某高速鐵路連續(xù)梁拱組合橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳曉波

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

高速鐵路對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)不僅要求剛度大,而且對(duì)結(jié)構(gòu)變形和動(dòng)力性能要求也非常嚴(yán)格。結(jié)合高速鐵路對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的要求所進(jìn)行的分析研究表明,下承式梁拱組合體系結(jié)構(gòu)高度低、跨越能力大、造型美觀,能夠使拱和梁在受力方面的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮,同時(shí)下承式梁拱組合結(jié)構(gòu)在工程中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1～3]。但是作為一種新型組合結(jié)構(gòu),梁拱組合體系的受力比較復(fù)雜,結(jié)構(gòu)性能也不同于一般的梁和拱,因此有必要對(duì)下承式梁拱組合的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析。

某高速鐵路特大橋設(shè)計(jì)荷載為ZK標(biāo)準(zhǔn)活載,線間距5 m,軌道類型為無(wú)砟軌道。橋址處跨越多條公路及快速環(huán)道,在滿足橋下公路凈空要求的條件下,為降低線路高程,減少橋梁長(zhǎng)度,降低造價(jià),并考慮景觀要求,該橋主橋采用了結(jié)構(gòu)高度低、跨越能力大、造型美觀的鋼管混凝土拱加勁連續(xù)梁的組合結(jié)構(gòu),主跨為136 m,邊跨為70 m,如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位：cm)

2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主梁

主梁為三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),采用單箱雙室變高度箱形截面,如圖2所示。中支點(diǎn)梁高為7.5 m,邊支點(diǎn)及跨中梁高4.0 m,分別為主跨的1/18.1與1/34。

圖2 主梁橫斷面布置(單位：cm)

箱梁頂寬14.4 m,中支點(diǎn)處局部頂寬16.0 m；箱梁頂板厚0.42 m,中支點(diǎn)處局部頂板厚0.92 m,邊支點(diǎn)處局部頂板厚0.72 m；箱梁底寬10.8 m,中支點(diǎn)處局部底寬14.0 m；底板厚度0.35～0.80 m,中支點(diǎn)處局部底板厚1.10 m,邊支點(diǎn)處局部底板厚0.70 m,邊支點(diǎn)處底板設(shè)0.8 m×0.8 m檢查孔。

箱梁采用直腹板,腹板厚分0.40、0.55、0.65 m 3種,中支點(diǎn)處局部腹板厚1.25 m,邊支點(diǎn)處局部腹板厚0.70 m,箱梁各腹板上下交錯(cuò)設(shè)置直徑為φ10 cm的通風(fēng)孔,用以降低箱內(nèi)外溫差。

箱梁共設(shè)5道橫隔板,邊支點(diǎn)橫隔板厚1.4 m,中支點(diǎn)橫隔板厚3.0 m,中孔跨中橫隔板厚0.3 m,各橫隔板均設(shè)進(jìn)人孔。

箱梁于各吊桿處共設(shè)14道吊點(diǎn)橫梁,除靠近拱腳的第一道橫梁高1.5 m外,其余橫梁高均為1.4 m,橫梁厚均為0.4 m。

2.2 加勁拱

加勁拱的計(jì)算跨徑L=136 m,設(shè)計(jì)矢高f=27.2 m,矢跨比f(wàn)/L=1/5,拱軸曲線為拋物線。設(shè)計(jì)拱軸線方程:y=1/170x2+0.8x。

拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu),拱肋采用等高度啞鈴形截面,截面高度2.8 m。拱肋弦管直徑φ0.8 m,由δ=16 mm厚的鋼板卷制而成,弦管之間用δ=16 mm厚鋼綴板連接,拱肋弦管及綴板內(nèi)填充微膨脹混凝土，如圖3所示。

圖3 拱肋截面(單位:cm)

為確保拱肋橫向穩(wěn)定性,兩榀拱肋之間采用空間桁架撐連接,全橋共設(shè)置9道橫撐,各橫撐由4根φ450 mm×12 mm主鋼管和32根φ250 mm×10 mm連接鋼管組成,橫撐鋼管采用Q345qD鋼,內(nèi)部不填混凝土。橫撐截面如圖4所示。

圖4 橫撐截面(單位:cm)

拱肋采用豎直平行吊桿傳力[4]。吊桿順橋向間距8 m,全橋共設(shè)14對(duì)吊桿。吊桿采用PES(FD)7-109型低應(yīng)力防腐拉索(平行鋼絲束),其材料特性fpk=1 670 MPa,Ep=2.0×105MPa。吊桿外套復(fù)合不銹鋼管,配套使用OVMLZM(K)7-109Ⅰ型冷鑄錨。吊桿上端穿過(guò)拱肋錨于拱肋上緣張拉底座,下端錨于吊點(diǎn)橫梁下緣固定底座。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 主梁3.1.1 主梁應(yīng)力

按照施工和運(yùn)營(yíng)分階段進(jìn)行內(nèi)力分析和截面應(yīng)力檢算。計(jì)算時(shí)考慮：自重、二期恒載、施工荷載、混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力、活載、溫度力、支座沉降和體系轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的二次內(nèi)力[5]。主梁控制截面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 主梁控制截面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.1.2 主梁撓度

在ZK活載靜力作用下,主梁最大豎向撓度-0.026 4 m,撓跨比為1/5 151,梁體下?lián)系淖畲罅憾宿D(zhuǎn)角0.766‰；成橋后,1 100 d后,主梁后期徐變上拱18.7 mm,滿足德國(guó)規(guī)范DIN-Fachbericht 103中規(guī)定徐變上拱限值為L(zhǎng)/5 000。

ZK活載靜力作用下產(chǎn)生的撓度值與0.5倍溫度引起的撓度值之和為4.8 cm,撓跨比為1/2 833。0.63倍ZK活載靜力作用下產(chǎn)生的撓度值與全部溫度引起的撓度值之和為2.1 cm,撓跨比為1/6 476。具有足夠的豎向剛度。

3.2 拱肋

主拱肋及橫向聯(lián)接系在拱肋未灌注混凝土前為完全的鋼結(jié)構(gòu)，按鋼結(jié)構(gòu)的要求進(jìn)行檢算,在灌注混凝土后以及在大橋的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)階段,拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[6～8]?，F(xiàn)有鐵路和公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范還沒(méi)有鋼管混凝土的相關(guān)規(guī)定,設(shè)計(jì)參考《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(CECS28：90)設(shè)計(jì)及按“鐵路橋規(guī)”容許應(yīng)力法進(jìn)行檢算[9]。

(1) 運(yùn)營(yíng)階段拱肋鋼管及混凝土正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 運(yùn)營(yíng)階段拱肋鋼管、混凝土正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

3.3 吊桿

運(yùn)營(yíng)階段,在最不利荷載作用下,橫向一組吊桿最大軸力2 684 kN,最大拉應(yīng)力320.0 MPa,強(qiáng)度安全系數(shù)K=5.22。吊桿最大活載應(yīng)力幅131.6 MPa。

3.4 橫向受力分析

主梁橫向分無(wú)吊桿區(qū)和有吊桿區(qū)分別進(jìn)行計(jì)算。無(wú)吊桿區(qū)沿縱向截取單位長(zhǎng)度的主梁梁體,簡(jiǎn)化成腹板下緣三點(diǎn)支撐的雙孔框架,按剛性支撐和彈性支撐包絡(luò)計(jì)算。

有吊桿區(qū)沿縱向截取一定長(zhǎng)度的主梁梁體,簡(jiǎn)化成腹板下緣三點(diǎn)支承的雙孔框架,吊點(diǎn)處加豎向集中力,按剛性支撐和彈性支撐包絡(luò)計(jì)算。

3.5 動(dòng)力分析計(jì)算

(1)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析研究

采用分析程序MIDAS/Civil所建的全橋有限元模型,整體坐標(biāo)系以順橋向?yàn)閄軸,橫橋向?yàn)閅軸,豎向?yàn)閆軸。全橋有限元模型見(jiàn)圖5。

圖5 全橋有限元模型

自振特性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 前5階自振特性計(jì)算結(jié)果 Hz

(2)車橋動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果

對(duì)列車-橋梁建立整體空間模型,并以不同車速過(guò)橋時(shí)對(duì)車橋振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析。當(dāng)國(guó)產(chǎn)高速列車、德國(guó)ICE、日本500系以不超過(guò)420 km/h速度通過(guò)橋梁時(shí),橋梁動(dòng)力響應(yīng)及各車的車體豎、橫向振動(dòng)加速度滿足限值要求,列車行車安全性滿足要求；當(dāng)車速不超過(guò)該橋設(shè)計(jì)車速350 km/h時(shí)列車的乘坐舒適度均達(dá)到“良好”以上,當(dāng)車速不超過(guò)該橋檢算車速420 km/h(120%設(shè)計(jì)車速)時(shí),列車的乘坐舒適度達(dá)到“合格”以上。

4 施工方法及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該橋采用先梁后拱的施工方案,即先完成連續(xù)梁體系的施工,再施工拱肋、張拉吊桿、鋪設(shè)橋面設(shè)施,形成梁拱組合體系。主梁自重主要由連續(xù)梁承受,二期恒載及活載由拱肋與主梁二者共同承受。拱作為以受壓為主的構(gòu)件,具有豎向剛度大的特點(diǎn),形成組合結(jié)構(gòu)以后,在豎向荷載作用下,一部分力通過(guò)吊桿、拱肋直接傳至主梁根部,因此使主梁跨中及支點(diǎn)彎矩得以顯著減小。

5 結(jié)論

(1)連續(xù)梁拱組合橋梁將連續(xù)梁和拱兩種結(jié)構(gòu)體系有機(jī)結(jié)合在一起,使拱與梁在受力方面的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)具有跨越能力大、結(jié)構(gòu)高度低、剛度大、造型美觀、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)鐵路跨越高等級(jí)公路或者大江大河,建筑高度受控,而需要大跨度橋梁跨越時(shí),連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)是一種非常好的橋型。

(2)連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu),梁體自重主要由主梁承擔(dān),二期恒載及活載由梁、拱共同承擔(dān),梁高可根據(jù)拱的結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行調(diào)整,當(dāng)拱的剛度增大時(shí)可進(jìn)一步減少梁高,對(duì)今后類似工程應(yīng)用具有一定的借鑒意義。

[1] 李國(guó)平.連續(xù)梁拱組合橋的性能與特點(diǎn)[J].橋梁建設(shè),1999(1):10-13．

[2] 金成棣.預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合橋梁-設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3] 葉建龍,孫建淵,石 洞.梁拱組合橋柔性吊桿張拉力的確定及分析[J].城市道橋與防洪,1999(4):21-24.

[4] 黃曉彬，李濤，吳定俊.大跨度單線鐵路連續(xù)梁拱橋動(dòng)力特性分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(7)：59-62.

[5] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)[2007]47號(hào) 新建時(shí)速300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007.

[6] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[7] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.3—2005 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[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[8] 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)[2005]157號(hào) 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

[9] 哈爾濱建筑工程學(xué)院，中國(guó)建筑科學(xué)研究院.CECS28：90 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S].北京：中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)，1990.