楊靖

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

鋼筋混凝土板拱結(jié)構(gòu)在鐵路橋梁中的應(yīng)用分析

楊靖

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

上承式鋼筋混凝土板拱適用于地質(zhì)條件較好的地區(qū)，其外形美觀、受力明確、工期短、成橋快，是鐵路橋梁的發(fā)展方向之一。根據(jù)橋址的地形地貌、地質(zhì)條件、水文特征和工程條件，結(jié)合板拱的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，橋渡方案選用跨度42 m的上承式鋼筋混凝土板拱，一跨跨越溝谷。應(yīng)用Midas軟件建立全橋有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜動力特性及穩(wěn)定性計(jì)算分析。分析結(jié)果表明，該橋滿足設(shè)計(jì)要求，板拱結(jié)構(gòu)具有推廣應(yīng)用價值。

雙線鐵路 鐵路橋梁 鋼筋混凝土板拱 應(yīng)用分析

1 工程概況

某鐵路線曹家河中橋?yàn)殡p線橋，位于直線上，坡度13‰，Ⅰ級鐵路，設(shè)計(jì)行車速度200 km/h。橋址位于西秦嶺高山區(qū)，橫跨曹家河中游河段。曹家河為大團(tuán)魚河的支流之一，常流水，水量豐富，流速較大，該段河谷呈“U”字形，地形起伏大，相對高差約120～200 m，交通極為不便。河谷兩岸陡立、基巖裸露，植被茂密，河床內(nèi)無任何水生植物。根據(jù)調(diào)查，基巖片理面產(chǎn)狀穩(wěn)定，無褶皺、斷裂等地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象。地質(zhì)評價結(jié)果表明該段線路為泥石流多發(fā)區(qū)，該河溝為泥石流溝。河床內(nèi)分布大量塊石，最大直徑可達(dá)11 m，大部分直徑3.0～5.0 m。

2 主橋設(shè)計(jì)

2.1 橋式選擇

鋼筋混凝土板拱具有結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、外形美觀和施工方便的優(yōu)點(diǎn)，整體性和橫向穩(wěn)定性好，其施工不需要大型吊裝設(shè)備。由于溝谷中可能落入大塊碎石影響橋墩安全及行洪，在兩岸基礎(chǔ)較好的地區(qū)應(yīng)避免在溝谷中設(shè)置橋墩，盡量實(shí)現(xiàn)一跨過谷。鑒于此，本工程選用跨度42 m的鋼筋混凝土板拱較為合適。

2.2 全橋總體布置

本橋?yàn)榭缍?42 m鋼筋混凝土板拱，拱肋高度8.4 m，矢跨比為1/5。采用拋物線線形。橋臺采用鋼筋混凝土箱形橋臺，橋臺頂面與線路坡度相同，箱底置于完整基巖與拱座基礎(chǔ)之上。全橋總布置見圖1。

圖1 全橋總體布置(單位:cm)

3 板拱結(jié)構(gòu)分析

3.1 板拱構(gòu)造

采用板式拱肋截面，厚度1.0 m，寬度8.0 m。拱軸線采用二次拋物線方程:y=0.019 05x2+s，其中 s為預(yù)拱度設(shè)計(jì)值。拱頂處拱肋與橋面板固結(jié)，厚度1.560 m，寬度8.0 m，固結(jié)處采用倒角形式。

3.2 拱上結(jié)構(gòu)

拱上立柱的主要作用是將橋面荷載傳遞到板拱上。為避免立柱底豎向力過大，引起拱肋在立柱處承受較大集中力，立柱間距不宜大于拱肋跨度的1/6～1/10。本橋拱肋上每隔6.0 m設(shè)一立柱，采用實(shí)腹板形式，立柱與橋面板及拱肋之間固結(jié)。

拱頂立柱之上設(shè)置8.0 m×6.0 m的橋面板，兩端支承于橋臺上。橋面縱梁采用等高度鋼筋混凝土連續(xù)梁，實(shí)腹板截面，梁高0.506 m，梁寬11.36 m。橋面縱梁采用現(xiàn)澆懸臂式人行道?？v梁與拱頂及立柱之間固結(jié)，整體現(xiàn)澆。

3.3 拱座基礎(chǔ)

拱座基礎(chǔ)就山勢設(shè)置，為楔形截面，置于千枚巖弱風(fēng)化層。蘭州側(cè)拱座尺寸:縱向長度6.00 m，橫向長度10.00 m，高度6.75 m。重慶側(cè)拱座尺寸:縱向長度6.8 m，橫向長度10.0 m，高度7.0 m。施工時須注意拱座底部與山體間臺階的設(shè)置，并嚴(yán)格控制拱肋的定位，確保拱肋的坐標(biāo)和傾角準(zhǔn)確。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 靜力計(jì)算分析

4.1.1 主要設(shè)計(jì)荷載

1)二期恒載包括人行道、擋砟墻、鋼軌、扣件、軌道板、砂漿墊層和管線，采用121 kN/m。

2)收縮徐變按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.3—2005)中的規(guī)定采用?；炷疗骄虞d齡期按 7 d計(jì)，終極齡期按1 500 d計(jì)。

3)設(shè)計(jì)活載采用中活載，拱及拱上立柱動力系數(shù)為

式中:λ為臨界荷載系數(shù);L為橋跨跨度;f為自振頻率。

橋面板動力系數(shù)為

式中:α=4(1－h(huán))≤2，h為橋跨頂上填土厚度。

4)列車制動力為582 kN。

5)拱肋合龍溫度采用10～15℃。當(dāng)?shù)?月平均氣溫24℃，1月平均氣溫－2℃。整體升溫:24－10= 14℃，計(jì)算時取20℃。整體降溫:－15－2=－17℃，計(jì)算時?。?5℃。橋面板考慮非均勻升溫5℃。

4.1.2 主要計(jì)算結(jié)果

1)拱

選擇拱腳、1#立柱處、2#立柱處、1/4拱處、Ⅰ-Ⅰ截面和拱頂作為控制截面，見圖2。其中，拱腳、1/4拱處和拱頂截面應(yīng)力及裂縫情況見表1。由表1可知，拱腳截面受配筋控制，其余截面內(nèi)力均較小。

圖2 截面位置示意

表1 拱肋計(jì)算結(jié)果

拱座計(jì)算時，拱肋、橋臺及拱座自重的外力均分解至拱座斜面中心計(jì)算，不考慮對基礎(chǔ)背面地基的影響。拱座底面穩(wěn)定計(jì)算參照《公路橋涵設(shè)計(jì)手冊——墩臺與基礎(chǔ)》(第2版)，計(jì)算結(jié)果見表2。

2)拱上立柱

1#及2#立柱截面應(yīng)力均受主力控制，按小偏心受壓構(gòu)件計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 拱座穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3)拱上橋面板

計(jì)算了跨中、支點(diǎn)控制截面在不同荷載組合作用下的荷載效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 拱上立柱受力計(jì)算結(jié)果

表4 橋面板計(jì)算結(jié)果

4.2 預(yù)拱度的計(jì)算

截面剛度為0.8EI，徐變應(yīng)用Midas軟件計(jì)算，收縮采用升溫15℃，降溫采用22℃。拱頂位移見表5。

表5 拱頂位移cm

4.3 動力特性分析

設(shè)計(jì)地震動峰值加速度為0.20g，動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。應(yīng)用Midas軟件對空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力特性分析，得到結(jié)構(gòu)前5階自振周期及振型，見表6。結(jié)構(gòu)第1階振型為梁拱面內(nèi)反對稱縱向撓曲振動，自振頻率為3.879 Hz，周期＜1.7 s。結(jié)構(gòu)第2階振型為梁拱面外對稱橫向撓曲振動，自振頻率為7.437 Hz，周期＜1.7 s。第1，2階振型見圖3。

表6 結(jié)構(gòu)自振特性

4.4 穩(wěn)定分析

采用Midas軟件對模型進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，荷載考慮自重+二期恒載+靜活載。靜活載加載方式為全橋均布加載。

拱肋縱向穩(wěn)定計(jì)算得出臨界荷載系數(shù)為28;拱肋橫向穩(wěn)定計(jì)算得出臨界荷載系數(shù)為35?？梢?，該橋縱、橫向穩(wěn)定性均很好。

圖3 板拱結(jié)構(gòu)振型

5 施工步驟

該橋施工采用支架現(xiàn)澆拱肋(含拱頂實(shí)體段)、拱頂立柱及橋面板。

施工步驟:①清理橋臺處邊坡危石并刷方，加固邊坡，施工拱座基礎(chǔ);②架設(shè)板拱支架，施工板拱及拱頂實(shí)體段;③施工拱頂立柱及橋臺;④搭設(shè)橋面板支架，澆筑橋面板混凝土;⑤拆除板拱支架及橋面板支架，施工橋面工程。

6 結(jié)語

受制于地形地質(zhì)條件，橋址交通極為不便，大型設(shè)備難以進(jìn)入施工場地，大型泥石流攜帶巨石對于橋渡范圍內(nèi)設(shè)置的橋墩可能造成危害。設(shè)計(jì)采用一跨跨越河谷的簡單板拱結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)靜動力特性及穩(wěn)定性進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算與分析。板拱結(jié)構(gòu)造型美觀，圬工量小，造價低，施工環(huán)節(jié)較少，工期短，成橋快，具有推廣價值。

［1］李亞東.橋梁工程概論［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2001.

［2］范立礎(chǔ).橋梁工程:下冊［M］.2版.北京:人民交通出版社，2014.

［3］續(xù)宗寶.140 m雙線鐵路上承式勁性骨架混凝土拱橋設(shè)計(jì)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(2):65-68.

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［5］陳寶春.鋼管混凝土拱橋［M］.北京:人民交通出版社，2007.

(責(zé)任審編 鄭 冰)

U448.34

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.05

2015-05-06;

:2015-08-06

楊靖(1979— )，男，陜西渭南人，工程師。

1003-1995(2015)09-0015-03