半穿式鋼管混凝土拱橋設(shè)計研究

吳文華,雷曉峰

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)橋梁隧道處,陜西西安 710043)

1 工程背景

大理至瑞麗鐵路是泛亞鐵路的重要組成部分,是我國進(jìn)出印度洋的便捷通道。瀾滄江大橋是該線的重點控制性工程,位于永平縣杉陽鎮(zhèn)與保山市水寨鎮(zhèn)的分界處,橋位下游300 m處是著名的古霽虹橋。該橋為預(yù)留雙線橋,一次建成,設(shè)計活載為中活載。建橋條件分析如下(圖1)。

圖1 建橋條件分析

(1)橋位處河谷狹窄,兩岸山體險峻陡峭,線路距江水面高達(dá)280 m。

(2)結(jié)合兩岸地形,跨越瀾滄江必須采用大于320 m的跨徑。

(3)大橋位于8度地震區(qū)。

(4)交通運輸條件較差,場地十分狹窄,施工條件極其困難。

(5)基巖較為完整,但有明顯的垂直節(jié)理發(fā)育,適宜修建有推力結(jié)構(gòu)。

2 半穿式鋼管混凝土拱橋方案的優(yōu)缺點

鋼管混凝土由于鋼管對混凝土的緊箍作用,使混凝土的抗壓強(qiáng)度大大提高,而且還由脆性材料轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄圆牧?基本性能起了質(zhì)的變化。同時,薄壁鋼管的承載力決定于薄壁的局部穩(wěn)定,屈服強(qiáng)度常得不到充分利用。用作鋼管混凝土?xí)r,內(nèi)部存在混凝土,提高了薄壁的局部穩(wěn)定性,其屈服強(qiáng)度可以充分利用,且鋼管在此應(yīng)力狀態(tài)下鋼材的屈服強(qiáng)度降低,而塑性變形能力增大,更有利于鋼材的充分利用。因此,鋼管混凝土抗震性能優(yōu)越,尤其是在罕遇地震條件下,由于結(jié)構(gòu)的延性明顯優(yōu)于常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu),更有利于實現(xiàn)延性設(shè)計的目的。施工過程中,鋼管本身既是承重骨架又是耐側(cè)壓的模板,施工簡便,可有效縮短工期、降低施工風(fēng)險及工程造價。鋼管混凝土橋仍是大跨度橋梁設(shè)計中的有力競爭方案之一。雖然近年來發(fā)現(xiàn)鋼管混凝土拱橋存在鋼管內(nèi)混凝土不密實的問題,但通過改進(jìn)施工工藝,并在結(jié)構(gòu)計算時予以考慮,結(jié)構(gòu)安全是有保障的。

常規(guī)的大跨度鋼管混凝土提籃拱橋,由于拱上立柱較高,且橫向聯(lián)結(jié)系的剛度相對較弱,從而導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的橫向剛度大幅降低,難以滿足列車運行的安全性和舒適性的要求,這一點已經(jīng)為國內(nèi)大跨度拱橋?qū)崪y振幅大幅度超限的測試結(jié)果所證實。同時以往拱上建筑多采用簡支梁結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的縱向剛度較弱,對高烈度區(qū)橋梁的抗震十分不利,且難以適應(yīng)橋上無縫線路對結(jié)構(gòu)剛度的要求。這些問題制約了該橋型在鐵路橋梁中的應(yīng)用。

采用半穿式提籃拱結(jié)構(gòu),使拱上立柱高度降低約10 m；同時由于拱頂140 m范圍內(nèi)兩側(cè)拱肋由混凝土梁實現(xiàn)了剛性連接,每處立柱下拱肋之間也設(shè)有剛性橫梁,從而大幅度提高了結(jié)構(gòu)整體橫向剛度。結(jié)構(gòu)效果見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)效果圖

上部結(jié)構(gòu)采用剛構(gòu)連續(xù)梁形式,從而提高了上部結(jié)構(gòu)的縱向抗推剛度,以滿足鋪設(shè)無縫線路的需要,提高了拱上建筑的抗震性能。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

主橋在布置橋跨時,根據(jù)兩岸地質(zhì)地形條件、主拱受力及控制立柱高度,確定跨徑和矢高,在拱座頂面設(shè)置交界墩,從而確定了主橋拱跨為368 m,矢跨比1∶4.5,拱上橋跨共10孔,跨徑為5×25 m+140 m拱頂段+5×25 m,兩岸引橋各為2-25 m,引橋與拱上橋跨連成連續(xù)剛構(gòu)體系(圖3)。全橋縱向為平坡,橫向設(shè)2%的人字坡。

圖3 立面效果圖

3.2 拱肋結(jié)構(gòu)設(shè)計

拱肋為啞鈴形鋼管混凝土主弦桿和箱形鋼腹桿組成的空間桁架結(jié)構(gòu)；拱頂桁高8 m,拱腳桁高12 m；兩片拱肋拱頂間距16 m,拱腳間距24 m；單肋橫向?qū)? m。每道拱肋上、下弦桿均為2根φ1 200 mm×30(24) mm的鋼管和寬度為0.8 m的兩塊鋼板組成的啞鈴形截面、內(nèi)灌C60混凝土,并通過箱形截面腹桿及橫向斜桿組成空間穩(wěn)定體系；兩片拱肋間順拱軸方向設(shè)10道混凝土橫梁及18道鋼管“K”形橫撐。

3.3 拱座結(jié)構(gòu)設(shè)計

主拱座采用整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),拱座基礎(chǔ)應(yīng)置于穩(wěn)定完整的弱風(fēng)化基巖內(nèi)。

3.4 箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

橋面主梁均采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,箱梁與橋墩及立柱固結(jié)形成剛構(gòu)體系；箱梁截面為雙箱單室,橋面寬12 m,中支點梁高為4 m,跨中及邊跨梁端為2 m。

3.5 拱上立柱和邊墩結(jié)構(gòu)設(shè)計

拱上立柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；1、2、3號立柱箱形雙柱式立柱； 4號立柱為板式,底部設(shè)半徑為8 m的圓??；0號立柱柱高70 m,采用單箱3室截面；邊墩為鋼筋混凝土薄壁空心墩。

4 結(jié)構(gòu)分析計算

4.1 部分靜力結(jié)果(表1～表3)

表1 拱肋恒載內(nèi)力結(jié)果

豎向靜活載作用下最大撓度5.05 cm,為計算跨徑的1/7 287,結(jié)構(gòu)的豎向剛度良好。

表2 拱肋主力作用下內(nèi)力結(jié)果

表3 拱肋主力作用下應(yīng)力結(jié)果 MPa

4.2 抗震分析

(1)自振特性分析(表4)

表4 前8階自振周期 s

(2)多遇地震作用下的反應(yīng)譜分析

根據(jù)設(shè)計資料,多遇地震地面運動加速度為0.07g,Ⅰ類場地,卓越周期為0.25 s。采用《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50111—2006)的譜曲線對該橋進(jìn)行了反應(yīng)譜分析。多遇地震下,未考慮初始內(nèi)力影響的反應(yīng)譜分析結(jié)果見表5、表6。

表5 順橋向反應(yīng)譜分析

表6 橫橋向反應(yīng)譜分析

(3)罕遇地震作用下的彈塑性地震反應(yīng)分析

彈塑性分析時塑性鉸的設(shè)置原則和依據(jù)：主要承重構(gòu)件梁和拱肋不設(shè)置塑性鉸；立柱和雙薄壁支承上設(shè)置塑性鉸。由于立柱為空心截面,其塑性鉸區(qū)的縱向鋼筋應(yīng)按內(nèi)外雙層配置,計算時假定配筋率為1.0%。

在罕遇地震動作用下,順橋向和橫橋向分別輸入El-centro波的南北分量進(jìn)行彈塑性分析,可得到以下結(jié)論：

①順橋向輸入,立柱的頂部和底部均已開裂且3號立柱和邊墩頂、底部屈服,產(chǎn)生塑性鉸,但未達(dá)到破壞極限狀態(tài)；

②橫橋向輸入,立柱只有0號、1號立柱和邊墩底部開裂；

③主拱肋中未出現(xiàn)塑性鉸。

4.3 車橋耦合分析

(1)列車編組

SS9：SS9+12YZ25B；

SS3：SS3+5C62重+5C62空+5C62重+5C62空；

SS3B：SS3+10C62重+10C62空+10C62重+10C62空；

客客會車：兩速度為140 km/h的SS9牽引的YZ25B客車對開；

貨貨會車：兩速度為80 km/h的SS3B牽引的C62貨車對開；

客貨會車：速度為140 km/h的SS9牽引的YZ25B客車與速度為80 km/h的SS3B牽引的C63貨車對開。

(2)軌道不平順

客車：德國低干擾譜轉(zhuǎn)換的時域不平順；

貨車：美國五級譜轉(zhuǎn)換的時域不平順。

(3)結(jié)論

①SS9牽引的YZ25B客車以60～140 km/h通過橋梁時,滿足橋梁安全性、列車安全性要求,車輛舒適性為優(yōu)。

②SS3牽引的C62貨車以40～80 km/h通過橋梁時,滿足橋梁安全性、列車安全性要求,車輛平穩(wěn)性為良。

③SS3B牽引的C62貨車以40～80 km/h通過橋梁時,滿足橋梁安全性、列車安全性要求,車輛平穩(wěn)性為良。

車橋耦合分析表明,列車運行的安全性及舒適度指標(biāo)均達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

采用半穿式提籃拱結(jié)構(gòu),使拱上立柱高度降低約10 m；同時由于拱頂140 m范圍內(nèi)兩側(cè)拱肋由混凝土梁實現(xiàn)了剛性連接,每處立柱下拱肋之間也設(shè)有剛性橫梁,從而大幅度提高了結(jié)構(gòu)整體橫向剛度,行車安全性和乘車舒適度大幅提高。

上部結(jié)構(gòu)采用剛構(gòu)連續(xù)梁形式,從而提高了上部結(jié)構(gòu)的縱向抗推剛度,以滿足鋪設(shè)無縫線路的需要。

[1]趙經(jīng)文，王宏鈺.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1988.

[2]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社,1996.

[3]鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.