半穿式鋼管混凝土拱橋設計研究

吳文華,雷曉峰

(中鐵第一勘察設計院集團橋梁隧道處,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,位于永平縣杉陽鎮與保山市水寨鎮的分界處,橋位下游300 m處是著名的古霽虹橋。該橋為預留雙線橋,一次建成,設計活載為中活載。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280 m。

(2)結合兩岸地形,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。

(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,但有明顯的垂直節理發育,適宜修建有推力結構。

2 半穿式鋼管混凝土拱橋方案的優缺點

鋼管混凝土由于鋼管對混凝土的緊箍作用,使混凝土的抗壓強度大大提高,而且還由脆性材料轉變為塑性材料,基本性能起了質的變化。同時,薄壁鋼管的承載力決定于薄壁的局部穩定,屈服強度常得不到充分利用。用作鋼管混凝土時,內部存在混凝土,提高了薄壁的局部穩定性,其屈服強度可以充分利用,且鋼管在此應力狀態下鋼材的屈服強度降低,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越,尤其是在罕遇地震條件下,由于結構的延性明顯優于常規混凝土結構,更有利于實現延性設計的目的。施工過程中,鋼管本身既是承重骨架又是耐側壓的模板,施工簡便,可有效縮短工期、降低施工風險及工程造價。鋼管混凝土橋仍是大跨度橋梁設計中的有力競爭方案之一。雖然近年來發現鋼管混凝土拱橋存在鋼管內混凝土不密實的問題,但通過改進施工工藝,并在結構計算時予以考慮,結構安全是有保障的。

常規的大跨度鋼管混凝土提籃拱橋,由于拱上立柱較高,且橫向聯結系的剛度相對較弱,從而導致了結構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,這一點已經為國內大跨度拱橋實測振幅大幅度超限的測試結果所證實。同時以往拱上建筑多采用簡支梁結構,結構的縱向剛度較弱,對高烈度區橋梁的抗震十分不利,且難以適應橋上無縫線路對結構剛度的要求。這些問題制約了該橋型在鐵路橋梁中的應用。

采用半穿式提籃拱結構,使拱上立柱高度降低約10 m；同時由于拱頂140 m范圍內兩側拱肋由混凝土梁實現了剛性連接,每處立柱下拱肋之間也設有剛性橫梁,從而大幅度提高了結構整體橫向剛度。結構效果見圖2。

圖2 結構效果圖

上部結構采用剛構連續梁形式,從而提高了上部結構的縱向抗推剛度,以滿足鋪設無縫線路的需要,提高了拱上建筑的抗震性能。

3 結構設計

3.1 總體設計

主橋在布置橋跨時,根據兩岸地質地形條件、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剛構體系(圖3)。全橋縱向為平坡,橫向設2%的人字坡。

圖3 立面效果圖

3.2 拱肋結構設計

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構；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；單肋橫向寬4 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、內灌C60混凝土,并通過箱形截面腹桿及橫向斜桿組成空間穩定體系；兩片拱肋間順拱軸方向設10道混凝土橫梁及18道鋼管“K”形橫撐。

3.3 拱座結構設計

主拱座采用整體式鋼筋混凝土結構,拱座基礎應置于穩定完整的弱風化基巖內。

3.4 箱梁結構設計

橋面主梁均采用預應力混凝土連續箱梁,箱梁與橋墩及立柱固結形成剛構體系；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 拱上立柱和邊墩結構設計

拱上立柱為鋼筋混凝土結構；1、2、3號立柱箱形雙柱式立柱； 4號立柱為板式,底部設半徑為8 m的圓弧；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 結構分析計算

4.1 部分靜力結果(表1～表3)

表1 拱肋恒載內力結果

豎向靜活載作用下最大撓度5.05 cm,為計算跨徑的1/7 287,結構的豎向剛度良好。

表2 拱肋主力作用下內力結果

表3 拱肋主力作用下應力結果 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譜分析

根據設計資料,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《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111—2006)的譜曲線對該橋進行了反應譜分析。多遇地震下,未考慮初始內力影響的反應譜分析結果見表5、表6。

表5 順橋向反應譜分析

表6 橫橋向反應譜分析

(3)罕遇地震作用下的彈塑性地震反應分析

彈塑性分析時塑性鉸的設置原則和依據：主要承重構件梁和拱肋不設置塑性鉸；立柱和雙薄壁支承上設置塑性鉸。由于立柱為空心截面,其塑性鉸區的縱向鋼筋應按內外雙層配置,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波的南北分量進行彈塑性分析,可得到以下結論：

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,產生塑性鉸,但未達到破壞極限狀態；

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：德國低干擾譜轉換的時域不平順；

貨車：美國五級譜轉換的時域不平順。

(3)結論

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。

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均達到優良標準。

5 結語

采用半穿式提籃拱結構,使拱上立柱高度降低約10 m；同時由于拱頂140 m范圍內兩側拱肋由混凝土梁實現了剛性連接,每處立柱下拱肋之間也設有剛性橫梁,從而大幅度提高了結構整體橫向剛度,行車安全性和乘車舒適度大幅提高。

上部結構采用剛構連續梁形式,從而提高了上部結構的縱向抗推剛度,以滿足鋪設無縫線路的需要。

[1]趙經文，王宏鈺.結構有限元分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,1988.

[2]范立礎.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社,1996.

[3]鐘善桐.鋼管混凝土結構[M].北京：清華大學出版社，2003.