趙 亮

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

1 概況

近幾年隨著我國高速鐵路建設(shè)的發(fā)展，連續(xù)梁拱組合橋被廣泛用在了大跨度跨越凈空受限的公、鐵立交和通航河流的鐵路橋梁上，跨度已從幾十米到200多米，代表了當今世界高速鐵路組合橋梁的發(fā)展與建設(shè)水平。連續(xù)梁拱橋組合結(jié)構(gòu)體系主要有主梁、拱肋、吊桿組合起來共同受力，中跨的彎距、剪力內(nèi)力高峰值由梁和拱共同承擔，主梁承擔拉力和局部彎矩，拱肋承擔軸壓力及彎矩，剪力主要有主梁和拱肋軸力的垂直分力承擔。連續(xù)梁拱橋組合結(jié)構(gòu)既克服了拱橋巨大的拱腳推力，又改善了大跨連續(xù)梁橋較大的彎矩和剪力的受力狀況，最大限度地發(fā)揮梁拱混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼材各自的特點，增大了鐵路梁式橋的跨越能力。是一種具有競爭力的橋型。

某城際鐵路位于海陸交互的平原地區(qū)，線路跨越通航等級為國家Ⅱ級的某通航水道，通航凈高不小于10 m，凈寬不小于150 m。為滿足通航凈空、凈寬的需要，同時考慮景觀要求，主橋采用(87+176+87) m連續(xù)梁拱組合橋。橋型布置立面如圖1所示。橋梁設(shè)計主要技術(shù)標準如下。

(1)設(shè)計速度：200 km/h；

(2)正線數(shù)目：雙線，標準線間距4.4 m；

(3)軌道形式：雙塊式無砟軌道，無縫線路；

(4)建筑限界：客運專線鐵路建筑限界(200 km/h≤v≤350 km/h)，凈高7.25 m；

(5)設(shè)計活載：運營活載為0.6UIC。施工活載為運梁車荷載和架橋機架設(shè)荷載。

圖1 橋型布置立面(單位：cm)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

圖2 橋面布置(單位：cm)

下部橋墩采用鋼筋混凝土實體圓端墩，基礎(chǔ)設(shè)計為φ1.5 m和φ2.5 m鉆孔灌注樁。

2.2 主梁

為滿足列車高速運行時對橋梁剛度的要求，主梁采用橋面整體連續(xù)且具有較大豎向和橫向剛度的箱梁，箱梁截面設(shè)計為單箱雙室，設(shè)縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力(其中中跨不設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力)。跨中和中支點處截面如圖3所示。中支點處梁高11.0 m，梁頂寬16.0 m，跨中梁高5.5 m，梁頂寬15.0 m，箱底寬11.0 m；頂板厚40～95 cm，底板厚40～120 cm，腹板厚50～100 cm，中跨跨中設(shè)厚0.4 m的橫隔板，中支點設(shè)寬4.0 m的中橫梁，邊支點設(shè)寬1.6 m的端橫梁，吊桿處設(shè)高2.0 m的橫梁，箱梁頂設(shè)有2%的橫坡。

圖3 主梁橫截面(單位：cm)

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造和橫向計算，在每個支點處橫向設(shè)置3個支座，邊墩支座間距4.75 m，中墩支座間距6.4 m。經(jīng)計算，支點處的中支座受力較大，但不大于邊支座的1.25倍。在一個支點處橫向均采用同一規(guī)格的支座，以中支座為準，邊墩支座承載力7 000 kN，中墩支座承載力100 000 kN。

2.3 拱肋及橫撐

拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，截面采用豎向抗彎剛度大的啞鈴形截面。上、下弦管中心距2.2 m，拱肋高3.3 m，鋼管外徑110 cm，壁厚20 mm，鋼管內(nèi)灌注C55微膨脹混凝土。拱肋上下弦管之間采用厚度為14 mm的綴板連接，綴板間距80 cm，在拱腳處加寬至110 cm，綴板間采用φ25 mm鋼筋拉桿，拉桿豎向間距45 cm，橋縱向間距50 cm。鋼管內(nèi)和綴板間均灌注C55微膨脹混凝土。拱肋截面如圖4所示。

圖4 拱肋截面(單位： mm)

為了提高橫向剛度，保證拱肋的橫向穩(wěn)定，兩榀拱肋之間共設(shè)9道橫撐，均采用空間桁架撐，各橫撐由φ610 mm×14 mm的主鋼管和φ410 mm×12 mm的連接管組成，管內(nèi)不填混凝土。橫撐截面如圖5所示。

圖5 橫撐截面(單位：mm)

2.4 吊桿的選擇及其連接方式

對于已建成的大多數(shù)梁拱組合橋，幾乎都采用了傳統(tǒng)的鋼絲束或鋼絞線吊桿。近年來，在中、下承式拱橋中，因采用傳統(tǒng)的鋼絲束或鋼絞線吊桿的銹蝕和疲勞造成了維修費用的增加和個別橋梁垮塌事故，引起了人們對吊桿的設(shè)計以及防腐、檢查、更換等問題的嚴重關(guān)注。因此采用新型的、耐久性好的吊桿，提高橋梁結(jié)構(gòu)安全性，減小維修養(yǎng)護費用，適應(yīng)新形勢下的發(fā)展需要就十分必要。

橋梁建筑用鋼拉桿-實心合金鋼棒，是一種最近幾年內(nèi)才被使用新型吊桿，其加入了合金元素，材料為35CrMo，具有強度高、韌性高、耐蝕性強、耐低溫性能好和維修養(yǎng)護方便等優(yōu)點。因此本橋選用光圓實心合金鋼拉桿做吊桿。

為保證更換吊桿時不中斷行車和單根吊桿斷裂時橋梁的安全性，吊桿布置為縱向雙吊桿，同一組吊桿縱向間距60 cm。全橋兩片拱肋共設(shè)34組吊桿，第一組吊桿距離中支點17.6 m，其余吊桿中心間距均為8.8 m。吊桿采用460級公稱直徑為100 mm的光圓實心合金鋼拉桿，考慮橋梁整體結(jié)構(gòu)的變形、協(xié)調(diào)和更換維修等因素，吊桿的上端縱向設(shè)鉸，下端橫向設(shè)鉸，由銷栓連接。張拉端設(shè)于上端。吊桿大樣及連接構(gòu)造如圖6所示。

圖6 吊桿大樣及連接構(gòu)造斷面(單位：mm)

3 施工方法及主要施工步驟

為不影響河道正常通航，采用“先梁后拱”的施工方法，在建成的橋面上進行鋼管拱肋的架設(shè)，鋼管拱采用矮支架拼裝、豎向轉(zhuǎn)體合龍到位的施工技術(shù)，不僅技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理，而且安全可靠，避免了高空作業(yè)，還加快了施工速度[12]。其主要施工步驟如下：利用掛籃懸臂澆筑主梁，同時施工拱座預(yù)埋段；合龍主梁邊跨，拆除主墩邊跨側(cè)臨時支撐；澆筑中跨超打梁段，合龍主梁中跨；以橋面為工作面，矮支架拼裝鋼管拱肋，利用橋面塔架和其他設(shè)備，使鋼管拱肋豎向轉(zhuǎn)體就位，合龍拱頂，固結(jié)拱腳；依次灌注拱肋上弦桿、下弦桿、綴板內(nèi)混凝土；按指定次序一次張拉吊桿(為施工方便，不考慮二次張拉)；最后拆除主墩中跨側(cè)臨時支墩，施工橋面系，測試吊桿力并調(diào)整吊桿力至設(shè)計目標值。

4 結(jié)構(gòu)計算分析

4.1 縱向靜力計算

根據(jù)采用的施工方法和擬定的施工步驟按平面桿系進行縱向計算分析，以空間計算進行校核。

根據(jù)橋址處氣候條件，結(jié)構(gòu)整體升、降溫分別為20、-25 ℃，拱肋、吊桿與主梁的溫差按±10 ℃計算，主梁頂板非線性升溫按+5 ℃計算。其他設(shè)計荷載及相關(guān)參數(shù)的取值按現(xiàn)行鐵路規(guī)范執(zhí)行?？v向計算模型如圖7所示。

圖7 縱向計算模型

主梁縱向按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計，鋼管混凝土組合截面根據(jù)豎向抗彎剛度等效的原則轉(zhuǎn)換為矩形截面的混凝土拱肋，并考慮混凝土收縮、徐變效應(yīng)，拱肋與梁在連接處固結(jié)。綜合考慮主梁、拱肋的受力和變形等因素，確定吊桿的張拉順序和初張力。

(1)施工階段按指定順序和初張力張拉吊桿時，拱肋的檢算不控制設(shè)計；吊桿最大拉力為1 822 kN，安全強度系數(shù)為2.6；主梁上、下緣最大壓應(yīng)力分別為12.6、14.0 MPa，最大拉應(yīng)力分別為-0.29～1.38 MPa，設(shè)計應(yīng)力均滿足施工階段應(yīng)力要求。

(2)成橋時主梁恒載的彎矩、剪力、軸力和上、下緣應(yīng)力如圖8所示，拱肋的彎矩、剪力、軸力如圖9所示。

圖8 成橋時主梁彎矩、剪力、軸力及應(yīng)力圖

圖9 成橋時拱肋彎矩、剪力、軸力圖

從以上各圖中可以看出，在成橋時主梁剪力較小，中支點處由于梁和拱的共同作用，負彎矩峰值削減明顯，中跨由于吊桿的吊掛作用，全部表現(xiàn)為負彎矩，但負彎矩值較小且在一定范圍內(nèi)較均勻，為活載留有一定的負彎距儲備；主梁上、下緣應(yīng)力均小于10 MPa，最大應(yīng)力差5.9 MPa，小于0.4倍的主梁混凝土軸心抗壓強度；拱肋接近拱座處的彎矩稍大，剪力和軸力較均勻，結(jié)構(gòu)受力比較合理。

(3)運營階段計算結(jié)果

①主梁按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計，縱向主要檢算結(jié)果如表1所示。

表1 運營階段主梁計算指標

從表1可以看出，主梁設(shè)計應(yīng)力、正截面抗彎強度安全系數(shù)和抗裂安全系數(shù)[5]均滿足規(guī)范要求，并留有一定的安全儲備。

②主梁的變形、變位和梁端轉(zhuǎn)角[6-7]。

運營階段在0.6UIC靜活載作用和溫度變化作用下，主梁最大豎向撓度和容許撓度值如表2所示。

表2 運營階段豎向撓度指標

在0.6UIC靜活載作用下，梁端豎向轉(zhuǎn)角0.35‰，小于1‰限值；在列車橫向搖擺力，離心力、風力、和溫度力的作用下梁體的水平撓度為5.6 mm，小于計算跨度的1/4 000限值；按擬定的施工步驟，成橋1 500 d后，主梁邊跨跨中徐變上拱值為3.0 mm，中跨跨中徐變下?lián)现禐?7.9 mm，豎向殘余徐變變形均小于L/5 000且不大于20 mm，滿足規(guī)范要求。

4.2 主梁橫向計算

主梁橫向分別按有吊桿區(qū)、無吊桿區(qū)計算。橋面板上的恒、活載按實際的位置進行加載計算，活載考慮橋上線路的分布作用。縱向計算長度按一個軸的荷載在橋面板上的有效分布寬度取值，計算模型簡化為三點支承的框架，按剛性支撐和彈性支撐分別計算。其荷載工況按日照、寒潮兩種模式考慮。溫度圖式如圖10所示。

圖10 環(huán)框橫向溫度計算圖示

4.3 拱肋檢算

拱肋為鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，按鋼筋混凝土理論檢算截面強度。運營階段最不利荷載組合作用下，拱肋屬小偏心受壓構(gòu)件，鋼管及鋼管內(nèi)混凝土檢算結(jié)果見表3。

表3 運營階段正應(yīng)力計算結(jié)果 MPa

計算結(jié)果表明鋼管內(nèi)混凝土未出現(xiàn)拉應(yīng)力，拱肋鋼管和鋼管內(nèi)混凝土正應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

拱肋按承受最大水平推力的中心受壓桿件檢算其在拱平面內(nèi)的穩(wěn)定性[3]。經(jīng)計算，在運營狀態(tài)主力作用下，拱肋平面內(nèi)穩(wěn)定安全系數(shù)為6.5，滿足要求。

4.4 吊桿檢算

根據(jù)橋梁縱向計算分析，為施工方便，吊桿考慮一次張拉完成。施工階段吊桿的安全強度系數(shù)按不小于2.0控制，運營和維修更換吊桿時按不小于3.0控制。經(jīng)計算，運營階段恒載作用下單根吊桿力最大為612.7 kN，活載作用下單根吊桿力最大為194.0 kN；主力作用下單根吊桿力最大為789.3 kN，強度安全系數(shù)6.1；主+附加力作用下單根吊桿力最大為824.8 kN，安全強度系數(shù)5.8；吊桿疲勞應(yīng)力幅為31.8 MPa。

成橋1 500 d后，在恒、活載的作用下，吊桿力總和為46 676 kN，其中承擔二期恒載3454.0 kN，占總吊桿力的7.4%，承擔活載12 229.1 kN，占總吊桿力的26.2%。

4.5 拱腳節(jié)點及0號塊局部應(yīng)力分析

拱腳處鋼管拱肋埋入拱座，并伸入主梁1 m，通過構(gòu)造鋼筋和預(yù)應(yīng)力粗鋼筋與主梁0號塊形成整體。0號塊不僅要傳遞拱肋巨大的水平推力和壓力，還要承受主梁傳來的縱、橫向彎矩和剪力，受力復(fù)雜，同時也是縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力筋的高應(yīng)力區(qū)，是設(shè)計的關(guān)鍵部位。為定性分析拱腳處拱肋與0號塊的受力狀態(tài)，利用通用軟件midas FEA建立空間實體模型，進行局部應(yīng)力分析。計算荷載工況為結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、體系溫度、溫度梯度和活載的最不利組合工況。拱腳節(jié)點及0號塊局部實體模型如圖11所示。

圖11 拱腳節(jié)點及0號塊局部實體模型

分析結(jié)果表明，在最不利荷載工況下，0號塊整體表現(xiàn)為受壓，梁底支座處、鋼管拱肋末端與0號塊連接處混凝土局部壓應(yīng)力較大，且出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；鋼管拱肋末端外側(cè)的混凝土出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，應(yīng)力集中明顯；0號塊頂面未出現(xiàn)拉應(yīng)力。設(shè)計時應(yīng)采取措施，在拱座內(nèi)的拱肋鋼管外側(cè)設(shè)置剪力釘，使鋼管和管內(nèi)混凝土共同受力，均勻傳力給拱座；支座頂梁體混凝土和拱肋端部混凝土內(nèi)應(yīng)加強普通鋼筋的配置，緩解應(yīng)力集中；拱座和0號塊部分混凝土應(yīng)采用聚丙烯纖維混凝土，提高其抗拉和抗裂能力。

4.6 橋梁自振特性分析

在結(jié)構(gòu)自由振動分析中，結(jié)構(gòu)的固有振型、頻率是重要的動力特性，是動力計算的基礎(chǔ)，通過建立空間計算模型，有限元方法進行計算。在分析中采用如圖12所示的計算模型，將主梁、拱肋、橫撐及下部結(jié)構(gòu)模擬為各向同性的梁單元，吊桿模擬為只受拉單元。關(guān)于邊界條件，上部主梁和拱各桿件連接處均采用剛接，吊桿按上、下端的變形要求鉸接，梁和墩之間的約束通過主從節(jié)點來模擬，樁基礎(chǔ)通過計算樁頂?shù)刃偠鹊姆椒ㄔ谀Ｐ椭型ㄟ^對應(yīng)彈簧單元來模擬。二期恒載作為均布荷載作用于橋面，并轉(zhuǎn)化為橋面部分質(zhì)量。

圖12 空間計算模型

計算所得的橋梁的自振頻率及振型特點如表4所示。

表4 自振特性分析結(jié)果

自振特性計算結(jié)果表明，橋梁振型首先表現(xiàn)為固定墩縱向彎曲，橋梁縱向剛度略弱于橫向剛度；第2、第3階為拱肋面外彎曲，第4階為拱肋和主梁面外彎曲，面外振動時拱肋橫向剛度弱于主梁橫向剛度；其面內(nèi)豎向彎曲在第5階出現(xiàn)，面內(nèi)振動時，梁與拱肋的振動基本同步。

4.7 車橋耦合動力分析

對列車-橋梁建立空間計算模型，以美國五級譜轉(zhuǎn)換的軌道不平順樣本作為系統(tǒng)激勵，計算國產(chǎn)高速列車先鋒號、中華之星列車以不同車速通過時的車橋動力響應(yīng)。計算結(jié)果表明：①橋梁各工況下最大垂向振動加速度0.241 m/s2，最大橫向振動加速度0.319 m/s2，滿足要求。②兩種列車通過時在所有工況條件下，均未出現(xiàn)明顯的共振。③輪重減載率、脫軌系數(shù)和輪軸橫向力均小于限值，行車安全性滿足要求。④兩種列車以速度160～240 km/h通過橋梁時，斯佩林舒適度指標為優(yōu)；以速度240 km/h(最大檢算速度為1.2倍的設(shè)計速度)通過橋梁時，斯佩林舒適度指標為良。

4.8 空間穩(wěn)定性分析

鋼管混凝土拱肋的剛度相對于主梁較弱，是以受壓為主的壓彎構(gòu)件，其空間穩(wěn)定分為極值點失穩(wěn)和分支屈曲失穩(wěn)，在實際工程中大多通過通用程序進行特征值的求解，以分支屈曲穩(wěn)定控制拱的空間穩(wěn)定[1]。利用通用軟件Midas Civil，采用子空間迭代法進行橋梁模態(tài)分析，計算屈曲失穩(wěn)臨界荷載系數(shù)。荷載布置以使拱承受的軸壓力水平最高為原則，屈曲分析荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、二期恒載和0.6UIC。

計算結(jié)果表明橋梁第一階失穩(wěn)狀態(tài)表現(xiàn)為拱肋反對稱側(cè)傾，如圖13所示，屈曲分析的最小特征值即臨界荷載系數(shù)為6.2。前十階內(nèi)多次出現(xiàn)拱肋的面外彎曲或扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，說明該橋拱肋面外剛度相對于面內(nèi)剛度較小，對整個橋梁的穩(wěn)定起控制作用。因此，提高拱肋面外剛度是提高橋梁穩(wěn)定性的最有效措施。

圖13 橋梁失穩(wěn)模態(tài)

5 結(jié)語

連續(xù)梁拱組合橋包括拱肋、主梁及吊桿組成的中跨和梁式結(jié)構(gòu)的邊跨，邊跨受到中跨拱的剛度影響，減小了邊、中跨比和正彎矩的負擔，擴大了負彎矩的區(qū)域，有利于預(yù)應(yīng)力鋼束的配置；中跨由于拱的加勁，有效的降低了主梁的建筑高度，結(jié)構(gòu)輕盈，造型美觀。計算分析表明梁拱組合結(jié)構(gòu)受力合理，增大了橋梁結(jié)構(gòu)的剛度，具有優(yōu)良的動力性能和可靠的穩(wěn)定性，各項設(shè)計計算值均滿足規(guī)范要求，能滿足列車高速運行時對橋梁設(shè)計的要求。

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