱座基础底部高程540.046 m。拱肋根部及基础整体布置在水库正常蓄水位533.637 m以上。

4.2　拱肋形式及截面

钢管混凝土构件是钢-混凝土组合材料的一种，不仅具有组合材料的优势，其应用在拱桥上也具有施工的优越性。受力上，钢管借助管内混凝土提高稳定性，也提高了抗腐蚀能力和耐久性；另一方面，管内混凝土受压时借助钢管对混凝土的套箍作用，提高了抗压强度及延性，两种材料优势互补，大大提高了材料特性。施工时，可先施工质量较轻的钢管构件，再利用其作为劲性骨架或者模板，施工吊装质量小、速度快、节约施工用材。本桥拱肋结构形式采用钢管混凝土结构[4-5]。

钢管混凝土拱肋的截面形式有实体截面和桁式截面。实体截面分单弦管和哑铃形截面，一般在小跨度桥梁上应用。桁式截面分3管、4管、6管桁式截面[6]，弦管与弦管之间可由钢板件或钢管杆件连接，形成组合截面从而获得较大的纵横向刚度。其中4管桁式截面应用最多，4管的弦管横向可采用平联板连接并填充混凝土形成，哑铃形截面，腹杆采用钢管构件。这种截面上、下弦管横向哑铃形截面中的平联板形成的腔内混凝土对抗弯刚度的贡献要远远大于单哑铃形截面腹腔内的混凝土[7]。

本桥拱肋采用四肢桁式结构，即横向哑铃形桁式结构，弦管直径为1.2 m，拱肋横向宽度3.2 m，拱肋为变高度截面，拱肋高度自拱顶的5.2 m按李特规律变化到拱脚的8.2 m。拱肋典型截面如图2所示。

图2　拱肋截面(单位：mm)

4.3　拱肋内倾角度研究

对于上承式钢管混凝土提篮式拱桥，拱肋的内倾角对桥梁的整体稳定、横向刚度以及拱座基础、拱上桥墩等结构设计有较大的影响。为了确定合理的拱肋内倾角度，对不同的拱肋内倾角度分别进行研究。

对拱肋内倾角0°、3°、5°、6.5°、8°和10°共6个方案进行研究。各方案的拱顶间距均为6.0 m，对应的拱脚横向间距分别为6.0、10.61、13.67，15.96、18.25 m和21.28 m，拱肋横向布置见图3。

通过对各方案建立有限元模型进行自振特性分析，各内倾角拱肋方案的自振特性见表1。

图3　拱肋内倾角0°、3°、5°、6.5°、8°和10°横向布置示意(单位：m)

模态号内倾角0°频率/Hz振型描述内倾角3°～8°3°5°6.5°8°频率/Hz频率/Hz频率/Hz频率/Hz振型描述内倾角10°频率/Hz振型描述10.359拱肋一阶横向0.4450.4960.5310.564拱肋一阶横向0.607拱肋一阶横向20.671拱肋二阶横向0.7320.7690.7930.817拱肋二阶横向0.846拱肋纵向30.872拱肋纵向0.8570.8550.8530.85拱肋纵向0.847拱肋二阶横向41.133拱肋扭转1.0871.0821.0771.072拱肋竖向桥墩纵向1.064拱肋竖向桥墩纵向51.176拱肋竖向桥墩纵向1.2171.2121.2071.202拱肋竖向桥墩纵向1.194拱肋竖向桥墩纵向61.311拱肋竖向桥墩纵向1.231.2871.3231.355拱肋扭转1.348拱肋竖向桥墩纵向71.364拱肋竖向桥墩纵向1.391.3811.3721.363拱肋竖向桥墩纵向1.364G1、G10号墩纵向81.381G1、G10号墩纵向1.4081.3981.3891.379G1、G10号墩纵向1.39拱肋扭转91.619拱肋扭转1.6381.6331.6281.622拱肋竖向1.612拱肋竖向101.666拱肋竖向1.7351.8091.861.907拱肋扭转1.931拱肋扭转

从表1可知，内倾角为3°、5°、6.5°和8°四个方案的前10阶的振型形状相同。内倾角为0°时，拱肋扭转频率将小于拱肋竖向，扭转模态提前。内倾角增大到10°，拱肋二阶横向振动频率将大于拱肋纵向，拱肋横向刚度增大。

将各方案相同振型的自振频率变化趋势绘制成曲线，如图4所示。

图4　相同振型的自振频率变化趋势

可以看出，拱肋横向和扭转振动的模态所对应的频率随着内倾角的增大而增大，拱肋竖向和纵向振动所对应的频率变化不大，说明内倾角对拱肋的面内刚度影响不大。

对不同的拱肋内倾方案进行屈曲分析，各方案一阶均为面外失稳，稳定安全系数及模态见表2。

表2　不同的拱肋内倾方案屈曲一阶失稳特性汇总

从表2可以看出，当拱肋内倾0°、3°、5°时，失稳模态表现为面外正对称失稳；拱肋内倾6.5°、8°、10°时，失稳模态表现面外反对称失稳。

提篮拱的稳定系数比平行肋拱有较大提高，并随着拱肋内倾角的增大而增大。拱肋内倾角在0°～5°范围变化时，稳定系数随内倾角的增长幅度较大。但是内倾角超过6.5°以后，通过增大内倾角来提高横向稳定性的作用已不明显。

考虑到桥梁横向自振特性、横向稳定性能以及拱脚横向间距对拱座基础圬工量的影响，并结合拱上桥墩的构造设计、桥梁美观性能等方面综合考虑，本桥拱肋内倾角度采用6.5°。

4.4　拱肋线形研究

对已建成的上承式钢管混凝土拱桥调研，拱肋线形通常采用悬链线，其中公路桥梁拱轴系数m绝大多数位于1.5～2.2，铁路桥梁拱轴系数m绝大多数位于2.5～3.2。

在确定了拱肋结构形式、跨度、矢高等因素后，选择合理的拱轴线形，才能使结构的受力合理。对于悬链线拱轴线，需要确定拱轴系数，使拱圈受力均匀协调[8-9]。

对拱肋m值在2.5～3.2范围内的各种线形进行了计算，分析其在恒载+活载作用下拱脚、1/4跨、拱顶处“五点”的内力，结果如表3所示。

表3　m=2.5～3.2各拱肋线形恒载+活载弯矩汇总　kN·m

从表3可以看出，拱脚的正弯矩随着m值的增大而增大，负弯矩随着m值的减小而减小；拱顶为正弯矩，随着m值增大而增加。拱顶与拱脚的弯矩最值之比随着m值的增大而增加，m=3.0时，弯矩最值比为0.31，与本桥拱肋拱顶、拱脚截面的抗弯截面系数之比最接近。结合对拱肋应力的分析，当m=3.0，钢管应力、管内混凝土拉应力值最小，并且均小于规范允许值，因此本桥拱轴系数m取3.0。

4.5　拱肋横向联接系

对拱肋“一”字横撑和“米”字横撑两种方案进行了研究，两个方案如图5所示。

图5　一字横撑方案、米字横撑方案示意

“一”字横撑方案拱肋的面外稳定安全系数为18.6，面内稳定安全系数为24.4。“米”字横撑方案拱肋的面外稳定安全系数为35.3，面内稳定安全系数为29.9。另外，对两个方案进行自振频率分析也可以发现，采用“米”字横撑比“一”字横撑拱肋的横向刚度更大，纵向刚度基本相当，竖向刚度略大。“米”字横撑方案比“一”字横撑方案面外稳定系数更大，但两个方案的稳定安全系数均有足够的富余[10]。考虑到本桥桥址地形条件较差，“米”字形横撑方案的高空焊接工作量远远大于“一”字形横撑方案，在保证结构受力的前提下，为了降低施工难度及施工风险，本桥最终采用了受力满足要求、施工难度及施工风险较低的“一”字横撑方案。

4.6　拱肋腹杆设计研究

在公路桥中，桁式拱肋的腹杆一般采用钢管与主弦管相关焊接，其优点是制造安装方便，与拱肋主钢管配合协调。但是对于重载铁路桥梁，活载重力大，部分腹杆承受以拉为主的变幅应力，相贯线焊接满足不了疲劳性能要求。本桥腹杆采用H形杆件，杆件与拱肋相接处采用异形块(节点板)相焊接，以提高疲劳性能[11]。本桥活载大，腹杆与弦杆相接处的疲劳应力问题突出，设计考虑了2个方案。如图6、图7所示。

方案1：杆件与主拱肋相接处扩大为“扫把形”异形块。异形块采用双侧坡口熔透的细丝埋弧自动焊与主弦管焊接，并在两端修磨匀顺后进行锤击，以消除应力集中，提高疲劳强度。在主管的内壁焊接3排剪力钉，以加强钢管内壁与混凝土的粘结。

方案2：在每个节点处设一块节点板，即将竖腹杆和斜腹杆两根腹杆与弦管连接做成整体节点板，这种节点板避免了两根腹杆交点与弦管中心线的偏心，对于结构的受力更加有力。并且，通过对腹杆的内力分析可以发现，垂直腹杆一般承受压力，而斜腹杆一般承受拉力。一拉一压，可以使两根腹杆的内力中和一部分，对于应力和疲劳性能都更有利。

图6　方案1节点构造

图7　方案2节点构造

本桥采用疲劳性能更优的大节段板方案。按腹杆的标准截面，检算疲劳荷载作用下的名义疲劳应力最大为73.78 MPa，发生在G2排架墩下方左侧的第一根斜腹杆。腹杆与节点板对接焊接连接的疲劳能满足要求[12]。

5　拱上桥墩结构设计研究

拱上结构采用16.5 m简支T梁，主桥两侧各需设置4个桥墩，墩高分别为30.49、19.35、11.01、5.13 m。桥墩墩柱横向向内倾斜，倾斜角度与拱肋内倾角度一致，均为6.5°。

拱上桥墩的选型主要从拱肋的受力、桥墩纵向水平线刚度、景观效应等方面综合考虑。本文对钢管混凝土单柱墩、钢管混凝土四肢格构墩、钢筋混凝土排架式墩3个方案分别进行了研究。各桥墩方案的桥墩结构自重及纵向水平线刚度见表4。

表4　各方案桥墩自重及纵向水平线刚度

本线采用跨区间无缝线路，为了保证无缝线路的稳定和安全性，桥梁墩台顶的纵向水平线刚度必须满足钢轨附加应力检算的相关要求[13]。即使将钢管混凝土单肢柱的柱径增大至D=2.0 m，墩高最大的G1号墩纵向刚度仅有89 kN/cm，不能满足要求。钢管混凝土四肢格构墩与钢筋混凝土排架墩的纵向刚度均较大，质量上钢管混凝土四肢格构墩相比而言更轻。但是考虑到钢管混凝土四肢格构墩方案构造复杂、景观上也显得非常凌乱，本桥采用受力性能好，造型美观的钢筋混凝土排架式桥墩方案，见图8。

图8　钢筋混凝土排架墩(单位：cm)

6　施工方法研究

目前，钢管混凝土拱桥的施工方法主要有支架法、悬臂施工法、平面转体法、竖向转体法、缆索吊挂法和拱肋大节段吊装法等[14]。本桥具有桥址处地形陡峭、桥隧施工相互干扰、环保要求高、材料运输困难等特点，结合桥位处的地形及施工条件，采用缆索吊装斜拉扣挂法施工[15]。结合桥位处地形条件，设置1套2×1 500 kN缆索系统用于拱肋节段、简支T梁的吊装，缆索吊系统跨度为660 m。拱肋一共分为14个节段(不含合龙段)，每个节段长15 m左右，节段拼装采用内法兰临时连接，拱肋合龙后进行钢管管内混凝土的顶升灌注，按照先上弦管、后下弦管，最后腹腔的灌注顺序进行。