大西客運(yùn)專線(74.9+148+128+148+74.9)m連續(xù)梁拱設(shè)計(jì)研究

鄒 巖

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 概述

大西客運(yùn)專線跨北同蒲鐵路特大橋主橋采用(74.9+148+128+148+74.9)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁拱的組合結(jié)構(gòu)。主橋橋形布置見(jiàn)圖1。

圖1 主橋橋形布置 (單位：cm)

(1)設(shè)計(jì)活載：ZK標(biāo)準(zhǔn)活載。

(2)設(shè)計(jì)速度：正線250 km/h,按照350 km/h控制。

(3)線路指標(biāo)：雙線客運(yùn)專線,電氣化,線間距5 m,主橋平面位于緩和曲線(擬合半徑為4 800 m)上,立面位于9‰縱坡上。

(4)設(shè)計(jì)恒載：結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)采用；二期恒載按143.6 kN/m計(jì)算。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主梁構(gòu)造

主梁采用單箱雙室變高度箱形截面,跨中及邊支點(diǎn)處梁高4.3 m,中支點(diǎn)處梁高8.0 m,梁高按二次拋物線變化。主梁頂寬15.8 m,邊支點(diǎn)處考慮與鄰跨標(biāo)準(zhǔn)梁相接頂寬線性變化為12.0 m；頂板厚0.45 m,中支點(diǎn)處局部頂板厚0.65 m,邊支點(diǎn)處局部頂板厚0.65 m。主梁底寬12.6 m,中支點(diǎn)處局部底寬15.8 m；底板厚度0.35～1.15 m,中支點(diǎn)處局部底板厚1.45 m,邊支點(diǎn)處局部底板厚0.65 m。主梁腹板采用直腹板,中跨及次邊跨中腹板板厚均按折線0.40-0.55-0.70 m變化,在邊支點(diǎn)附近線性增加至0.75 m。支點(diǎn)處及跨中斷面如圖2所示。

圖2 中支點(diǎn)及跨中截面(單位：mm)

主梁共設(shè)14道橫隔板,邊支點(diǎn)橫隔板厚1.5 m,中支點(diǎn)橫隔板厚4.0 m,中支點(diǎn)兩側(cè)9.7 m處橫隔板厚0.4 m,各橫隔板均設(shè)進(jìn)人孔。箱梁于各吊桿處設(shè)置吊點(diǎn)橫梁,吊點(diǎn)橫梁高2.0 m,厚0.4 m,全橋共設(shè)51道吊點(diǎn)橫梁。

主梁共分131個(gè)梁段,梁拱結(jié)合部0號(hào)梁段長(zhǎng)21.4 m,中孔合龍梁段長(zhǎng)3.0 m,邊孔直線梁段長(zhǎng)9.2 m,其余梁段長(zhǎng)分別為3.3 m、3.9 m、4.25 m、5.0 m四種。主梁除0號(hào)梁段、邊孔直線梁段在支架上施工外,其余梁段均采用掛籃懸臂澆筑,懸澆梁段最重3 000 kN。

主梁底板設(shè)泄水孔,邊腹板、中腹板均設(shè)設(shè)通風(fēng)孔。

縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa的高強(qiáng)低松弛鋼絞線,公稱直徑15.2 mm,型號(hào)為15-19和15-17兩種,管道形成采用內(nèi)徑90 mm及100 mm金屬波紋管。

橫向預(yù)應(yīng)力鋼束采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa的高強(qiáng)低松弛鋼絞線,公稱直徑15.2 mm,型號(hào)為15-7。

豎向預(yù)應(yīng)力筋采用φ25 mm預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋,型號(hào)PSB830,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值830 MPa,錨固體系采用JLM-25型錨具；張拉采用YC80型千斤頂；管道形成采用內(nèi)徑35 mm鐵皮管成孔。

2.2 拱肋構(gòu)造

拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu),次邊跨計(jì)算跨度L=148.0 m,設(shè)計(jì)矢高f=29.6 m,矢跨比f(wàn)/L=1∶5,拱軸線采用二次拋物線,設(shè)計(jì)拱軸線方程為y=1/185(148-x)x；中跨計(jì)算跨度L=128.0 m,設(shè)計(jì)矢高f=25.6 m,矢跨比f(wàn)/L=1∶5,拱軸線采用二次拋物線,設(shè)計(jì)拱軸線方程為y=1/160(128-x)x。拱肋設(shè)置預(yù)拱度,其制造及施工均應(yīng)考慮預(yù)拱度的影響。

拱肋采用等高度啞鈴形截面,次邊跨及中跨拱肋截面高度均為3.0 m。拱肋弦管直徑1.0 m,由16 mm厚的鋼板卷制而成,弦管之間用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。兩榀拱肋間橫向中心距14.0 m。拱肋截面如圖3所示。

圖3 拱肋截面(單位:cm)

2.3 橫撐

兩榀拱肋之間共設(shè)7道橫撐,其中6道K形撐1道一字撐。拱肋橫撐采用外徑為1.20 m圓形空鋼管,斜撐采用外徑0.80 m圓形空鋼管,鋼管內(nèi)部不填混凝土。

2.4 吊桿

次邊跨吊桿順橋向間距為7.40 m,中跨吊桿順橋向間距為6.40 m,全橋共設(shè)51對(duì)吊桿。吊桿采用PES(FD)7-91型低應(yīng)力防腐拉索(平行鋼絲束),外套復(fù)合不銹鋼管,配套使用LZM7-91型冷鑄墩頭錨。吊桿固定端設(shè)置在拱肋鋼管內(nèi),吊桿張拉端設(shè)在梁部吊點(diǎn)橫梁處。

2.5 支座

采用客運(yùn)專線鐵路LXQZ系列鋼支座,地震動(dòng)峰加速度值0.3g,各支點(diǎn)橫向布置2個(gè)支座。

3 施工方法

本橋采用“先梁后拱”的施工方法,依次為：利用掛籃懸臂澆筑主梁；依次合龍主梁邊跨、次邊跨和中跨,并張拉相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼束；在橋面架設(shè)支架,拼裝鋼管拱肋；泵送拱肋下管、上管、腹腔內(nèi)混凝土；按指定次序張拉吊桿,調(diào)整吊桿力；施工橋面系；完成全橋施工。

4 全橋靜力計(jì)算

全橋按主梁、拱肋、吊桿順序劃分為856個(gè)單元、596個(gè)節(jié)點(diǎn),對(duì)于梁部、拱肋及橫撐的各桿件采用三維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,其截面特性按照實(shí)際設(shè)計(jì)截面定義。采用“雙單元、共節(jié)點(diǎn)”的方法模擬鋼管混凝土拱肋，吊索采用桁架單元模擬,僅考慮其軸向的拉伸剛度。計(jì)算模型同時(shí)考慮了鋼管混凝土拱肋的實(shí)際形成過(guò)程,鋼管部分先期架設(shè)并參與受力,管內(nèi)混凝土灌注并達(dá)到強(qiáng)度后才參與受力。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件,結(jié)構(gòu)整體升降溫按±25 ℃考慮,升溫時(shí)鋼材比混凝土溫度高15 ℃,降溫時(shí)鋼材比混凝土溫度低10 ℃。運(yùn)營(yíng)階段頂板升溫按8 ℃考慮,不考慮降溫。二期施工之前,梁部頂板裸露,主梁縱、橫向計(jì)算時(shí)頂板全寬考慮20 ℃的升溫。

拱肋內(nèi)混凝土形成整體后,安裝吊桿。根據(jù)分析、計(jì)算確定出合理的張拉順序及張拉力。吊桿初張力為128～438 kN,在施工橋面系后,主梁下?lián)稀⒌鯒U力將自動(dòng)加大,達(dá)到成橋設(shè)計(jì)索力469～569 kN。主要計(jì)算結(jié)構(gòu)如下。

(1)主梁

主梁按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在各種最不利荷載組合下,各控制截面的正應(yīng)力如表1所示。

表1 主梁截面正應(yīng)力 MPa

考慮50%豎向預(yù)應(yīng)力,主梁控制截面主應(yīng)力如表2所示：(表中數(shù)據(jù)正表示主壓應(yīng)力,負(fù)表示主拉應(yīng)力)。

表2 主梁截面主應(yīng)力 MPa

主梁控制截面剪應(yīng)力如表3所示。

表3 梁部截面最大剪應(yīng)力 MPa

主力作用下抗裂安全系數(shù)最小值為1.22,主力+附加力作用下抗裂安全系數(shù)最小值1.22,均滿足規(guī)范要求。在ZK活載作用下,梁部最大豎向靜活載撓度27.66 mm

(2)拱肋強(qiáng)度檢算

拱肋鋼管強(qiáng)度檢算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 拱肋鋼管控制截面正應(yīng)力 MPa

拱肋混凝土強(qiáng)度檢算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 拱肋混凝土控制截面正應(yīng)力 MPa

拱肋整體穩(wěn)定性：拱肋面內(nèi)穩(wěn)定性系數(shù)K=11.5,拱肋面外穩(wěn)定性系數(shù)K=6.5。

(3)K撐強(qiáng)度檢算

K撐強(qiáng)度檢算如表6所示。

表6 主力組合和主力+附加力組合下K撐截面正應(yīng)力 MPa

(4)吊桿檢算

吊桿的內(nèi)力計(jì)算考慮了吊桿力的調(diào)整過(guò)程,吊桿力由恒載及運(yùn)營(yíng)階段荷載引起的吊桿內(nèi)力進(jìn)行組合,其檢算結(jié)果如表7所示。

表7 吊桿主要檢算結(jié)果

以上數(shù)據(jù)表明,吊桿內(nèi)力、應(yīng)力、安全系數(shù)、應(yīng)力幅均在容許范圍內(nèi),滿足規(guī)范要求。

5 動(dòng)力計(jì)算分析

在橋梁動(dòng)力性能方面,根據(jù)給定機(jī)車車輛參數(shù),以德國(guó)低干擾譜轉(zhuǎn)換的時(shí)域軌道不平順樣本作為系統(tǒng)激勵(lì),計(jì)算了本橋在德國(guó)ICE3動(dòng)力分散式高速列車、日本500系動(dòng)力分散式高速列車通過(guò)時(shí)的車橋動(dòng)力響應(yīng),得到如下結(jié)論：

(1)橋梁豎向一階自振頻率為2.03 Hz,橫向一階自振頻率為2.43 Hz。

(2)本計(jì)算所涉及的各工況中,動(dòng)力系數(shù)最大者為1.06,顯示橋梁未發(fā)生明顯地共振現(xiàn)象。

(3)列車速度250～400 km/h時(shí),橋梁各工況下橋梁跨中豎、橫向加速度、脫軌系數(shù)，輪重減載率最大值，輪對(duì)橫向水平力，車體豎、橫向加速度均未超限,滿足行車安全性和平穩(wěn)性要求。

(4)列車速度420 km/h時(shí),兩種列車過(guò)橋輪重減載率均超限,不再滿足行車安全性要求。

(5)兩種列車速度250 km/h時(shí),舒適度等級(jí)為優(yōu)；速度275～350 km/h時(shí),舒適度等級(jí)為良；速度375～420 km/h時(shí),舒適度等級(jí)為合格。

6 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)線路跨越道路和通航河流,橋下凈高受到限制,且需要布置較大的跨度時(shí),連續(xù)梁拱是一種比較合適的橋跨結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)連續(xù)梁拱進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析,發(fā)現(xiàn)該種結(jié)構(gòu)具有較大的豎向剛度和良好的動(dòng)力性能,特別適合高標(biāo)準(zhǔn)鐵路建設(shè)的需要。

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