渭河溝大橋115 m鋼筋混凝土拱橋方案設計

姚保輝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

渭河溝大橋115 m鋼筋混凝土拱橋方案設計

姚保輝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

蘭渝線渭河溝大橋跨越深溝，根據橋址處的地質、地形等情況，擬采用主跨115 m的上承式鋼筋混凝土拱橋。本文先對該橋的拱軸系數進行了詳細研究，并擬定了主橋的詳細結構尺寸及施工方法、步驟;然后，采用Midas軟件建立有限元模型，進行靜力、動力、穩定性及施工階段等方面的計算分析，分析結果表明該橋各項技術指標均滿足相關規范要求。

雙線鐵路 上承式拱橋 鋼筋混凝土拱橋 設計

1 工程概況

蘭渝線渭河溝大橋主橋擬用115 m上承式鋼筋混凝土拱橋。橋梁位于直線上，線路縱坡12.8‰，為Ⅰ級雙線電氣化鐵路，設計行車速度200 km/h。橋址位于甘肅省隴南市武都區楓相院鄉北側，地形狹窄，溝床呈典型的V字形。橋位區域河流兩岸的陡立坡面基巖裸露。

橋址范圍地層主要為下元古界的板巖，河岸兩側峭壁廣泛出露，青灰色略帶灰綠色，板狀構造，片理面較發育。巖質較致密堅硬。表層強風化，風化層厚約7～10 m，屬Ⅳ級軟石，σ0=600 kPa;弱 ～微風化，屬Ⅳ級軟石，σ0=800 kPa。工程所屬區域地震動峰值加速度值為0.20g，相當于地震基本烈度八度，地震動反應譜特征周期為0.40 s。該地區1月份月平均氣溫－2℃;7月份月平均氣溫 24℃;平均相對濕度為65.0%，最大季節凍結深度13 cm。

2 主橋設計構思

2.1 橋式選擇

橋址處兩岸邊坡陡峭，溝谷呈典型的V字形，河谷深切，地質條件良好。渭河溝溝槽內常年流水、水流湍急，分布著大量塊石及碎石，最大的塊石直徑約4 m左右，溝內不宜設置橋墩。上承式拱橋整體性及橫向穩定性好，在地質條件良好的峽谷地區，具有不可比擬的優勢。為了減輕拱肋結構自重，增加橋梁抗扭能力，拱肋可采用箱形截面。綜合考慮上述因素及減少后期養護維修工作量等問題，本橋主橋擬用上承式鋼筋混凝土拱橋橋式。

2.2 全橋總體布置

本橋主跨為115 m鋼筋混凝土提籃拱，拱肋高度25.0 m，矢跨比為1/4.6。拱中心軸線采用懸鏈線方程，拱軸系數1.9。全橋總布置見圖1。

圖1 全橋總布置(單位:cm)

全橋孔跨布置為1×24 m簡支箱梁+1×115 m鋼筋混凝土提籃拱+1×24 m簡支箱梁。拱頂框架兩端各采用4×12 m的橋面縱梁，橋面縱梁采用等高度鋼筋混凝土連續梁。

3 拱橋結構設計

3.1 拱軸系數選擇

本橋采用懸鏈線作為拱軸線，拱軸系數的大小直接影響主拱截面內力分布與大小。選擇合理的拱軸系數，也就是盡可能降低由于荷載產生的彎矩值。本設計以1.3～3.0為拱軸系數，分析比較拱肋在恒載作用下的拱肋內力。從結果可以看出，拱軸系數增大拱腳彎矩值減小，拱軸系數減小拱頂彎矩值減小。以拱肋截面內力及截面檢算結果(混凝土應力)均衡為原則，本設計拱軸系數最終采用1.9。

3.2 拱肋構造

3.2.1 拱肋中心距

由于穩定性要求，拱肋中心距需要大于跨度的1/20。為緩解較窄的橋面箱梁與較寬拱肋之間的矛盾，考慮橋梁的整體美觀，將兩分離式拱肋設置呈變間距。拱頂處兩拱肋中心距采用4.4 m;拱腳處拱肋中心距加寬至8.758 m。因此拱肋呈傾斜布置，拱頂內傾2.179 m，其傾角為5°。兩片分離拱肋，在拱肋立柱處設橫撐，橫撐采用寬1.6 m箱形截面，高度隨拱箱高度變化，全橋共設11道一字橫撐。

3.2.2 拱肋箱形截面

單箱單室截面(拱腳以上4 m為實體段)，拱肋截面寬取2.0 m，拱頂截面高取 2.5 m，拱腳截面高取4.5 m，拱頂到拱腳范圍內拱肋高度按 Ritter公式變化。拱肋箱形截面見圖2。

3.3 拱上結構

拱上立柱的主要作用是將橋面荷載傳遞到主拱肋上，立柱之間的間距不宜過大，以免立柱底豎向力過大，引起拱肋在立柱處承受較大集中力;一般不宜大于拱肋跨度的1/8～1/15。本橋拱肋上每隔12 m左右設一立柱，拱上立柱采用雙斜柱，實心截面，1#，2#，3#立柱與6#，7#，8#立柱尺寸為130 cm(縱向)×170 cm (橫向)，立柱橫撐尺寸為100 cm(寬)×100 cm(高)。托盤高1.0 m，寬1.5 m;頂帽高0.5 m，寬1.7 m。1#立柱構造見圖3。

圖2 拱肋箱形截面(單位:cm)

圖3 1#立柱構造(單位:cm)

考慮到連續梁能增強橋面縱、橫向的剛度，行車條件好，拱頂框架兩端各采用4×12 m的橋面縱梁，橋面縱梁采用等高度鋼筋混凝土連續梁。采用單箱單室截面，箱梁高1.8 m，頂板寬11.36 m，底板寬5.6 m，跨中腹板厚50 cm，頂板厚30 cm，底板厚30 cm。橋面縱梁采用現澆懸臂式人行道。每聯縱梁固定支座設在拱頂側，其余各墩柱采用活動支座，以免固定支座設置在拱座墩上而導致拱座墩的尺寸過大。

拱頂采用框架式結構，為避免其與拱圈共同受力而使頂板產生較大的順橋向壓力，每隔4.7 m設1道橫向斷縫;框架頂板和兩側墻采用混凝土鉸，以減少拱肋的不均勻沉降對框架產生的較大內力。框架頂板跨中厚采用35 cm，框架側墻厚采用60 cm。

3.4 拱座基礎

拱座縱向長度為13.6 m，橫向尺寸15.5 m，高度17 m，拱座基礎置于板巖弱風化層。施工時以拱肋預埋鋼管底部位置為分界線分兩次澆筑，一方面可以減小結構尺寸降低水化熱，另一方面可以固定預埋鋼管支架，確保預埋鋼管定位牢固。

4 結構計算

4.1 靜力計算分析

4.1.1 主要設計荷載

收縮徐變按《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB 10002.3—2005)中規定采用。混凝土平均加載齡期按7 d計，終極齡期按1 500 d計。

設計活載采用中活載，驗算引橋簡支梁及拱上結構時，動力系數按照《鐵路橋涵設計基本規范》4.3.5條第3款計算，1+μ=1.286。

驗算主拱圈時，動力系數按照《鐵路橋涵設計基本規范》4.3.5條第4款計算，1+μ=1.20。

拱肋合龍溫度采用10～15℃。當地7月平均氣溫24℃，1月平均氣溫－2℃。整體升溫14℃，計算時取20℃。整體降溫 －17℃，計算時取 －17℃。拱上縱梁橋面板考慮非均勻升溫5°。

拱圈基礎豎直變位和水平變位均為0.05 m;拱上連續梁與拱圈、拱上立柱聯合計算，以考慮拱圈基礎變位及結構變形對其內力、變形的影響。

4.1.2 主要計算結果

拱橋的1/4跨度處，由列車豎向靜活載所產生的上下撓度(絕對值)之和為0.032 m;拱上連續梁結構由列車豎向靜活載所引起的豎向撓度為0.045 m;拱上連續梁結構由列車豎向靜活載所引起的梁端轉角為0.000 84 rad，均滿足規范要求。

當下各個學校教育管理信息系統的建設與構成離不開教育部門的重視與推進。時代變革也會在無形中影響到教育體系，早期板書加粉筆的教學模式不再適合現今學生多元化的學習需求，教育信息化成為了實現教育現代化的重要途徑，針對當下國內各學校教育信息化建設的不斷完善，廣大教師也應順應時代發展將本校信息化工作落到實處。學校從硬件與軟件兩方面入手，硬件設施由信息網絡、用戶終端等基礎設備構成，軟件則由主操作平臺，各教職部門管理軟件組成[4]。這些教育管理信息化利器及時、迅速地將學校現階段各項工作的狀態與進展呈現了出來，從更高的角度進行切入協助了學校各系統開展工作，強化了工作效率，降低了工作強度。

拱座計算時，將拱座墩墩底力及拱肋拱腳力垂直投影到拱座最下一層臺階底面進行計算，不考慮基礎背面地基的影響。拱座底面滑動穩定計算參照公路橋涵設計手冊《墩臺與基礎》(第二版)，計算結果見表1。基底應力及基礎穩定均滿足規范要求。

表1 拱座計算結果

拱腳、拱頂鋼筋應力均為120 MPa左右，拱腳、拱頂混凝土應力均為12 MPa左右，滿足規范要求。拱肋截面應力及裂縫情況見表2。

表2 拱肋計算結果

表2中軸力值受壓為正，彎矩值拱肋截面上緣受拉為負，下緣受拉為正。

1#及8#拱上立柱由于立柱高度為17 m左右，截面應力受縱向地震控制，混凝土應力為13.3 MPa，鋼筋應力為223.9 MPa，滿足規范要求。拱上連續梁固定支座放置于4#及5#拱上立柱上，截面應力受縱向地震控制，混凝土應力為9.6 MPa，鋼筋應力為216.6 MPa，滿足規范要求。

拱上連續梁抗彎計算結果見表3，均滿足規范要求。

表3 拱上連續梁計算結果

4.2 動力計算分析

地震動峰值加速度0.20g，特征周期0.40 s。采用Midas軟件對空間結構進行動力特性分析，得出結構前五階自振周期及振型特性見表4。

表4 全橋振型

4.3 穩定性分析結果

穩定性分析中，計算荷載考慮自重、二期恒載、靜活載等。靜活載全橋均布加載。

拱肋穩定性計算結果:拱肋縱向臨界荷載系數32.3，拱肋橫向臨界荷載系數68.3，均大于規范規定的安全系數5，即穩定性滿足要求。

5 主橋施工工藝

本橋采用纜索吊裝法施工。借助山體上設置的纜索吊，采用斜拉扣掛法完成預制拱肋的吊裝，然后在拱肋上現澆拱上立柱，在拱肋支架上現澆橋面縱梁。拱肋施工圖見圖4。

圖4 拱肋施工示意

1)纜索吊安裝預制拱肋

纜索吊的吊塔由施工方根據現場實際情況及自身的設備狀況確定，視吊裝方便可將扣塔設置在橋墩上，但需對橋墩進行檢算。除去支架現澆段、濕接縫、拱頂合龍段，每片拱肋分為14個節段吊裝，最大吊重控制在750 kN。拱肋的吊裝方法采用四點抬吊整體吊裝、就位的方法進行。

2)拱上立柱施工

待拱肋混凝土達到一定強度后，從兩拱腳向拱頂對稱依次安裝及澆筑立柱混凝土，每組立柱混凝土需在初凝前一次澆筑完成。澆筑蓋梁混凝土時，從兩拱腳向拱頂對稱依次澆筑蓋梁混凝土。

3)拱頂框架施工

從兩側向拱頂對稱依次在支架上現澆拱頂框架。

4)支架現澆橋面縱梁

以墩、立柱及拱為依托架設支架。支架按不小于上部最大施工荷載的1.2倍重量進行預壓。待蓋梁混凝土達到一定強度后，從兩拱腳向拱頂對稱依次在支架上分段對稱現澆橋面連續梁。

5)橋面系施工

拆除支架，施工橋臺及引橋，現澆安裝伸縮縫、施工橋面鋪裝及橋面系。

6 結語

本橋采用纜索吊裝預制拱肋，最后施工拱上結構，該方法很好地解決了跨越深峽谷或深水區的大跨度拱橋的安裝施工。同時，拱上立柱及拱頂框架的構造比較新穎，對同類橋梁起到很好的借鑒參考作用。

［1］陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［2］陳寶春.鋼管混凝土上承式拱橋橋型分析［J］.公路，2006 (2):1-4.

［3］瞿國釗.宜萬鐵路落步溪大橋178 m混凝土拱橋設計［J］.鐵道標準設計，2005(11):57-59.

［4］宋順忱，李鳳芹.朔準線黃河橋主橋拱上建筑結構研究［J］.鐵道建筑，2012(5):4-7.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

(責任審編 孟慶伶)

U442.5

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.04

2015-04-16;

:2015-06-23

姚保輝(1971— )，男，陜西寶雞人，高級工程師。

1003-1995(2015)09-0011-04