鋼筋混凝土板拱結構在鐵路橋梁中的應用分析

楊靖

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

鋼筋混凝土板拱結構在鐵路橋梁中的應用分析

楊靖

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

上承式鋼筋混凝土板拱適用于地質條件較好的地區，其外形美觀、受力明確、工期短、成橋快，是鐵路橋梁的發展方向之一。根據橋址的地形地貌、地質條件、水文特征和工程條件，結合板拱的結構優勢，橋渡方案選用跨度42 m的上承式鋼筋混凝土板拱，一跨跨越溝谷。應用Midas軟件建立全橋有限元模型進行結構靜動力特性及穩定性計算分析。分析結果表明，該橋滿足設計要求，板拱結構具有推廣應用價值。

雙線鐵路 鐵路橋梁 鋼筋混凝土板拱 應用分析

1 工程概況

某鐵路線曹家河中橋為雙線橋，位于直線上，坡度13‰，Ⅰ級鐵路，設計行車速度200 km/h。橋址位于西秦嶺高山區，橫跨曹家河中游河段。曹家河為大團魚河的支流之一，常流水，水量豐富，流速較大，該段河谷呈“U”字形，地形起伏大，相對高差約120～200 m，交通極為不便。河谷兩岸陡立、基巖裸露，植被茂密，河床內無任何水生植物。根據調查，基巖片理面產狀穩定，無褶皺、斷裂等地質構造現象。地質評價結果表明該段線路為泥石流多發區，該河溝為泥石流溝。河床內分布大量塊石，最大直徑可達11 m，大部分直徑3.0～5.0 m。

2 主橋設計

2.1 橋式選擇

鋼筋混凝土板拱具有結構簡單、受力明確、外形美觀和施工方便的優點，整體性和橫向穩定性好，其施工不需要大型吊裝設備。由于溝谷中可能落入大塊碎石影響橋墩安全及行洪，在兩岸基礎較好的地區應避免在溝谷中設置橋墩，盡量實現一跨過谷。鑒于此，本工程選用跨度42 m的鋼筋混凝土板拱較為合適。

2.2 全橋總體布置

本橋為跨度 42 m鋼筋混凝土板拱，拱肋高度8.4 m，矢跨比為1/5。采用拋物線線形。橋臺采用鋼筋混凝土箱形橋臺，橋臺頂面與線路坡度相同，箱底置于完整基巖與拱座基礎之上。全橋總布置見圖1。

圖1 全橋總體布置(單位:cm)

3 板拱結構分析

3.1 板拱構造

采用板式拱肋截面，厚度1.0 m，寬度8.0 m。拱軸線采用二次拋物線方程:y=0.019 05x2+s，其中 s為預拱度設計值。拱頂處拱肋與橋面板固結，厚度1.560 m，寬度8.0 m，固結處采用倒角形式。

3.2 拱上結構

拱上立柱的主要作用是將橋面荷載傳遞到板拱上。為避免立柱底豎向力過大，引起拱肋在立柱處承受較大集中力，立柱間距不宜大于拱肋跨度的1/6～1/10。本橋拱肋上每隔6.0 m設一立柱，采用實腹板形式，立柱與橋面板及拱肋之間固結。

拱頂立柱之上設置8.0 m×6.0 m的橋面板，兩端支承于橋臺上。橋面縱梁采用等高度鋼筋混凝土連續梁，實腹板截面，梁高0.506 m，梁寬11.36 m。橋面縱梁采用現澆懸臂式人行道。縱梁與拱頂及立柱之間固結，整體現澆。

3.3 拱座基礎

拱座基礎就山勢設置，為楔形截面，置于千枚巖弱風化層。蘭州側拱座尺寸:縱向長度6.00 m，橫向長度10.00 m，高度6.75 m。重慶側拱座尺寸:縱向長度6.8 m，橫向長度10.0 m，高度7.0 m。施工時須注意拱座底部與山體間臺階的設置，并嚴格控制拱肋的定位，確保拱肋的坐標和傾角準確。

4 結構計算

4.1 靜力計算分析

4.1.1 主要設計荷載

1)二期恒載包括人行道、擋砟墻、鋼軌、扣件、軌道板、砂漿墊層和管線，采用121 kN/m。

2)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)中的規定采用。混凝土平均加載齡期按 7 d計，終極齡期按1 500 d計。

3)設計活載采用中活載，拱及拱上立柱動力系數為

式中:λ為臨界荷載系數;L為橋跨跨度;f為自振頻率。

橋面板動力系數為

式中:α=4(1－h)≤2，h為橋跨頂上填土厚度。

4)列車制動力為582 kN。

5)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:24－10= 14℃，計算時取20℃。整體降溫:－15－2=－17℃，計算時取－25℃。橋面板考慮非均勻升溫5℃。

4.1.2 主要計算結果

1)拱

選擇拱腳、1#立柱處、2#立柱處、1/4拱處、Ⅰ-Ⅰ截面和拱頂作為控制截面，見圖2。其中，拱腳、1/4拱處和拱頂截面應力及裂縫情況見表1。由表1可知，拱腳截面受配筋控制，其余截面內力均較小。

圖2 截面位置示意

表1 拱肋計算結果

拱座計算時，拱肋、橋臺及拱座自重的外力均分解至拱座斜面中心計算，不考慮對基礎背面地基的影響。拱座底面穩定計算參照《公路橋涵設計手冊——墩臺與基礎》(第2版)，計算結果見表2。

2)拱上立柱

1#及2#立柱截面應力均受主力控制，按小偏心受壓構件計算，計算結果見表3。

表2 拱座穩定系數計算結果

3)拱上橋面板

計算了跨中、支點控制截面在不同荷載組合作用下的荷載效應，計算結果見表4。

表3 拱上立柱受力計算結果

表4 橋面板計算結果

4.2 預拱度的計算

截面剛度為0.8EI，徐變應用Midas軟件計算，收縮采用升溫15℃，降溫采用22℃。拱頂位移見表5。

表5 拱頂位移cm

4.3 動力特性分析

設計地震動峰值加速度為0.20g，動反應譜特征周期為0.45 s。應用Midas軟件對空間結構進行動力特性分析，得到結構前5階自振周期及振型，見表6。結構第1階振型為梁拱面內反對稱縱向撓曲振動，自振頻率為3.879 Hz，周期＜1.7 s。結構第2階振型為梁拱面外對稱橫向撓曲振動，自振頻率為7.437 Hz，周期＜1.7 s。第1，2階振型見圖3。

表6 結構自振特性

4.4 穩定分析

采用Midas軟件對模型進行穩定計算，荷載考慮自重+二期恒載+靜活載。靜活載加載方式為全橋均布加載。

拱肋縱向穩定計算得出臨界荷載系數為28;拱肋橫向穩定計算得出臨界荷載系數為35。可見，該橋縱、橫向穩定性均很好。

圖3 板拱結構振型

5 施工步驟

該橋施工采用支架現澆拱肋(含拱頂實體段)、拱頂立柱及橋面板。

施工步驟:①清理橋臺處邊坡危石并刷方，加固邊坡，施工拱座基礎;②架設板拱支架，施工板拱及拱頂實體段;③施工拱頂立柱及橋臺;④搭設橋面板支架，澆筑橋面板混凝土;⑤拆除板拱支架及橋面板支架，施工橋面工程。

6 結語

受制于地形地質條件，橋址交通極為不便，大型設備難以進入施工場地，大型泥石流攜帶巨石對于橋渡范圍內設置的橋墩可能造成危害。設計采用一跨跨越河谷的簡單板拱結構，對結構靜動力特性及穩定性進行了設計計算與分析。板拱結構造型美觀，圬工量小，造價低，施工環節較少，工期短，成橋快，具有推廣價值。

［1］李亞東.橋梁工程概論［M］.成都:西南交通大學出版社，2001.

［2］范立礎.橋梁工程:下冊［M］.2版.北京:人民交通出版社，2014.

［3］續宗寶.140 m雙線鐵路上承式勁性骨架混凝土拱橋設計［J］.鐵道標準設計，2011(2):65-68.

［4］孫建平，季日臣，徐岳震.鐵路大跨度系桿拱橋結構穩定性設計參數研究［J］.鐵道建筑，2011(12):26-28.

［5］陳寶春.鋼管混凝土拱橋［M］.北京:人民交通出版社，2007.

(責任審編 鄭 冰)

U448.34

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.05

2015-05-06;

:2015-08-06

楊靖(1979— )，男，陜西渭南人，工程師。

1003-1995(2015)09-0015-03