寧波樞紐北環(huán)線(xiàn)鎮(zhèn)海支線(xiàn)特大橋主橋設(shè)計(jì)

尹書(shū)軍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁設(shè)計(jì)研究處,武漢 430063)

1 工程概況

寧波樞紐北環(huán)線(xiàn)鎮(zhèn)海支線(xiàn)特大橋位于寧波市北環(huán)線(xiàn)鎮(zhèn)海支線(xiàn)范圍,橋址于GZK13+673.5～GZK13+744.4處跨越東外環(huán)延伸線(xiàn),東外環(huán)延伸線(xiàn)既有路寬7 m,規(guī)劃寬度68 m(現(xiàn)已施工),道路與鐵路中心線(xiàn)夾角為70°；鎮(zhèn)海支線(xiàn)特大橋縱斷面高程受前后控制因素限制,采用連續(xù)梁或者連續(xù)剛構(gòu)將會(huì)明顯抬高線(xiàn)路縱斷面,因此在跨越東外環(huán)延伸線(xiàn)處采用1-96 m下承式鋼管混凝土系桿拱橋以降低線(xiàn)路高程,節(jié)省投資。主橋立面如圖1所示。

圖1 鎮(zhèn)海支線(xiàn)特大橋主橋立面(單位：cm)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：Ⅰ級(jí)鐵路,設(shè)計(jì)速度120 km/h

(2)正線(xiàn)數(shù)目：?jiǎn)尉€(xiàn)

(3)軌道形式：有砟無(wú)縫線(xiàn)路

(4)荷載標(biāo)準(zhǔn)：中-活載

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 概況

1-96 m下承式鋼管混凝土平行系桿拱橋,計(jì)算跨度為96 m,橋全長(zhǎng)100 m,拱肋矢跨比為1/5,計(jì)算矢高為19.2 m,拱肋線(xiàn)形采用懸鏈線(xiàn)；拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu),系梁采用單箱雙室混凝土結(jié)構(gòu),吊桿采用尼爾森體系[1-3]。該主橋采用“先梁后拱”的施工方法,即先在支架上現(xiàn)澆系梁,然后在系梁支架上安裝拱肋鋼管。

3.2 矢跨比

下承式拱橋矢跨比一般采用1/4～1/6,矢跨比過(guò)小,剛性系桿所受拉力將很大,端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)困難。從美學(xué)角度而言,矢跨比為1/5時(shí),曲線(xiàn)流暢,有系桿拱橋的韻律,而1/4的矢跨比線(xiàn)形近半圓,給人以呆滯和笨重的感覺(jué),所以本橋矢跨比確定為1/5。

3.3 拱肋線(xiàn)形

拱圈采用拋物線(xiàn)[4，5],拱的受力均勻,但拱腳的恒載負(fù)彎矩偏大；拱圈采用懸鏈線(xiàn),隨著拱軸系數(shù)的增大,拱腳恒載負(fù)彎矩減少,但拱頂恒載正彎矩增大,且拱肋受力不均。下承式鋼管混凝土系桿拱橋,橋面系重力通過(guò)均勻分布的吊桿傳遞給拱肋,拱肋承受沿跨徑方向近似均布的荷載,因此其拱軸線(xiàn)的線(xiàn)形應(yīng)該是二次拋物線(xiàn)或拱軸系數(shù)較低的懸鏈線(xiàn)。為盡量減少本橋拱腳負(fù)彎矩,拱肋采用懸鏈線(xiàn)線(xiàn)形,拱軸系數(shù)m=1.167。

3.4 拱肋結(jié)構(gòu)

鋼管混凝土拱橋[6-8]中,當(dāng)跨徑較大時(shí),拱肋截面一般采用混凝土啞鈴形拱肋。本橋拱肋橫截面采用啞鈴形鋼管混凝土截面,截面高度h=3.0 m,沿程等高布置,鋼管直徑為1 000 mm,由厚16 mm的鋼板卷制而成,每榀拱肋的兩鋼管之間用δ=16 mm的腹板連接,拱肋橫向中心距為9.2 m。拱肋上、下鋼管為鋼-混組合結(jié)構(gòu),鋼管內(nèi)填充C55無(wú)收縮混凝土；腹板除了滿(mǎn)足強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性的要求外,還必須保證腹板的局部穩(wěn)定性要求,所以在腹腔內(nèi)2.5～3.0 m設(shè)置1道加勁橫隔板,同時(shí)在左右腹板各設(shè)置2道通長(zhǎng)縱向加勁肋,具體見(jiàn)圖2。

圖2 拱肋橫截面(單位：mm)

3.5 橫撐

為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體橫向穩(wěn)定性,在兩拱肋之間共設(shè)5道橫撐,拱頂處設(shè)“米字撐+2個(gè)一字撐”型撐,拱頂至兩拱腳間設(shè)4道“K”型橫撐。橫撐由φ500 mm、φ400 mm和φ360 mm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。

3.6 吊桿

為盡量減少拱肋的彎矩、減少系梁高度、提高結(jié)構(gòu)的整體剛度,本橋吊桿采用尼爾森體系。在吊桿平面內(nèi),吊桿水平夾角在50.978°～65.384°；橫橋向水平夾角為90°。吊桿間距為8 m,兩交叉吊桿之間的橫向中心距為340 mm。吊桿均采用91根φ7 mm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),吊桿大樣見(jiàn)圖3。

圖3 吊桿大樣(單位：mm)

吊桿采用拱上張拉、系梁橫梁上錨固,要求后期可查、可調(diào)、可換。吊桿張拉前,錨固端需安裝并測(cè)試傳感器及配套數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件,確保張拉索力的均勻性和準(zhǔn)確性在±1%的精度內(nèi),并要求傳感器可在大橋運(yùn)營(yíng)期間隨時(shí)對(duì)索力進(jìn)行監(jiān)控和采集,具有高度穩(wěn)定性和精確性。

景觀娛樂(lè)用水區(qū)，指以滿(mǎn)足景觀、療養(yǎng)、度假和娛樂(lè)需要為目的的江河湖泊等水域。景觀娛樂(lè)活動(dòng)不得危及景觀娛樂(lè)用水區(qū)的水質(zhì)控制目標(biāo)。

3.7 系梁

系梁按整體箱形梁布置,采用單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50。結(jié)合單線(xiàn)橋橋面布置情況,橋面箱寬取11.0 m,梁高2.5 m。底板厚度為30 cm,頂板厚度為30 cm,邊腹板厚度為35 cm,中腹板厚度為30 cm。底板在2.8 m范圍內(nèi)上抬0.50 m以減小風(fēng)阻力。吊點(diǎn)處設(shè)橫梁,橫梁厚度為0.4～0.6 m。系梁縱向設(shè)12-7φ5 mm預(yù)應(yīng)力筋,橫向在底板上設(shè)3-7φ5 mm的橫向預(yù)應(yīng)力筋,橫隔板上設(shè)3束9-7φ5 mm預(yù)應(yīng)力筋。系梁兩端底板上設(shè)進(jìn)人孔,每個(gè)箱室均設(shè)檢查孔,便于在箱內(nèi)對(duì)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,系梁橫截面見(jiàn)圖4。

圖4 系梁橫截面(單位：cm)

3.8 拱腳

拱腳順橋向8.0 m范圍內(nèi)設(shè)成實(shí)體段,橫橋向?qū)挾葹?1.0 m,截面漸變處設(shè)倒角或過(guò)渡段。實(shí)體段內(nèi)設(shè)9-7φ5 mm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、加勁鋼材等安裝到位,二期恒載施工完成后澆筑第二次混凝土。

4 主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 計(jì)算原則

本橋主要采用橋梁博士(V3.2)和通用有限元程序“MIDAS”對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了施工及成橋狀態(tài)靜、動(dòng)力特性和穩(wěn)定分析,其平面計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

圖5 主橋平面計(jì)算模型

縱向整體計(jì)算分別進(jìn)行了施工狀態(tài)和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)計(jì)算,計(jì)算中主要考慮了以下設(shè)計(jì)荷載： 結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、收縮、徐變影響力、基礎(chǔ)不均勻沉降、列車(chē)荷載、沖擊力、制動(dòng)力、風(fēng)力、溫度力、地震荷載。

其中拱肋合龍溫度為(18±2)℃,整體升溫20 ℃、降溫20 ℃計(jì)算溫度力。行車(chē)道主梁按局部升降溫上下緣非線(xiàn)性溫差±8 ℃計(jì)算。

4.2 靜力分析

1-96 m下承式鋼管混凝土平行系桿拱橋施工順序?yàn)椋?1)樁基礎(chǔ)及橋墩施工；(2)進(jìn)行地基基礎(chǔ)硬化處理,搭設(shè)支架；(3)在支架上現(xiàn)澆系梁及拱腳混凝土,待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后張拉縱向預(yù)應(yīng)力索；(4)在系梁上搭設(shè)支架；(5)在系梁支架上進(jìn)行拱肋拼裝；(6)分別泵送下管、上管管內(nèi)混凝土,待管內(nèi)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后拆除系梁上拼裝拱肋支架；(7)按照設(shè)計(jì)要求張拉完所有吊桿；(8)拆除系梁支架,施工橋面,至此橋梁施工完成。

根據(jù)本橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立計(jì)算模型,按在支架上現(xiàn)澆系梁、拼裝拱肋、拆除支架、二恒的加載歷程,進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,得到成橋時(shí)的內(nèi)力、應(yīng)力、位移；按影響線(xiàn)加載計(jì)算橋梁活載并與成橋時(shí)內(nèi)力、應(yīng)力、位移相疊加,得到橋梁運(yùn)營(yíng)階段各構(gòu)件的內(nèi)力、應(yīng)力、位移。

4.2.1 系梁檢算

分別檢算施工和運(yùn)營(yíng)階段系梁的強(qiáng)度、抗裂性、應(yīng)力及變形。施工階段系梁最大壓應(yīng)力6.53 MPa；運(yùn)營(yíng)階段,最不利荷載作用下,主力工況下主梁最大壓應(yīng)力7.09 MPa,最小壓應(yīng)力0.99 MPa；主力+附加力工況下主梁最大壓應(yīng)力8.23 MPa,最小壓應(yīng)力0.98 MPa,最大主壓應(yīng)力為8.25 MPa,最大主拉應(yīng)力為-0.73 MPa。最小抗裂安全系數(shù)為1.28。跨中在靜活載作用下豎向最大撓度1.38 cm,撓跨比1/6 957,梁端最大轉(zhuǎn)角0.67‰ rad。

4.2.2 拱肋檢算

拱肋鋼管和拱肋鋼管內(nèi)混凝土采用主截面與附加截面,整體受力,協(xié)調(diào)變形,拱肋鋼管、拱肋鋼管內(nèi)混凝土檢算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 運(yùn)營(yíng)階段拱肋正應(yīng)力匯總 MPa

從表1可以看出,拱肋鋼管及拱肋鋼管內(nèi)混凝土應(yīng)力均滿(mǎn)足規(guī)范要求,拱肋鋼管內(nèi)混凝土只是局部出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力,結(jié)構(gòu)受力比較合理。

拱肋按一類(lèi)穩(wěn)定檢算,運(yùn)營(yíng)期間拱肋面內(nèi)穩(wěn)定安全系數(shù)為27.3,面外穩(wěn)定安全系數(shù)為9.4[3,4],滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.2.3 吊桿檢算

吊桿采用91根φ7 mm鍍鋅高強(qiáng)平行鋼絲束,吊桿的運(yùn)營(yíng)階段最大應(yīng)力為383 MPa,相應(yīng)最小安全系數(shù)為4.36,吊桿的最大活載應(yīng)力幅值為97.0 MPa。

4.2.4 拱腳局部應(yīng)力分析

本橋拱腳與系梁固結(jié),拱腳處受力復(fù)雜,是主橋受力的最關(guān)鍵部位之一,為保證拱腳與系梁的可靠連接,拱腳處以空間分析為主,平面分析校核,對(duì)局部構(gòu)造、橫向預(yù)應(yīng)力索布置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果顯示局部構(gòu)造較為合理。

4.3 動(dòng)力分析4.3.1 自振特性分析

空間計(jì)算采用MIDAS分析軟件,拱肋、橫撐、系梁均采用梁?jiǎn)卧M,吊桿采用桿單元建模,其計(jì)算模型見(jiàn)圖6,自振特性計(jì)算僅考慮拱橋自身、不考慮橋墩共同作用,前4階自振頻率及振型特點(diǎn)見(jiàn)表2。

圖6 空間計(jì)算模型

表2 1-96 m下承式鋼管混凝土平行系桿拱橋自振特性

4.3.2 空間穩(wěn)定分析

采用有限元分析軟件MIDAS對(duì)全橋進(jìn)行空間有限元分析。使用階段(自重+二期恒載+全橋滿(mǎn)布中-活載)拱肋最小穩(wěn)定系數(shù)為10.2,面外失穩(wěn)。

4.3.3 動(dòng)力特性及列車(chē)走行性分析[9，10]

建立車(chē)-橋一體空間模型,模擬DF4牽引C62貨車(chē)以時(shí)速50～80 km,DF11客車(chē)以時(shí)速80～160 km單線(xiàn)通過(guò)橋梁。分析結(jié)果表明：該橋具有良好的動(dòng)力特性,列車(chē)行車(chē)的安全性有保證,車(chē)輛橫、豎向舒適度指標(biāo)均在“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上,機(jī)車(chē)司機(jī)臺(tái)處橫、豎向舒適度指標(biāo)均在“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上。

5 結(jié)語(yǔ)

鐵路下承式尼爾森體系鋼管混凝土系桿拱橋造型美觀,建筑高度低、跨越能力強(qiáng),結(jié)構(gòu)豎、橫向剛度大,施工養(yǎng)護(hù)方便,當(dāng)跨越高等級(jí)公路時(shí),具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,可在鐵路建設(shè)中推廣應(yīng)用。

[1] 薛照均.下承尼爾森體系鋼管混凝土提籃式系桿拱橋在鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)上的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè),2006(5).

[2] 林文泉.尼爾森體系鋼管混凝土拱橋的靜、動(dòng)力分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007(8).

[3] 馮楚橋.鐵路下承式尼爾森體系鋼管混凝土提籃式系桿拱橋研究與應(yīng)用[J].工程與建設(shè),2007(4).

[4] 鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院,蘭州鐵道學(xué)院.涵洞與拱橋[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1994.

[5] 顧安邦,孫國(guó)柱.公路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè)—拱橋(上、下冊(cè))[M].北京：人民交通出版社,1994.

[6] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工[M].北京：人民交通出版社,1999.

[7] 陳寶春,鄭皆連.鋼管混凝土拱橋?qū)嵗痆M].北京：人民交通出版社,2002.

[8] 王庭英,金志展.鋼管混凝土橋梁鋼(管)結(jié)構(gòu)制造與安裝[M].北京：人民交通出版社,2003.

[9] 曾慶元,郭向榮.列車(chē)橋梁時(shí)變系統(tǒng)振動(dòng)分析理論與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1999.

[10] [蘇]鮑達(dá)爾Н.Г.主編.鐵路橋梁與機(jī)車(chē)車(chē)輛的相互作用[M].胡人禮,譯.北京：鐵道部專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)院工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范管理處,1987.