鐵路鋼管混凝土系桿拱橋設計及計算分析

尹貽新，葉長允

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，濟南 250022)

鋼管混凝土是在鋼管內填充混凝土形成的組合材料。鋼管借助內填混凝土提高鋼管壁受壓時的穩定性、抗蝕性和耐久性。混凝土則借助鋼管壁的套箍作用，提高了混凝土的抗壓強度和延性，將鋼材和混凝土有機地結合起來［1］。在施工方面，鋼管混凝土可以利用空心鋼管作為勁性骨架甚至模板，施工吊裝重量輕，進度快，施工用鋼量省。由于鋼管混凝土的上述優點，鋼管混凝土拱橋近年來發展較快，廣泛應用于公路、鐵路橋梁中。

1 工程概況

德龍煙鐵路為客貨共線鐵路，設計時速200 km。跨濱大高速公路特大橋位于德龍煙鐵路德大段山東省濱州市濱城區境內，主跨為1-64.0 m系桿拱橋。濱大高速公路為雙向4車道，路面寬2×11.5 m，公路路基面寬28.0 m，新建鐵路與濱大高速公路夾角為60°。為不影響濱大高速公路路基邊坡及排水等附屬設施，保證高速公路通行凈高且有效降低鐵路路基高度，綜合比選，主跨采用64.0 m的系桿拱跨越。主跨布置見圖1。

圖1 主橋布置(單位:cm)

2 結構設計(圖2)

2.1 主梁

結構計算跨徑64 m，梁長65.5 m。主梁采用單箱雙室箱形截面，梁高2.5 m，在端部梁底局部加高至3.0 m。箱梁底寬7.6 m，在端部加寬至8.3 m;箱梁頂寬10.3 m。梁端設置高3.0 m的橫梁，相應吊桿位置設置橫隔墻，隔墻厚30 cm。箱梁拱座為滿足拱肋嵌固要求橫向寬度采用1.15 m。梁體縱向預應力鋼束采用抗拉強度標準值為fpk=1 860 MPa的高強度低松弛鋼絞線。預應力管道采用金屬波紋管成孔。

2.2 拱肋

拱座豎向預應力鋼束采用抗拉強度標準值為fpk=830 MPa的預應力混凝土用螺紋鋼筋，螺紋鋼筋直徑25 mm，采用φ40 mm的鐵皮套管成孔。拱肋為鋼管混凝土結構，啞鈴形斷面。矢高12.8 m，矢跨比1/5。拱軸線為二次拋物線，方程為:Y=0.8X－0.012 5X2。每片拱肋由上、下2根鋼管焊接成啞鈴形斷面。拱肋間設置3道橫撐，其中邊橫撐為“K”字形撐，中間橫撐為“一”字撐，均為鋼管混凝土結構。拱肋、橫撐及斜撐的鋼管內均泵送C55微膨脹混凝土。在兩端拱座處各設1組進料口，泵送混凝土完畢后，封死排氣口和進料口。

2.3 吊桿

全橋拱肋共設11對吊桿，除拱腳至第一根吊桿間距為8.0 m外，其余吊桿中心間距均為4.8 m，吊桿采用PESFD7-61新型低應力防腐成品索體，冷鑄錨錨固，張拉端設于拱肋頂部。在吊桿附近的拱肋鋼管內采用加勁鋼環加固，以增強其局部剛度。

圖2 主梁及拱肋斷面(單位:cm)

3 結構整體靜力計算

3.1 計算原則及參數

設計速度:客車200 km/h、貨車120 km/h;

恒載:結構自重按《鐵路橋涵設計基本規范》［2］(TB10002.1—2005)采用，二期恒載按95 kN/m考慮;

溫度荷載:結構沿截面均勻溫度變化產生的內力按結構升降溫20℃計算;

結構非均勻溫度變化:主梁頂板按升溫8℃計算，主梁與拱肋、吊桿之間的溫差分別按5、10℃計算［3］;

預應力鋼筋參數:鋼束與管道壁之間的摩阻系數μ取0.23，管道偏差系數k取0.002 5，錨具回縮量每端取6 mm，計入反向摩阻作用，錨下控制應力取 0.67fpk［4］;

運營荷載:中-活載，人行荷載。

3.2 計算方法

采用同濟大學橋梁博士軟件進行整體靜力計算。主梁劃分56個單元，拱肋劃分為54個單元，每根吊桿劃分為一個單元，共121個單元。靜力計算模型見圖3。

圖3 靜力計算模型

3.3 施工階段劃分

主要施工步驟為滿堂支架澆筑箱梁、張拉預應力鋼筋、架設鋼管拱肋、灌注鋼管內混凝土、張拉吊桿、拆除拱肋及主梁支架、施工橋面系。據此共劃分為15個施工階段。

經計算，恒載作用下跨中最大豎向位移為24.77 mm，靜活載作用下跨中豎向位移9.56 mm。撓度滿足規范L/800=80 mm的要求。主要靜力計算結果見表1。

表1 靜力計算結果

4 箱梁橫向計算

工程中常用的箱梁由于肋距大，箱壁相對較薄，因此在設計中橫向配置預應力鋼筋及普通鋼筋。框架分析法是箱梁橫向分析比較常用的方法，即將箱梁空間三維問題轉化為平面框架問題求解［5］。在箱梁的長度方向截取單位長度的薄片框架，使之可以利用一般的結構力學方法進行分析。在分析平面框架時，可以適當地引入支承，以滿足力學邊界條件。

橫向分析采用橋梁博士軟件進行計算，計算模型見圖4。根據結構設計取吊桿間4.8 m長箱梁節段為隔離體，支承點取吊桿位置處，分別簡化為固定支承和活動支承。列車荷載按照《鐵路橋涵設計基本規范》［2］(TB10002.1—2005)規定擴散至梁頂面，其他恒載及溫度荷載按實際情況輸入。彎矩包絡圖見圖5。

5 結構動力分析

橋梁結構的動力特性是其動力性能分析的重要參數，它包括自振頻率、振型及阻尼等，反應橋梁的剛度指標。它取決于結構的組成體系、剛度、質量分布及支承條件等，對于正確地確定橋梁抗震設計、車振分析及抗風穩定性分析等都有重要意義［6］。

圖4 橫向計算模型

圖5 橫向計算內力包絡圖(單位:kN·m)

動力特性分析采用大型通用有限元軟件ANSYS，運用APDL編制命令流進行計算［7］。結構簡化為“魚骨刺”模型［8］，計算模型見圖6。系梁及拱肋采用梁單元beam188模擬，吊桿采用桿單元link10進行模擬。結構動力分析結果見表2及圖7。

圖6 動力特性計算模型

表2 結構自振特性Hz

6 彈性屈曲分析

圖7 1～6階振型

鋼管混凝土系桿拱橋中，拱作為壓彎構件，穩定計算是結構計算的重要內容之一［9］。拱的穩定從失穩形態分為面內穩定和面外穩定，一般的系桿拱橋的第1階失穩模態為面外失穩［10］。穩定分析仍采用有限元軟件ANSYS進行計算，邊界條件按實際情況確定，荷載包括自重荷載、二期恒載、均布活荷載。成橋態失穩模態見圖8。

圖8 前4階失穩模態

由計算可以看出，失穩模態均為拱肋側向失穩。不考慮恒載與活載分離，其一階拱肋反對稱失穩的穩定系數為5.0，考慮恒載與活載分離，其一階拱肋反對稱失穩的穩定系數為26.4，均滿足規范對穩定系數不得小于4的規定［2］。由于考慮恒載與活載分離的穩定系數大于不考慮恒載與活載分離的穩定系數，可見本結構的恒載對穩定系數的影響較大［11］。

7 結論

由以上計算分析，結構靜力計算結果滿足規范對結構應力及位移要求;本結構為單線系桿拱橋結構，通過橫向框架分析表明，僅配置普通鋼筋即可滿足受力要求，故未配置橫向預應力鋼筋;模態分析結果表明，橫向自振頻率為 4.777 Hz，大于 55/L0.8=1.97 Hz［2］。第1階振型為拱肋側傾，表明拱肋的面內剛度大于面外剛度。因為拱肋面內振動要引起橋面系的振動，所以阻力大，頻率高，面內振型出現晚于面外振型［6］;通過彈性屈曲分析，結構的1階失穩模態為拱肋的面外反對稱失穩，這是由于橋面系自身的剛度較大，故失穩主要表現為拱肋橫向彎曲［12］。而拱肋的面內失穩為第20階，這是由于系梁、拱肋的剛度比較大(約為16.3)，發生屈曲變形時，系梁將通過吊桿作用于拱肋以抵制拱肋屈曲［13］，面內穩定系數大于面外的穩定系數，面外失穩模態出現較晚。

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