鄭州至西安鐵路客運(yùn)專線提籃拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)

李義發(fā)

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

鄭州至西安鐵路客運(yùn)專線提籃拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計特點(diǎn)

李義發(fā)

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司武漢430063)

摘要尼爾森體系提籃拱橋造型美觀，可一孔簡支，主橋短，建筑高度低，跨越能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)的豎、橫向剛度大，適應(yīng)整體橋面，造價經(jīng)濟(jì)，施工養(yǎng)護(hù)方便，設(shè)計成系列孔跨應(yīng)用到鐵路客運(yùn)專線前景廣闊，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。文中從國內(nèi)外拱橋的現(xiàn)狀出發(fā)，介紹了尼爾森提籃拱特征，并結(jié)合工程實(shí)例介紹了尼爾森提籃拱的構(gòu)造設(shè)計。

關(guān)鍵詞尼爾森體系提籃拱結(jié)構(gòu)設(shè)計

伴隨著對鋼管混凝土拱橋認(rèn)識的不斷加深，鋼管混凝土新橋型不斷涌現(xiàn)。1995 年在西安安康鐵路上建成了廟溝大橋，跨度有所突破，主跨達(dá)76m，拱肋采用了鋼管混凝土，為上承式有推力結(jié)構(gòu)[1]。在國外，1996年印度建成了戈達(dá)瓦里河鐵路三橋，該橋全長2 731.456m，由28孔97.552m混凝土系桿拱組成[2]；德國跨越美因河的哈瑙—施泰因海姆城市鐵路橋，主拱跨度達(dá) 160.2m，為單線鐵路提籃式鋼箱拱[3]。

尼爾森體系鋼管混凝土拱橋是其中比較獨(dú)特的一種。與其他鋼管混凝土橋相比，它具有如下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[4]：結(jié)構(gòu)力學(xué)性能優(yōu)良；橋梁剛度大，有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；動力性能好，能提供很好的行車安全及舒適度指標(biāo)；結(jié)構(gòu)超載能力強(qiáng)；外部靜定，建筑高度低，橋式美觀。

通過對鄭西線鄭州下行線跨環(huán)城高速特大橋112m提籃拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行的設(shè)計分析，為以后同類橋梁的設(shè)計提供了參考。

1尼爾森體系提籃拱橋特點(diǎn)

1.1提籃拱橋

提籃拱橋，顧名思義，拱肋好比菜籃上的2個提手，向橋中心適當(dāng)側(cè)傾。提籃拱橋就是這樣，通過幾何組成調(diào)整展開角和拱度，改變靜力模式，自重向橋中心集攏，在幾乎不增加工程量的情況下，提高了體系的面外側(cè)向穩(wěn)定性，克服了拱橋設(shè)計和施工中難以處理的側(cè)穩(wěn)問題。實(shí)驗(yàn)表明，同等寬跨比的拱橋采用側(cè)傾的提籃拱橋比常規(guī)拱肋平行的拱橋抗側(cè)傾安全度可提高1倍以上，對超大型拱橋方案，該橋型結(jié)構(gòu)體系有明顯的優(yōu)勢。

1.2尼爾森體系特點(diǎn)

尼爾森體系鋼管混凝土提籃拱橋具有其他形式拱橋不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，其特征如下[5]。

(1)拱肋和系桿的軸向力與豎直吊桿的拱橋相比，軸力沒有顯著的不同，但彎矩大幅度減少了，基本可按軸力的大小來設(shè)計具體的拱軸截面。

(2)適當(dāng)?shù)剡x擇吊桿的間距和傾角，吊桿可僅按拉力設(shè)計。吊桿的設(shè)計內(nèi)力與它在橋長方向的安裝位置沒有多大關(guān)系。對鐵路橋而言，可有效避免鐵路活載大而使部分吊桿失效導(dǎo)致的應(yīng)力重分布。這種重新分布的應(yīng)力，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計的非薄弱截面率先破壞。

(3)尼爾森體系橋梁的最大撓度和其他形式的系桿拱相比，是非常小的。由于斜桿的存在，減少了拱橋的剪切變形，研究表明，尼爾森體系的拱橋是活載撓度較小的結(jié)構(gòu)。即該體系能夠提供較大的縱向剛度。

(4)一般地，尼爾森體系的振動剛度比是其頻率比的2 倍左右，其一階振動頻率為常見拱橋的1. 5～ 4. 0倍，具有較好的動力性能，在相同的行車條件下，跨度越大對尼爾森體系的拱橋越有利。

以上特點(diǎn)較好地解決了鐵路橋梁中列車活載占總荷載比例大、沖擊振動強(qiáng)等帶來的結(jié)構(gòu)剛度和動力問題，為該體系在鐵路橋梁上的運(yùn)用奠定了基礎(chǔ)。

2工程實(shí)例

2.1概況

鄭州至西安鐵路客運(yùn)專線全線橋梁設(shè)計大部分梁部采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，跨越公路、鐵路、河流及水渠等結(jié)構(gòu)物時采用了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、V形墩剛構(gòu)和提籃拱等特殊結(jié)構(gòu)。

下行線跨環(huán)城高速特大橋位于鄭州市郊，全橋長10.8km，主要跨越鄭州四環(huán)線、鄭上路、中原路、南水北調(diào)中線工程及鄭州市環(huán)城高速公路。

線路在DK14+845處跨越鄭上路(新310國道)，橋軸線與公路的交角為43°。公路側(cè)有天然氣管道和軍用電纜，綜合考慮交通、施工等因素，采用112m提籃拱。

2.2主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計速度：200km/h；有碴軌道。

地震烈度：橋址區(qū)域地震動峰值加速度為0.10g。

2.3主橋設(shè)計

梁全長116m，計算跨長為112m，矢跨比為f/l=1/5，拱肋平面內(nèi)矢高22.4m，拱肋采用懸鏈線線型，見圖1。

圖1　提籃拱立面圖

懸鏈線方程為(拱肋平面)：

拱肋橫截面采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高度h=3.0m，沿程等高布置，鋼管直徑為1 200mm，由厚18mm的鋼板卷制而成，每根拱肋的2鋼管之間用δ=16mm的腹板連接。每隔一段距離，在圓形鋼管內(nèi)設(shè)加勁環(huán)、在2腹板中焊接拉筋。

拱肋在橫橋向內(nèi)傾9°，形成提籃式，拱頂處2拱肋中心距8.79m，拱腳處2拱肋中心距15.8m。預(yù)應(yīng)力混凝土系梁，吊桿按尼爾遜體系布置吊桿。

拱腳順橋向8.0m范圍內(nèi)設(shè)成實(shí)體段，橫橋向?qū)挾扔?7.4m增至18.4m，截面漸變處設(shè)倒角或過渡段。實(shí)體段內(nèi)設(shè)9-7φ5的橫向預(yù)應(yīng)力筋，分上下2排布置分批張拉完成。

拱腳混凝土分2次現(xiàn)澆，在現(xiàn)澆第一次混凝土前，應(yīng)將拱肋鋼管、加勁鋼材等安放到位，二期恒載施工完成后澆筑第二次混凝土。

吊桿布置采用尼爾森體系，在吊桿平面內(nèi)，吊桿水平夾角在52.10°～68.67°之間；橫橋向水平夾角為81°。吊桿間距為8m，兩交叉吊桿之間的橫向中心距為341mm。吊桿均采用127根φ7高強(qiáng)低松弛鍍鋅平行鋼絲束，冷鑄鐓頭錨，索體采用PES(FD)低應(yīng)力防腐索體，并外包不銹鋼防護(hù)。

系梁按整體箱形梁布置，采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，橋面箱寬17.4m，梁高2.5m。底板厚度為30cm，頂板厚度為30cm，邊腹板厚度為35cm，中腹板厚度為35cm。底板在3.0m范圍內(nèi)上抬0.50m以減小風(fēng)阻力，見圖2。吊點(diǎn)處設(shè)橫梁，橫梁厚度為0.4～0.6m。系梁縱向設(shè)72束12-7φ5預(yù)應(yīng)力筋，橫向在底板上設(shè)3-7φ5，4-7φ5的橫向預(yù)應(yīng)力筋，橫隔板上設(shè)4束9-7φ5預(yù)應(yīng)力筋。

圖2　系梁橫截面圖(單位：mm)

系梁兩端底板上設(shè)進(jìn)人孔，每個箱室均設(shè)檢查孔，便于在箱內(nèi)對吊桿等進(jìn)行檢查與換索。底板上設(shè)截水槽、泄水孔，邊腹板與中腹板上設(shè)通氣孔。

2拱肋之間共設(shè)5道橫撐，拱頂處設(shè)X形撐，拱頂至2拱腳間設(shè)4道K形橫撐。橫撐由直徑600，500和360mm的圓形鋼管組成，鋼管內(nèi)部不填混凝土，其外表面需作防腐處理。

2.4施工設(shè)計

系桿拱橋擬采用先梁后拱的施工方法，梁部采用支架法施工。

3結(jié)語

介紹了尼爾森體系提籃拱橋的基本受力狀態(tài)和尼爾森體系的特點(diǎn)。針對鄭州至西安鐵路客運(yùn)專線DK14+845處的工程條件，綜合考慮交通施工等因素，選定了112m尼爾森體系提籃拱橋。從拱肋、拱腳、吊桿和系梁等方面介紹了鄭州至西安鐵路客運(yùn)專線112m尼爾森體系提籃拱橋的設(shè)計過程，為以后相同工程條件下的尼爾森體系提籃拱橋設(shè)計提供了參考。

參考文獻(xiàn)

[1]江忠貴．鐵路鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)分析及截面擬定[J]．橋梁建設(shè)，1999(1)：33-36．

[2]孫立軍，張宏超，劉黎萍，等．瀝青路面初期損壞特點(diǎn)和機(jī)理分析[J]．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2002，30(4)：416-421．

[3]陳炳坤．哈瑙—施泰因海姆美因河城市鐵路橋[J]．國外橋梁，1996(2)：1-6．

[4]馮楚橋．高速鐵路無砟軌道 112m尼爾林體系提籃系桿拱橋設(shè)計[J]．鐵道工程學(xué)報，2007(1)：232-235.

[5]小西一郎．鋼橋：第四分冊[M]．戴振藩，譯，北京：人民交通出版社，1981．

武漢公路學(xué)會開展橋梁工程施工技術(shù)交流活動

2014年12月26日下午，武漢公路學(xué)會在蔡甸區(qū)組織開展武漢三官漢江公路大橋工程施工技術(shù)交流活動，來自會員單位的設(shè)計、施工、養(yǎng)護(hù)、科研和教學(xué)等近50名工程技術(shù)人員參加了此次活動。武漢公路學(xué)會理事長張謝東、副理事長何曉鳴及張漢龍出席了交流活動。

武漢三官漢江公路大橋是聯(lián)系蔡甸區(qū)及東西湖區(qū)之間的一條跨漢江通道。該項(xiàng)目全長約7.025km，其中，主橋?yàn)殡p塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，跨徑組合為120m+190m+120m。項(xiàng)目施工單位為中建三局，于2012年3月開工建設(shè)。目前，主橋主跨即將合龍。

與會人員參觀了主橋施工現(xiàn)場，并與項(xiàng)目部進(jìn)行了施工技術(shù)交流。會上，中建三局武漢三官漢江公路大橋項(xiàng)目部總工從樁基、承臺、主墩、主梁、主塔等方面介紹了橋梁施工情況，其施工亮點(diǎn)主要有：承臺采用鎖扣鋼管樁圍堰，0號塊施工采用懸挑托架支撐，斜拉索實(shí)施單根換索實(shí)體試驗(yàn)并形成技術(shù)總結(jié)成果(預(yù)計2015年完成)。中鐵大橋局武漢橋梁科學(xué)研究院武漢三官漢江公路大橋監(jiān)控組技術(shù)人員介紹了橋梁施工監(jiān)控技術(shù)。與會人員還與項(xiàng)目施工技術(shù)人員就主橋鎖扣式鋼管樁圍堰施工技術(shù)、懸挑式托架和斜拉索張拉等技術(shù)問題進(jìn)行了熱烈的討論和交流。

本次活動是武漢公路學(xué)會自2014年11月底換屆后組織的第一次學(xué)術(shù)會議，與會人員通過參加交流活動，進(jìn)一步豐富了橋梁施工技術(shù)知識，活動達(dá)到了預(yù)期效果。

武漢公路學(xué)會

收稿日期：2014-10-19

StructureDesignofBasketHandleArchBridge
ofZhengzhou-Xi'anHigh-speedRailway

Li Yifa

(ChinaRailwaySiyuanSurveyAndDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,China)

Abstract：Nielsen system basket arch bridge has attractive appearance and can be designed as a single-span bridge that will be simply supported. The length of main bridge of the type of the arch bridge is short, building height is low, spanning capacity is great, vertical and lateral stiffness of the structure is strong, and the bridge is also adapt to the overall bridge deck, cost-effectiveness, easy construction and maintenance. If the bridge is designed to have series of span of different length for selection and applied to the passenger dedicated railway line, it will have wide vista of application and the economic and social benefits will be significant. From the present situation of the arch bridge at home and abroad, this paper introduces the characteristics and structure of nelson basket handle arch combined with an engineering example.

Key words:nielsen system； basket handle arch； structure design

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.017