140 m雙線鐵路上承式勁性骨架混凝土拱橋設計

續宗寶

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

1 工程概況

某線主橋為140 m雙線鐵路上承式勁性骨架混凝土拱橋，該橋平面位于直線上,橋上縱坡為7.6‰,為Ⅰ級雙線鐵路,線間距4.6 m,設計行車速度200 km/h。橋址處地勢陡峭,自然坡度35°～55°，為“V”形山間谷地,河谷深切,現為水庫,河床寬50～100 m,兩岸大部分基巖出露。

橋下河道與線路夾角約為90°,通航等級為Ⅵ級航道。該地區月平均最高氣溫27.8 ℃,月平均最低氣溫9.7 ℃。年平均風速0.6 m/s,各月間的風速變幅亦小,最大值與最小值之差僅0.2 m/s。橋址區山體表層為Qdl+el含礫粉質黏土,硬塑,σ0=180 kPa,厚0.5～2.0 m；下伏基巖為J3n2凝灰熔巖,弱風化(W2),σ0=1 000 kPa,灰白色,凝灰結構,裂隙發育。地震動峰值加速度為0.05g。

2 主橋設計構思

2.1 橋式選擇

橋址處兩岸邊坡陡峭,為“V”形山間谷地,河谷深切,地質條件良好,非常適合設置能夠1孔跨越山間河谷、且與周圍環境相協調的上承式拱橋結構。

大跨度上承式拱橋拱肋結構為主要受力構件,其受力形式主要表現為承受軸向壓力。針對鐵路橋梁所承受活載大,要求結構剛度大的特點,為了減輕拱肋結構自重、增加其承載能力和提高結構剛度,拱肋宜采用桁架式鋼管混凝土及箱形勁性骨架鋼筋混凝土結構,兩種結構形式均采用拱肋鋼管作為拱肋混凝土施工的勁性骨架,可以節省支架,方便施工。此結構形式拱橋跨越能力大,是大跨度橋梁的發展方向之一,國內外公路、鐵路均有多個成功的先例,表1列出了幾座鐵路上承式拱橋的簡要情況。相對于鋼管混凝土拱肋,勁性骨架鋼筋混凝土拱肋具有抗扭剛度大、結構穩定性強、后期維修養護小、耐久性能好、鋼材用量少、工程造價低等優點,因此本橋采用上承式勁性骨架鋼筋混凝土拱橋。

表1 國內典型鐵路上承式拱橋一覽

2.2 全橋總體布置

根據線路軌面和拱腳基礎所在位置,并綜合橋址處的地質及橋下通航要求等情況,主橋跨度采用140 m,拱肋高度30.86 m,矢跨比1/4.5,基底置于W2巖層上。全橋孔跨布置為1-24 m簡支T梁+1-140 m拱橋+1-32 m簡支T梁。主拱圈正置,調整拱上立柱的高度來形成線路縱坡。拱上布置4聯3×13.0 m橋面縱梁,交接墩設置于拱座基礎上。全橋總體布置見圖1。

圖1 全橋總體布置(單位：cm)

3 拱橋結構設計

3.1 拱軸系數選擇

拱軸系數是拱橋的重要特征參數,直接影響著拱肋截面內力的分布與大小。本設計分別按2.240、2.514為拱軸系數,進行分析計算比較拱肋在恒載作用下的拱肋內力,比較結果見表2。從表2中可以看出,拱軸系數增大,拱腳恒載彎矩偏心減小,拱頂恒載彎矩偏心增大。以拱頂、拱腳受力均衡為原則,并根據截面驗算結果避免拱頂下緣受拉出現裂縫,本設計拱軸系數采用2.514。

表2 不同拱軸系數拱圈恒載內力比較

3.2 拱肋構造

3.2.1 拱肋中心距

提籃拱拱肋中心距自拱頂至拱腳由小逐漸變大,既可以減小拱上結構的圬工量,還可以使結構的橫向剛度有較大的提高,因此本橋拱肋形式選擇提籃式。提籃式拱肋中心距及橫向傾角應根據以下原則選取：(1)拱上結構和拱座基礎圬工量最小；(2)滿足結構橫向剛度要求；(3)滿足列車運營安全性及舒適性要求。

本橋為雙線橋,線間距4.6 m,橋面縱梁底板寬6.56 m；拱頂處兩拱肋中心距為5.6 m,拱腳處拱肋中心距為11.4 m,拱頂內傾2.9 m,其傾角為5.37°。

3.2.2 拱肋構造

在大跨徑拱橋中,為減輕恒載自重、節約材料,拱肋截面常采用變截面形式。拱肋截面除拱腳以上4.25 m為實體外余均采用變高箱形截面,頂底板厚0.5 m,腹板厚0.4 m,寬2.30 m,拱頂截面高3.2 m,拱腳截面高5.4 m,其截面高度符合立特變化,頂、底板與側板間設0.8 m×0.4 m梗肋,拱腳以上4.25～13.75 m頂底板加厚至1 m；拱肋鋼骨架由8根φ402 mm×14 mm(拱腳10 m范圍采用φ402 mm×20 mm)鋼管和節點板、角鋼焊接成勁性骨架,纜索吊裝合龍后,鋼管內灌注C55微膨脹混凝土作為拱肋混凝土施工支架,施工完畢拱肋混凝土后與其一起形成勁性骨架鋼筋混凝土結構。拱肋橫截面構造見圖2。

圖2 拱肋一般截面構造(單位：mm)

拱肋至兩拱腳間對應拱上立柱設置拱肋橫撐,全橋共布置11道,橫撐由角鋼和鋼管焊接而成,并外包混凝土形成箱形截面,箱高隨拱肋截面高度變化。

3.3 拱上結構

拱上結構的主要作用是將橋面荷載傳遞到主拱肋上。腹孔的跨徑不宜過大,以免使腹孔墩的集中荷載增大,對拱圈受力不利。一般不大于主拱肋跨徑的1/8～1/15,本橋橋面縱梁采用4聯(3×13) m鋼筋混凝土箱形截面連續梁,縱梁跨徑為主拱肋跨徑的1/10.8。

縱梁梁高1.6 m,頂板寬9.56 m,底板寬6.56 m,頂板厚0.372 m,底板厚0.3 m,腹板厚0.5 m；縱梁采用滿布支架現澆C45混凝土的施工方式,由兩拱腳向拱頂對稱澆筑。拱上縱梁連續梁固定支座第1、4聯設置在拱座墩頂,第2、3聯設在6號立柱頂。

拱上立柱采用雙斜柱式,立柱橫向內傾5.37°,與拱肋傾角相同；立柱順橋向寬1.5 m,橫橋向寬1.35 m,兩斜柱間設厚0.4 m帶孔薄板,以增大立柱的橫向剛度,全橋拱肋上設置11個立柱墩。拱上立柱構造見圖3,圖中所示尺寸以1號立柱墩為例。

圖3 拱上立柱構造(單位：cm)

3.4 拱座基礎

拱座基礎需承受拱肋及拱座墩傳遞的荷載。由于構造要求拱座基礎尺寸較大,因此多采用擴大基礎,地基基本承載力較弱時,需采用樁基礎。本橋基底置于弱風化凝灰熔巖上,地基基本承載力σ0=1 000 kPa,拱座采用擴大基礎,基礎橫橋向16.8 m,順橋向18.0 m,高13.5 m,基礎底部設置3層2.0 m×1.0 m錯臺,以增加拱座基礎抗滑移能力。

4 主橋結構計算

4.1 靜力計算分析

4.1.1 主要設計荷載

設計活載：中-活載,雙線折減系數90%。

沖擊系數計算：1+μ=1+α×6/(30+L),α=4(1-h)≤2。

恒載(結構重力)：根據材料重力密度計算，γ取26.5 kN/m3。

基礎不均勻沉降：拱圈基礎水平變位0.01 m,豎向變位0.005 m。

結構溫度變化：①體系升降溫根據當地氣候條件采用升溫15 ℃,降溫15 ℃。

②非均勻升、降溫：拱圈采用升降溫±10 ℃。

4.1.2 計算模型

該橋結構形式為勁性骨架鋼筋混凝土拱橋,施工工序多,結構體系形成復雜,結構受力根據施工順序及截面參與受力情況,需建立不同的模型進行模擬。

橋面縱梁、拱上立柱與拱肋共同參與受力,主拱肋在外部荷載、材料收縮及溫度變化等因素的影響下,拱肋將會產生變形,而拱上建筑也會隨主拱肋的變形而變形。因此整體計算時,拱上連續梁與拱圈、拱上立柱聯合計算,考慮拱圈基礎變位及結構變形對拱上立柱及縱梁內力、變形的影響。橋面縱梁與立柱之間按實際自由度建立主從約束,豎向只承受壓力,縱梁支點與拱上立柱變形相一致。

整體計算分3個計算模型。

(1)拱肋混凝土施工完成前,鋼管骨架模擬成桁架,為鋼桁架模型。

(2)鋼管骨架內灌注混凝土達到設計強度,為鋼管混凝土結構模型。

(3)拱肋施工完畢后,拱肋混凝土將骨架鋼管及內灌混凝土包裹于拱肋之內,形成勁性骨架鋼筋混凝土結構,其受力模式與型鋼混凝土結構類同。

根據施工實際加載歷程,對結構內力、應力和位移進行疊加。

4.1.3 主要計算結果

橋面縱梁靜活載撓度0.85 mm,撓跨比1/15 294,橋面縱梁梁端轉角0.28‰<2.0‰rad；均滿足規范要求。

縱梁主要截面抗彎計算結果見表3，均滿足規范要求。

表3 縱梁主要截面抗彎計算結果

本橋拱上立柱墩均按鋼筋混凝土墩設計,11號立柱墩墩高25.35 m。對墩身進行檢算后,混凝土最大壓應力7.6 MPa,鋼筋最大拉應力49.1 MPa,鋼筋最大壓應力72.7 MPa,裂縫寬度0.054 mm,均滿足規范要求。

考慮縱梁及橋面荷載等因素對拱肋變形的影響,拱上立柱支撐墊石頂面需預設超高值,具體設置見表4。

表4 立柱墩頂墊石預設超高值 mm

拱肋L/4處活載位移：-0.015 6 m(向下),0.012 3 m(向上)；靜活載產生的上下撓度(絕對值)之和為：0.015 6+0.012 3=0.027 9 m<140/800=0.175 m,滿足規范要求。

拱肋應力見表5。

表5 拱肋主要截面計算應力 MPa

拱肋計算最大裂縫寬度0.195 mm,均滿足規范要求。

4.2 動力特性分析

結構第一階振型為梁拱面外橫擺,自振頻率f=1.03 Hz,周期小于1.7 s,橫向剛度大；振型如圖4所示。結構第二階振型為梁拱反對稱豎彎,自振頻率f=1.06 Hz；振型如圖5所示。計算表明拱上立柱間橫聯對結構橫向剛度影響較明顯。

圖4 第1階自振特性

圖5 第2階自振特性

4.3 屈曲模態

恒載及靜活載作用下,結構線彈性屈曲第1階模態見圖6。屈曲系數為12.7。

圖6 1階彈性屈曲模態

5 主橋施工步驟

拱肋的施工方法主要有轉體施工法和纜索吊裝法,若采用轉體法施工,拱肋外包混凝土、拱上立柱、縱梁等仍需纜索吊裝設備,因此本橋采用纜索吊裝法施工,節省轉體設備。施工步驟如下。

(1)采用纜索吊施工鋼骨架

工廠加工鋼骨架后運至現場,利用纜索吊架設鋼骨架及橫撐鋼骨架,并合龍。鋼骨架合龍溫度15～20 ℃。

(2)拱肋對稱灌注C55微膨脹混凝土

由拱腳向拱頂對稱灌注C55微膨脹混凝土,并采取措施保證鋼管混凝土填充密實。混凝土應具有良好的泵送性能和微膨脹性,抵消混凝土收縮。

(3)鋼管混凝土灌注、養生完畢后,在鋼骨架上安裝模板,綁扎鋼筋,澆筑拱肋混凝土。拱橋拱肋外包混凝土采用“四環六面”法施工(圖7)。

“四環”即是將拱肋截面沿拱軸分作底板、下倒角、側板、上倒角和頂板四環,每次施工一環。下一環施工須待上一環混凝土養護一個齡期后進行。

“六面”即是將每一環沿拱軸分作6段(即6個工作面),段與段之間留50 cm間隔槽,待各段施工完畢再封槽。澆筑混凝土時,6個工作面同時施工(由拱腳向拱頂),完成該環混凝土的澆筑。

(4)施工拱上立柱。

(5)腳手架現澆橋面縱梁。

圖7 拱肋“四環六面”法施工示意(單位：cm)

6 結語

目前該橋施工正在進行中,預計2年后建成通車。該橋拱肋采用勁性鋼管骨架,纜索吊裝合龍,掛模施工外包混凝土,較好地解決了橋下山坡陡峻、河谷水深等不利條件對施工的影響的干擾。成橋狀態鋼管骨架包裹于混凝土之內,后期維修養護小,且造型美觀。拱肋采用提籃式箱形截面,拱肋及立柱間設置橫撐,不但能夠合理有效降低工程投資,適應鐵路橋梁橋面寬度小的問題,且能很好地滿足時速200 km鐵路橋梁對縱橫向剛度的要求,動力性能優越。綜上,勁性骨架混凝土拱橋跨越能力強,造型美觀,結構剛度大,后期維修養護小,在鐵路建設上有較好的應用前景。

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