拉日鐵路年楚河特大橋V形剛構(gòu)加拱組合結(jié)構(gòu)設計

文 強

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 工程概況

拉日鐵路年楚河特大橋位于日喀則車站以東約1.5 km處，為跨越年楚河而設，距日喀則市僅4 km，橋址處地勢開闊、平坦，濕地遍布，風景優(yōu)美。年楚河主河槽寬約110 m，橋位處設計流量Q1%=736.2 m3/s。河道兩側(cè)為較規(guī)整的干砌片石河堤，可供小型車輛通行，兩岸均為濕地及耕地。線路與年楚河斜交15°。年楚河特大橋全長1 106.5 m，由于距離日喀則車站較近，線路高程受到限制，為滿足河堤道路凈空要求，主橋結(jié)構(gòu)高度限制較嚴，再考慮到當?shù)靥厣珴庥舻淖匀患叭宋木坝^要求，經(jīng)過初步設計階段的技術(shù)方案比選，最終確定以(60+148+60) m V形剛構(gòu)加拱組合結(jié)構(gòu)跨越年楚河主河槽，兩側(cè)引橋均為32 m簡支梁。年楚河主橋總體布置見圖1，效果圖見圖2。

圖1 年楚河主橋總體布置(單位：cm)

圖2 年楚河主橋效果圖

設計標準為單線Ⅰ級鐵路，中-活載，設計速度為120 km/h客貨共線。地震動峰值加速度值采用0.15g，地震動反應譜特征周期采用0.45 s，橋址主要地層為：第四系全新統(tǒng)沖積粉土、細砂、中砂、粗砂、礫砂、細圓礫土、粗圓礫土。

2 主橋結(jié)構(gòu)構(gòu)造

2.1 V構(gòu)及主梁

V撐外側(cè)斜腿與豎直面夾角為54°，內(nèi)側(cè)斜腿與豎直面夾角為42.8°，截面采用矩形實心截面，橫橋向?qū)?.7 m，厚2 m，斜腿根部與梁底面設圓弧倒角平順相接。V構(gòu)底部至梁頂高11 m，V構(gòu)底部沿橫向設2個支座。

主梁采用C55混凝土，單箱單室直腹板截面，主跨跨中80 m及邊跨端部24.85 m范圍內(nèi)梁高為3 m，V墩兩斜腿支撐處理論梁高為4.6 m，梁高按1.8次拋物線變化；箱梁頂面寬10.7 m，底面寬6.8 m；箱梁頂板厚40～60 cm，底板厚40～80 cm，腹板厚50～120 cm；主梁在V構(gòu)內(nèi)部梁高按圓弧變化，最小梁高為3.2 m；翼緣懸臂端部厚20 cm，根部厚60 cm。主梁在V撐斜腿頂部設2 m厚橫隔板，共4道。主梁中跨標準截面見圖3，V構(gòu)部分外立面見圖4。

圖3 主梁中跨標準截面(單位：cm)

圖4 V構(gòu)部分外立面(單位：cm)

主梁采用縱、橫、豎三向預應力體系。由于主梁采用支架現(xiàn)澆法施工，梁段較長，為防止預應力損失過多，縱向腹板束采用連接器分段張拉，除腹板束采用27-φ15.24 mm低松弛預應力鋼絞線外，其余頂、底板束均采用19-φ15.24 mm低松弛預應力鋼絞線。箱梁橫向預應力采用 5-φ15.24 mm低松弛預應力鋼絞線，間距50 cm，單端交錯張拉。豎向預應力采用精軋螺紋鋼筋。

2.2 拱肋

拱肋采用1.8次拋物線，計算跨度134 m，矢高39.3 m，矢跨比f/L≈1/3.4，兩榀拱肋橫向間距7.6 m，采用變高度啞鈴形截面，內(nèi)填C55微膨脹混凝土，拱肋鋼管外徑為1.2 m，壁厚20 mm，拱腳處上下弦管中心間距1.97 m，拱頂處上下弦管中心間距4.0 m。腹板采用厚度22 mm的鋼板，間距80 cm。拱肋中心線方程為：y=0.020 299x1.8(m)，拱肋中心最高點距橋面36 m。 綴板間除拱腳面以外2 m范圍及吊桿縱向1.5 m范圍灌注混凝土外其余均不灌注混凝土。兩榀拱肋間共設7道橫撐，拱頂處設1道 “I”字形撐，其余6道為“K”字形撐，橫撐均為空鋼管組成的桁式結(jié)構(gòu)。拱頂處拱肋截面見圖5。

圖5 拱頂處拱肋截面(單位：mm)

2.3 吊桿

2.4 橋墩及基礎

V構(gòu)下部設支座，支承于承臺加臺上，承臺尺寸為12.5 m×17.25 m×4 m(縱×橫×高)，主墩設12根φ1.8 m鉆孔灌注樁。

3 主橋結(jié)構(gòu)分析

3.1 靜力分析

采用有限元軟件進行計算，主梁及拱肋、橫撐均采用梁單元模擬，吊桿采用桿單元[1]，建立空間有限元模型，計算參數(shù)取值如下。

自重：按結(jié)構(gòu)實際尺寸及材料容重取值；二期恒載：90 kN/m；活載：中-活載，動力系數(shù)按鐵路規(guī)范計算，取1.07；混凝土收縮徐變：主梁混凝土按鐵路橋規(guī)(TB10002.3—2005)的規(guī)定，并結(jié)合公路規(guī)范(JTG D62—2004)計算收縮徐變系數(shù)，預應力加載齡期按14 d，環(huán)境相對濕度按70%考慮，管內(nèi)混凝土的收縮按照環(huán)境降溫考慮；管內(nèi)混凝土徐變計算較復雜，且目前各國規(guī)范對這一問題有不同的認識，本橋拱肋按照換算截面計算，對拱肋混凝土徐變簡化處理為將拱肋混凝土強度容許值乘以折減系數(shù)[2，12]；基礎不均勻沉降按相對位移1 cm考慮；溫度變化作用：體系均勻升降溫參考當?shù)氐臍庀筚Y料，按±20 ℃考慮，非均勻溫度變化簡化按箱梁頂板升溫5 ℃考慮[9，10]。

3.1.1 主梁靜力檢算

分別對主梁施工階段及運營階段的應力、強度、抗裂性及變形進行檢算，計算結(jié)果如下。

(1)主力作用下：運營階段主梁截面最大壓應力為13.28 MPa，最小壓應力為2.0 MPa；最小強度安全系數(shù)為2.23；最大主壓應力為10.9 MPa，最大主壓應力為1.47 MPa；上下緣最小抗裂安全系數(shù)分別為1.46、1.64，各項指標均滿足規(guī)范要求。

(2)主力+附加力作用下，主梁截面最大壓應力為13.77 MPa，最小壓應力為1.1 MPa；最小強度安全系數(shù)為2.04；最大主壓應力為11.35 MPa，最大主壓應力為1.66 MPa；上下緣最小抗裂安全系數(shù)分別為1.39、1.55，各項指標均滿足規(guī)范要求。

(3)在凈活載作用下，中跨最大撓度2.2 cm，邊跨最大撓度1.84 cm，撓跨比滿足規(guī)范要求。

城鄉(xiāng)規(guī)劃是一項基礎性的工作，它對城市的建設和運行發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，目前，城鄉(xiāng)地理空間布局仍然是城鄉(xiāng)規(guī)劃所關(guān)注的重點，因此，城鄉(xiāng)規(guī)劃的順利開展離不開測繪數(shù)據(jù)的支撐和保障。對海量數(shù)據(jù)進行快速的采集、存儲、加工、解析、價值提取以及集成展示是測繪地理大數(shù)據(jù)最核心的價值，我們可以把測繪地理大數(shù)據(jù)比作成城鄉(xiāng)規(guī)劃工作的一種礦產(chǎn)資源，它為城鄉(xiāng)規(guī)劃業(yè)務帶來了新的分析手段?？偟膩砜?，測繪地理大數(shù)據(jù)條件下的城鄉(xiāng)規(guī)劃具有以下特點：

3.1.2 拱肋靜力檢算

鋼管混凝土拱肋采用換算截面，算得鋼管及管內(nèi)混凝土應力見表1。

表1 拱肋鋼管及混凝土應力(受壓為正) MPa

從表1可以看出，拱肋均處于受壓狀態(tài)，應力滿足規(guī)范要求。

對結(jié)構(gòu)在主力作用下的屈曲模態(tài)進行了分析，一階失穩(wěn)模態(tài)為主拱橫向失穩(wěn)，安全系數(shù)為10.2。

3.1.3 吊桿檢算

主力作用下吊桿應力最大值為338.5 MPa，強度安全系數(shù)最小為4.9，活載應力幅最大為79.5 MPa。

3.1.4 V撐底部局部應力分析

本橋V撐不對稱，底部構(gòu)造復雜，上部結(jié)構(gòu)荷載通過V撐兩肢向下傳遞于交匯處，且支座反力較大，在V撐兩肢內(nèi)力與支座反力共同作用下，V撐底部受力極為復雜，平面單元難以真實的模擬實際結(jié)構(gòu)，采用三維實體單元對V構(gòu)局部進行模擬，計算模型如圖6所示。

圖6 V構(gòu)底部有限元實體模型

設計中以計算結(jié)果為參考，對V構(gòu)底部縱橫向均設預應力粗鋼筋，且加強普通鋼筋及構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)的局部安全。

3.2 動力分析

3.2.1 自振特性

對主橋建立有限元模型，梁體及拱肋均采用梁單元模擬，吊桿采用桿單元，計算處主橋前5階振型見表2。

表2 主橋前5階振型特點及自振周期

3.2.2 結(jié)構(gòu)抗震

根據(jù)橋址處地質(zhì)勘察資料，橋址處地震動峰值加速度為0.15g(相當于地震基本設防烈度Ⅶ度)，反應譜特征周期為0.40 s，結(jié)構(gòu)抗震主要檢算制動墩的樁基，按《鐵路工程抗震設計規(guī)范》(GB 50111—2006)，分別計算恒載與縱、橫向水平地震作用的組合[7]。根據(jù)計算結(jié)果，樁基受主力控制。

3.2.3 車橋耦合動力仿真分析

建立車-線-橋空間有限元模型，考慮樁基與土層的相互作用，對該橋在普通旅客列車(SS8機車)和C70貨車作用下的車橋空間耦合振動進行了分析，結(jié)果表明：在普通旅客列車(SS8機車)以速度80～140 km/h范圍通過年楚河大橋時，豎向和橫向舒適性均達到“優(yōu)”或“良”；在C70貨車以速度60～120 km/h范圍通過年楚河大橋時，豎向和橫向平穩(wěn)性均達到“優(yōu)”或“良”[5]。

4 主橋施工步驟

主橋采用先梁后拱施工順序[8]。V形剛構(gòu)采用支架現(xiàn)澆方案，共分7個梁段，分段澆筑；主梁合龍后利用橋面作為臨時工作面，搭建拱肋拼裝支架及工作平臺，吊裝拱肋節(jié)段；按設計要求調(diào)整拱肋高程及線型，保證拱肋安裝精度；由拱腳向拱頂對稱灌注拱肋鋼管內(nèi)混凝土；待管內(nèi)混凝土達到設計要求后，安裝吊桿，并按設計噸位對稱張拉吊桿；拆除支架，施工橋面附屬結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

V形剛構(gòu)加拱組合結(jié)構(gòu)，將大跨預應力混凝土V形連續(xù)剛構(gòu)和拱橋2種體系有機的結(jié)合在一起。梁拱共同受力，一方面，通過拱及吊桿對跨中的加強作用，可減少V構(gòu)梁高和邊跨跨度，改善了組合結(jié)構(gòu)體系整體長期變形和受力狀態(tài)；另一方面， V構(gòu)改善了吊桿的應力幅及拱的抗疲勞性能，增強了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3]。V形剛構(gòu)加拱組合結(jié)構(gòu)具有二者的優(yōu)點，既能滿足此處特殊的景觀要求，又能在結(jié)構(gòu)上合理的滿足實用功能，也為鐵路大跨橋梁結(jié)構(gòu)提供了一種新型的橋型結(jié)構(gòu)。

[1] 王鵬宇，劉振標.廣珠鐵路虎跳門特大橋主橋連續(xù)剛構(gòu)拱設計[J].鐵道標準設計，2011(8):43-56．

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[3] 鄭健.中國高速鐵路橋梁[M].北京：高等教育出版社，2008．

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