單線鐵路大跨度連續梁拱組合結構設計

朱林根

(中鐵上海設計院集團有限公司,上海 200070)

1 工程概況

京杭運河特大橋是新建宿州至淮安鐵路的重要節點工程。主橋采用(62+132+62)m單線連續梁拱組合結構。主要技術標準如下。

(1)線路：國鐵Ⅰ級,單線,主橋平面位于直線,縱坡i=4‰,設計行車速度為160 km/h。

(2)設計恒載：混凝土容重26 kN/m3；二期恒載95 kN/m；支點不均勻沉降2 cm。

(3)設計活載：中-活載。

(4)通航等級及通航凈空：Ⅱ級三線航道,90 m×7 m。

(5)建筑限界：橋限-2A(凈寬4.88 m,凈高6.55 m)。

2 主橋結構設計

2.1 主梁構造及節段劃分

主梁為預應力混凝土結構,采用C55混凝土。主梁采用單箱單室箱形截面,中支點處梁高7.0 m,跨中及邊支點處梁高3.5 m,中支點處高跨比1/18.86,跨中處高跨比1/37.71。梁底曲線采用二次拋物線。箱梁頂板寬10.6 m,底板寬6.5 m。頂板厚度0.4 m；底板厚度由跨中0.35 m漸變至根部1.0 m；腹板采用直腹板,厚度為0.40～0.60～0.80～1.0 m,由跨中至支點按照折線變化,中支點附近局部加厚至2.20 m。

主梁在端支點、中支點及吊點處共設18道橫隔板,邊支點橫隔板厚1.5 m,中支點橫隔板厚4.0 m,吊點處橫隔板厚0.35 m。橫隔板設有人孔,供檢查人員通過。

主梁全長257.5 m,共劃分為63個梁段,梁拱結合部0號塊長16 m,中跨和邊跨合龍段長均為2.0 m,邊跨現澆段長4.75 m,其余梁段長分別為2.5、3.5、4.0、4.5 m。主梁0號塊、邊跨現澆段在支架上施工,邊跨合龍段和中跨合龍段采用懸吊支架施工,其余梁段均采用掛籃懸臂澆筑施工。主橋總布置和橫斷面分別見圖1和圖2。

圖1 主橋總布置(單位：cm)

圖2 跨中及中支點橫斷面(單位：cm)

2.2 主梁預應力

主梁設置縱向、豎向雙向預應力。縱向預應力筋采用1×7-15.2-1860-GB/5224-2003預應力鋼絞線。中支點截面上緣共布置52束19-φs15.2 mm頂板束和38束17-φs15.2 mm腹板下彎束；邊跨底板布置12束15-φs15.2 mm鋼束,邊跨頂板布置2束19-φs15.2 mm鋼束；中跨跨中底板布置16束17-φs15.2 mm鋼束,中跨跨中頂板布置4束17-φs15.2 mm鋼束。縱向預應力鋼束采用OVM錨具,金屬波紋管成孔,兩端張拉,張拉控制應力分為1 265、1 302 MPa和1 339.2 MPa 3種。

豎向預應力采用φ32 mm高強精軋螺紋鋼筋,型號為PSB830。順橋向間距0.5 m,內徑45 mm鐵皮管成孔。腹板厚1.0 m和0.8 m的梁段,橫橋向各腹板布置兩根φ32 mm豎向預應力鋼筋；腹板厚0.6 m、0.4 m的梁段,橫橋向各腹板布置1根φ32 mm豎向預應力鋼筋,豎向預應力均于梁頂張拉。

2.3 拱肋構造

拱肋采用鋼管混凝土結構,計算跨度L=132 m,設計矢高f=22 m,矢跨比f/L=1/6,拱軸線采用二次拋物線,設計拱軸方程為Y=-1/198X2+2/3·X。拱肋采用等高度啞鈴形截面,截面高度2.8 m,拱肋鋼管直徑φ1.0 m,由16 mm厚的鋼板卷制而成,鋼管之間用16 mm厚鋼綴板連接,拱肋鋼管及綴板采用Q345qD鋼,其內填充C50無收縮混凝土。兩榀拱肋橫向中心距7.2 m。

2.4 橫撐

全橋共設置了4道K撐和3道一字撐。一字形撐和K形撐的橫撐采用外直徑0.7 m,壁厚20 mm的圓鋼管,K形撐的斜撐采用外直徑0.5 m,壁厚20 mm的圓鋼管。橫撐和斜撐均采用Q235qD鋼材,內部不填混凝土。橫撐布置如圖3所示。

圖3 橫撐布置(單位：cm)

2.5 吊桿

吊桿順橋向間距8 m,全橋共設14對吊桿。吊桿采用OVM PES(FD)7-85型低應力防腐拉索(平行鋼絲束),抗拉強度標準值fpk=1 670 MPa,Ep=2.0×105MPa。吊桿采用雙層HDPE護層,并外套不銹鋼護套。錨具采用LZM7-85冷鑄墩頭錨。吊桿上端錨于拱肋下緣,對應吊桿處,拱肋下緣設置鋼錨箱。吊桿下端通過箱梁外側翼緣板錨于底板底,錨固處箱梁腹板向外側局部加厚。吊桿在下端張拉,錨固形式考慮了更換吊桿的需要。

3 施工方法

該橋采用“先梁后拱”施工方法,主要施工步驟為：利用掛籃懸臂澆筑主梁；合龍主梁邊孔；合龍主梁中孔；在橋面搭設支架,拼裝鋼管拱肋；頂升拱肋下管、上管、腹腔內混凝土；按指定次序張拉吊桿；施工橋面系；完成全橋施工。

4 主要計算結果

主梁在成橋階段及運營階段的正應力見表1,主梁抗裂及強度計算見表2,拱肋正應力計算結果見表3。

表1 主梁正應力計算結果 MPa

表2 主梁抗裂及強度計算結果

表3 拱肋正應力計算結果 MPa

從表1～表3可見,主梁正應力、抗裂、強度及拱肋正應力均滿足規范要求。

理論計算殘余徐變變形：中跨跨中上拱16 mm,邊跨跨中下撓4.9 mm。

在中-活載作用下,主梁最大靜活載撓度-19.4 mm,撓跨比1/6 804,小于限值L/900,梁端豎向轉角0.67‰,小于限值3‰。

5 結構自振特性

采用通用有限元軟件建立空間模型,主梁的頂板、底板、腹板采用板單元,墩頂0號塊及拱腳采用實體單元,拱肋采用梁單元,吊桿采用索單元,橫撐采用梁單元。不考慮下部結構時,結構的自振特性見表4。

表4 結構自振特性計算結果(不考慮下部結構)

從結構自振特性的計算結果可以看出：

橋梁的第1階振型為拱對稱橫彎,頻率為0.546 Hz;第2階振型為拱反對稱橫彎,頻率為1.023 Hz。拱肋的面外振型先出現,表明拱的面內剛度大于面外剛度,因為拱肋面內振動要引起主梁的振動,所以阻力大,頻率高,面內振型出現晚于面外振型。

鋼管混凝土拱肋提高了橋梁的豎向剛度,使橋梁的豎彎振型的頻率較高,主梁一階豎彎振型頻率為1.519 Hz。

主梁橫彎的振型出現較晚,一階橫彎振型的頻率為1.694 Hz>55/L0.8=55/1320.8=1.11 Hz,表明混凝土連續梁拱具有較大的橫向剛度,連續梁拱組合橋的橫向振動首先表現為拱肋的橫向振動。與同類型大跨度橋梁結構的自振頻率相比,該橋具有良好的豎向和橫向剛度。

6 橫撐布置對整體穩定的影響

為了研究橫撐布置形式對連續梁拱整體穩定的影響,考慮以下4種布置形式。

橫撐布置形式一：6道K撐+1道一字撐；

橫撐布置形式二：4道K撐+3道一字撐；

橫撐布置形式三：7道一字撐；

橫撐布置形式四：4道K撐+1道一字撐；

各種橫撐布置形式下的整體穩定系數見表5。

表5 不同橫撐布置形式的整體穩定系數

從表中可以看出,6道K撐和1道一字撐布置形式時,結構的整體穩定系數最高,為7.462；而7道一字撐布置形式穩定系數最低,為3.878。根據國內鋼管混凝土拱橋設計經驗,由于一類穩定計算沒有考慮材料非線性和幾何非線性,通常一類穩定系數要求取4.0以上[1]。因此,橫撐布置形式采用4道K撐+3道一字撐的布置形式。

7 結論

(1)鋼管混凝土連續梁拱橋作為一種組合結構,當采用先梁后拱,且主梁采用懸臂澆筑施工時,主梁為主要承重結構。拱和梁共同承受二期恒載和列車活載。

(2)拱肋能顯著提高主梁的豎向剛度,對主梁橫向剛度的影響較小。鐵路連續梁的中支點截面的高跨比一般為112～115,與之相比,連續梁拱組合結構由于拱肋對主梁的加勁作用,主梁可以采用較小的高跨比(本橋高跨比1/18.86),從而著降低結構高度,在線路高程受限制地區,連續梁拱組合結構具有很大優越性。

(3)橫撐布置形式對結構整體穩定影響較大。對于(62+132+62)m單線連續梁拱,采用4道K撐+3道一字撐時,結構整體穩定系數為5.639,滿足規范要求。

(4)本橋作為國內最大跨度的單線鐵路連續梁拱組合結構,為今后同類橋梁的設計與建造提供了一定的經驗。

[1] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工[M].北京：人民交通出版社,2000.

[2] 李國豪.橋梁結構穩定與振動[M].北京：中國鐵道出版社,2003.

[3] 吳清明.復合鋼管混凝土橋梁研究與實踐[M].北京：人民交通出版社,2007.

[4] 王 禎,李鳳芹,王召祜.青藏鐵路拉薩河特大橋主橋設計[J].鐵道標準設計,2004(6):1-3.

[5] 竇建軍,張海榮.京津城際(60+128+60)m連續梁拱設計簡介[J].鐵道標準設計,2007(2):14-17.

[6] 黃納新.溫福鐵路昆陽特大橋主橋連續梁拱施工設計[J].鐵道標準設計,2005(11)：31-33.