某高速鐵路連續梁拱組合橋結構設計

陳曉波

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

高速鐵路對橋梁結構不僅要求剛度大,而且對結構變形和動力性能要求也非常嚴格。結合高速鐵路對橋梁結構的要求所進行的分析研究表明,下承式梁拱組合體系結構高度低、跨越能力大、造型美觀,能夠使拱和梁在受力方面的優點得以充分發揮,同時下承式梁拱組合結構在工程中得到了越來越廣泛的應用[1～3]。但是作為一種新型組合結構,梁拱組合體系的受力比較復雜,結構性能也不同于一般的梁和拱,因此有必要對下承式梁拱組合的關鍵技術進行研究分析。

某高速鐵路特大橋設計荷載為ZK標準活載,線間距5 m,軌道類型為無砟軌道。橋址處跨越多條公路及快速環道,在滿足橋下公路凈空要求的條件下,為降低線路高程,減少橋梁長度,降低造價,并考慮景觀要求,該橋主橋采用了結構高度低、跨越能力大、造型美觀的鋼管混凝土拱加勁連續梁的組合結構,主跨為136 m,邊跨為70 m,如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位：cm)

2 上部結構設計

2.1 主梁

主梁為三向預應力混凝土結構,采用單箱雙室變高度箱形截面,如圖2所示。中支點梁高為7.5 m,邊支點及跨中梁高4.0 m,分別為主跨的1/18.1與1/34。

圖2 主梁橫斷面布置(單位：cm)

箱梁頂寬14.4 m,中支點處局部頂寬16.0 m；箱梁頂板厚0.42 m,中支點處局部頂板厚0.92 m,邊支點處局部頂板厚0.72 m；箱梁底寬10.8 m,中支點處局部底寬14.0 m；底板厚度0.35～0.80 m,中支點處局部底板厚1.10 m,邊支點處局部底板厚0.70 m,邊支點處底板設0.8 m×0.8 m檢查孔。

箱梁采用直腹板,腹板厚分0.40、0.55、0.65 m 3種,中支點處局部腹板厚1.25 m,邊支點處局部腹板厚0.70 m,箱梁各腹板上下交錯設置直徑為φ10 cm的通風孔,用以降低箱內外溫差。

箱梁共設5道橫隔板,邊支點橫隔板厚1.4 m,中支點橫隔板厚3.0 m,中孔跨中橫隔板厚0.3 m,各橫隔板均設進人孔。

箱梁于各吊桿處共設14道吊點橫梁,除靠近拱腳的第一道橫梁高1.5 m外,其余橫梁高均為1.4 m,橫梁厚均為0.4 m。

2.2 加勁拱

加勁拱的計算跨徑L=136 m,設計矢高f=27.2 m,矢跨比f/L=1/5,拱軸曲線為拋物線。設計拱軸線方程:y=1/170x2+0.8x。

拱肋為鋼管混凝土結構,拱肋采用等高度啞鈴形截面,截面高度2.8 m。拱肋弦管直徑φ0.8 m,由δ=16 mm厚的鋼板卷制而成,弦管之間用δ=16 mm厚鋼綴板連接,拱肋弦管及綴板內填充微膨脹混凝土，如圖3所示。

圖3 拱肋截面(單位:cm)

為確保拱肋橫向穩定性,兩榀拱肋之間采用空間桁架撐連接,全橋共設置9道橫撐,各橫撐由4根φ450 mm×12 mm主鋼管和32根φ250 mm×10 mm連接鋼管組成,橫撐鋼管采用Q345qD鋼,內部不填混凝土。橫撐截面如圖4所示。

圖4 橫撐截面(單位:cm)

拱肋采用豎直平行吊桿傳力[4]。吊桿順橋向間距8 m,全橋共設14對吊桿。吊桿采用PES(FD)7-109型低應力防腐拉索(平行鋼絲束),其材料特性fpk=1 670 MPa,Ep=2.0×105MPa。吊桿外套復合不銹鋼管,配套使用OVMLZM(K)7-109Ⅰ型冷鑄錨。吊桿上端穿過拱肋錨于拱肋上緣張拉底座,下端錨于吊點橫梁下緣固定底座。

3 結構計算

3.1 主梁3.1.1 主梁應力

按照施工和運營分階段進行內力分析和截面應力檢算。計算時考慮：自重、二期恒載、施工荷載、混凝土收縮徐變、預應力、活載、溫度力、支座沉降和體系轉換產生的二次內力[5]。主梁控制截面應力計算結果見表1。

表1 主梁控制截面應力計算結果

3.1.2 主梁撓度

在ZK活載靜力作用下,主梁最大豎向撓度-0.026 4 m,撓跨比為1/5 151,梁體下撓的最大梁端轉角0.766‰；成橋后,1 100 d后,主梁后期徐變上拱18.7 mm,滿足德國規范DIN-Fachbericht 103中規定徐變上拱限值為L/5 000。

ZK活載靜力作用下產生的撓度值與0.5倍溫度引起的撓度值之和為4.8 cm,撓跨比為1/2 833。0.63倍ZK活載靜力作用下產生的撓度值與全部溫度引起的撓度值之和為2.1 cm,撓跨比為1/6 476。具有足夠的豎向剛度。

3.2 拱肋

主拱肋及橫向聯接系在拱肋未灌注混凝土前為完全的鋼結構，按鋼結構的要求進行檢算,在灌注混凝土后以及在大橋的長期運營階段,拱肋為鋼管混凝土結構[6～8]。現有鐵路和公路橋梁設計規范還沒有鋼管混凝土的相關規定,設計參考《鋼管混凝土結構設計與施工規程》(CECS28：90)設計及按“鐵路橋規”容許應力法進行檢算[9]。

(1) 運營階段拱肋鋼管及混凝土正應力計算結果見表2。

表2 運營階段拱肋鋼管、混凝土正應力計算結果 MPa

3.3 吊桿

運營階段,在最不利荷載作用下,橫向一組吊桿最大軸力2 684 kN,最大拉應力320.0 MPa,強度安全系數K=5.22。吊桿最大活載應力幅131.6 MPa。

3.4 橫向受力分析

主梁橫向分無吊桿區和有吊桿區分別進行計算。無吊桿區沿縱向截取單位長度的主梁梁體,簡化成腹板下緣三點支撐的雙孔框架,按剛性支撐和彈性支撐包絡計算。

有吊桿區沿縱向截取一定長度的主梁梁體,簡化成腹板下緣三點支承的雙孔框架,吊點處加豎向集中力,按剛性支撐和彈性支撐包絡計算。

3.5 動力分析計算

(1)結構動力特性分析研究

采用分析程序MIDAS/Civil所建的全橋有限元模型,整體坐標系以順橋向為X軸,橫橋向為Y軸,豎向為Z軸。全橋有限元模型見圖5。

圖5 全橋有限元模型

自振特性計算結果見表3。

表3 前5階自振特性計算結果 Hz

(2)車橋動力響應分析結果

對列車-橋梁建立整體空間模型,并以不同車速過橋時對車橋振動響應進行分析。當國產高速列車、德國ICE、日本500系以不超過420 km/h速度通過橋梁時,橋梁動力響應及各車的車體豎、橫向振動加速度滿足限值要求,列車行車安全性滿足要求；當車速不超過該橋設計車速350 km/h時列車的乘坐舒適度均達到“良好”以上,當車速不超過該橋檢算車速420 km/h(120%設計車速)時,列車的乘坐舒適度達到“合格”以上。

4 施工方法及結構特點

該橋采用先梁后拱的施工方案,即先完成連續梁體系的施工,再施工拱肋、張拉吊桿、鋪設橋面設施,形成梁拱組合體系。主梁自重主要由連續梁承受,二期恒載及活載由拱肋與主梁二者共同承受。拱作為以受壓為主的構件,具有豎向剛度大的特點,形成組合結構以后,在豎向荷載作用下,一部分力通過吊桿、拱肋直接傳至主梁根部,因此使主梁跨中及支點彎矩得以顯著減小。

5 結論

(1)連續梁拱組合橋梁將連續梁和拱兩種結構體系有機結合在一起,使拱與梁在受力方面的優點得以充分發揮。連續梁拱組合結構具有跨越能力大、結構高度低、剛度大、造型美觀、造價經濟等優點。當鐵路跨越高等級公路或者大江大河,建筑高度受控,而需要大跨度橋梁跨越時,連續梁拱組合結構是一種非常好的橋型。

(2)連續梁拱組合結構,梁體自重主要由主梁承擔,二期恒載及活載由梁、拱共同承擔,梁高可根據拱的結構剛度進行調整,當拱的剛度增大時可進一步減少梁高,對今后類似工程應用具有一定的借鑒意義。

[1] 李國平.連續梁拱組合橋的性能與特點[J].橋梁建設,1999(1):10-13．

[2] 金成棣.預應力混凝土梁拱組合橋梁-設計研究與實踐[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3] 葉建龍,孫建淵,石 洞.梁拱組合橋柔性吊桿張拉力的確定及分析[J].城市道橋與防洪,1999(4):21-24.

[4] 黃曉彬，李濤，吳定俊.大跨度單線鐵路連續梁拱橋動力特性分析[J].鐵道標準設計，2009(7)：59-62.

[5] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2007]47號 新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定[S].北京：中國鐵道出版社，2007.

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[8] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2005]157號 鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[9] 哈爾濱建筑工程學院，中國建筑科學研究院.CECS28：90 鋼管混凝土結構設計與施工規程[S].北京：中國工程建設標準化協會，1990.