克塔鐵路單線96 m鋼管混凝土系桿拱橋設計

張學斌

（中鐵一院集團新疆鐵道勘察設計院有限公司，新疆烏魯木齊830011）

克塔鐵路單線96 m鋼管混凝土系桿拱橋設計

張學斌

（中鐵一院集團新疆鐵道勘察設計院有限公司，新疆烏魯木齊830011）

克（拉瑪依）塔（城）鐵路采用主跨96 m鋼管混凝土系桿拱橋跨越克塔高速公路。本文著重介紹了96 m系桿拱橋細部構造尺寸的擬定過程，并建立全橋平面、空間有限元模型，對拱橋結構的靜力、動力進行分析，研究系梁、拱的受力特性。分析結果表明:該橋各項指標滿足設計和規范要求；拱橋的屈曲空間穩定性是該類型橋梁計算的重點，通過空間有限元計算分析和傳統經驗公式計算結果的比較，提出由于后者未考慮整體空間效應而較為保守。

系桿拱橋；鋼管混凝土；構造尺寸；靜動力分析；屈曲穩定性

1　工程概況

新建克塔鐵路位于新疆維吾爾自治區北部的克拉瑪依市和塔城地區。線路自克拉瑪依市境內的奎北鐵路百口泉車站引出，向北穿越百口泉油田區、再向西北沿木胡爾塔依河經白楊河礦區、鐵喇礦區至托里縣鐵廠溝鎮，再翻越兩棵樹埡口至額敏縣，然后向北至塔城市，終點至巴克圖口岸，線路全長約307 km。

克塔鐵路于DK135+498處跨越克塔高速，該路段線路位于緊坡地段，跨越道路立交凈空受限，為減少橋梁跨度及降低橋梁建筑高度，采用96 m系桿拱橋跨越該道路，按照支架現澆、先梁后拱的工法施工。克塔高速為雙向四車道，瀝青混凝土路面，分離式路基。該段高速公路橫斷面形式為：0.5m土路肩+2.0m硬路肩+2×3.75m行車道+1.5m硬路肩+0.5m土路肩，單幅路寬12m，兩幅道路線間距為9m。鐵路與高速公路夾角為45°。主跨立面布置如圖1所示。主梁位于R=1200的圓曲線上。橋址處地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應譜特征周期0.35s，相當于地震基本烈度Ⅶ度。

圖1　主跨立面布置（單位：m）

2　主要技術標準

1）鐵路等級：客貨共線Ⅱ級。

2）正線數目：單線。

3）速度目標值：120 km/h。

4）最小曲線半徑：一般1 200 m，困難800 m。

5）限制坡度：6‰。

6）軌道形式：有砟無縫線路。

7）設計活載：中-活載。

3　結構構造

結構屬剛性系梁剛性拱，計算跨徑L=96m。系梁按照直梁設計，梁體按照平分中矢法布置。拱肋為鋼管混凝土結構，啞鈴形截面。拱軸線采用二次拋物線，計算矢高f=19.2m，矢跨比1/5。理論拱軸線方程：y=x/1.25-x2/120。橫橋向設置2道拱肋，拱肋中心間距8.25m。下部結構橋墩采用圓端形橋墩，基礎采用直徑1.50m鉆孔灌注樁。

3.1系梁構造

系梁全長99.0m，支座中心距梁端1.5m。梁體采用橫向和縱向剛度較大的單箱雙室變高度箱形截面，跨中梁高2.6m，支點處加高至3.0 m。箱梁頂寬11.36m、底寬8.6m，梁端及拱腳處10.5m范圍內分別加寬至11.95，10.05m。頂板、底板厚均為30cm，腹板采用直腹板，邊腹板厚35cm，中腹板厚30cm，邊腿板與中腹板拱腳附近分別加厚至180cm。箱梁于支點處設置厚7.0m的端橫梁，于各吊桿處均設置橫隔墻，隔墻厚0.35m。橫梁及橫隔墻均設置過人孔。系梁位于曲線上，按平分中矢法布梁，其梁端采用梯形布設來解決與普通簡支梁線間梁縫的寬度問題。系梁跨中截面和支點截面布置見圖2。

圖2　主跨橫向布置（單位：m）

3.2拱肋、橫撐及吊桿構造（圖2）

橋面設置2道拱肋，拱肋采用外徑φ1000mm、壁厚16mm的鋼管混凝土啞鈴形截面，上下兩鋼管中心距2.0m，拱肋截面全高3.0m，鋼管內灌注C55補償收縮混凝土。拱肋上下鋼管之間連接綴板厚16mm，綴板間距在拱腳附近為1000mm，其余為600mm；綴板間在拱腳面至其外4.52m范圍、吊桿處1.5m范圍內灌注混凝土，其余均不灌注混凝土。

拱肋之間共設5道橫撐、2組K撐。橫撐及K撐均為空鋼管組成的桁式結構。橫撐上、下弦管采用外徑φ800 mm、壁厚20 mm的鋼管，K撐上、下弦管采用外徑φ500 mm、壁厚12 mm的鋼管；橫撐上、下弦管之間均采用外徑φ400 mm、壁厚10 mm的鋼管做腹桿組成的桁架連接，K撐上、下弦管之間均采用外徑φ400 mm、壁厚8 mm的鋼管做腹桿組成的桁架連接。

考慮橋梁后期養護更換吊桿的安全性，吊桿縱向采用雙吊桿布設。2道拱肋共設13對吊桿，第一對吊桿距離支點12.0 m，其余吊桿中心間距均為6.0 m。每處吊桿均由雙根55絲φ7 mm的平行鋼絲束組成，雙吊桿之間縱向間距60 cm。為防止人為破壞，在距梁頂以上3 m范圍內，于吊桿PE護套外，加設1.5 mm厚的不銹鋼管予以防護。吊桿的張拉端位于拱肋上端。

3.3拱腳構造及支座（圖2）

拱肋在拱座處截面由啞鈴形變為圓端形，并伸入拱座。拱腳拱肋鋼板綴條，并通過箱梁構造鋼筋等與系梁形成整體，拱腳為1.6 m×5.0 m的矩形實體截面。為改善拱腳混凝土的抗拉能力，拱腳及該段系梁采用C55聚丙烯纖維混凝土。

采用球型20 000 kN鋼支座，支座間距8.25 m，梁端橫向布置2個支座。

4　施工方法

本橋采用先梁后拱的施工方法。即系梁按常規施工方法支架現澆施工完成后，在梁上搭設拱肋支架，在其上安裝空鋼管拱肋及橫撐，鋼管拱肋內泵送混凝土。待拱肋混凝土達到強度后安裝并張拉吊桿，再拆除系梁支架及臨時拱架，施工橋面等二期工程。

5　結構計算

5.1計算荷載

1）恒載：箱梁、拱肋及橫撐自重，橋面二期恒載。

2）活載：中-活載，列車豎向動力作用。

3）均勻升、降溫：±20℃。

4）非均勻升、降溫：梁與拱肋、吊桿之間的溫差分別按10，15℃計算。箱梁按頂板升溫8℃考慮。

5）其他設計荷載及相關參數，按鐵路橋涵設計規范［1-3］取值。

5.2結構靜力計算

5.2.1系梁縱向計算

結構靜力分析按施工階段及運營階段采用西南交大“橋梁結構分析系統BSAS”進行，預應力混凝土箱梁按照全預應力混凝土設計。計算時將2片拱肋截面合為一體，根據剛度（EA，EI）等效原則將拱肋鋼管混凝土換算為同等級的混凝土，吊桿按照柔性索單元輸入。平面計算模式共劃分74個節點、72個單元。計算考慮拱肋鋼管混凝土的收縮、徐變，分別考慮主力、主力+附加力2種荷載組合。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）要求分別對混凝土、預應力鋼束的各項指標進行控制。

5.2.2系梁橫向計算

系梁橫向計算包括支點橫梁、吊桿隔墻、橫向環框3方面。橫向按被支承在主梁腹板中心線下緣的箱形框架計算。根據系梁的剛度，確定中腹板下彈性支撐的剛度。由各模型計算結果配置各控制截面的上、下緣鋼束。

5.2.3拱肋計算

拱肋按照鋼筋混凝土結構進行強度驗算，按照小偏心受壓構件檢算拱肋截面，計算時不考慮外包鋼管的套箍作用。

5.2.4吊桿計算

根據平面模型的吊桿拉力值，吊桿安全系數應＞3.5，應力幅控制在150 MPa以內［4］。

5.3結構動力及穩定性分析

結構動力及穩定性分析采用韓國程序MIDAS進行，梁和拱均采用梁單元模擬，吊桿采用只受拉的索單元模擬，分別建立橫向和縱向空間模型（因拱肋截面換算縱橫向剛度不同）對拱肋的面內外屈曲穩定、整體結構自振特性進行分析。空間計算模型見圖3。

圖3　空間計算模型

橋梁的自振頻率反映結構的剛度，影響結構的行車安全。系桿拱橋的豎向自振頻率應≥23.58L-0.592=1.58 Hz，橫向自振頻率應≥55/L-0.8=1.43 Hz的限值（L為橋梁跨度）。結構動力分析結果見表1。

系桿拱橋的穩定性是關系其安全與經濟的主要問題之一，它與強度問題有同等重要的意義［5］。目前關于拱橋穩定性的驗算是個較為復雜的問題。

方法1：利用傳統經驗公式，用手算來完成。近似驗算方法是將呈曲桿式的拱圈轉換為虛擬的直桿梁，按組合壓桿來計算其臨界軸壓力。文獻［6］給出了雙肋拱的臨界軸向力計算公式

表1　結構模態計算結果

式中：Iy為兩拱肋截面對其公共豎軸的平均慣性矩；L0為橫向計算長度。

用該公式計算，橫向穩定性系數為14.8。

方法2：鋼管混凝土拱橋的空間穩定性分析考慮面內和面外剛度差異，分別建立空間MIDAS有限元模型，計算結果表明該橋橫向面外失穩先出現，驗證了此類橋梁的失穩特點，穩定性系數為30.2。

方法2的計算結果反映出拱橋空間效應對穩定性的有效作用，故穩定性系數偏大，而傳統的計算方法，將空間問題轉換為平面結構，其結果必然是偏小的。

5.4全橋主要檢算結果（見表2）

計算結果表明，系桿拱橋各項指標滿足規范限值要求。

表2　結構主要檢算結果

續表2

6　結語

1）本橋在設計階段通過大量參數分析，確定了滿足規范各項指標的合理結構尺寸，節省了工程量，具有較好的經濟性能。

2）分析計算表明，本橋在各種不利荷載作用下能夠滿足安全使用要求，結構靜力、動力、屈曲空間穩定性滿足規范要求，同時梁、拱組合結構具有足夠的剛度。

3）本橋是新建鐵路克拉瑪依至塔城線的重點工程，是該線最大跨度的鐵路橋梁。通過本橋的設計與修建，為今后同類型的橋梁設計積累了有益的經驗。

［1］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.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結構設計規范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3—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.

［4］李杰，陳淮，江瑩瑩，等.鋼管混凝土系桿拱橋吊桿力計算及調索方法研究［J］.鐵道建筑，2014（1）：7-10.

［5］李國豪.橋梁結構穩定與振動［M］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［6］范立礎.橋梁工程［M］.北京：人民交通出版社，2012.

（責任審編孟慶伶）

Design of Single Track 96 m Span Concrete-filled Steel Tube Tied Arch Bridge for Karamay-Tacheng Railway

ZHANG Xuebin
（Xinjiang Railway Survey and Design Institute Co.，Ltd.，China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Urumqi Xinjiang 830011，China）

A 96 m span concrete-filled steel tube tied arch bridge on Karamay-T acheng railway is across Karamay-T acheng expressway.In this paper，the detailing structure sizes of this bridge were introduced.A planar and a 3D finite element（FE）models of the entire bridge were built to analyze the static and dynamic performance of the girders and the arches.T he results indicate that every index of this bridge meets the requirements of the design and relevant codes.T he key is the spatial buckling stability of the arch bridge.Comparing 3D FE modeling and calculation with conventional empirical equations，the results show that the latter method is more conservative due to its lack of consideration of entire spatial effect.T his type of bridges have advantages including longer span，lower height，greater entire stiffness and higher aesthetic value.

T ied arch bridge；Concrete-filled steel tube structure；Structure size；Static and dynamic analysis；Buckling stability

U442.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.04

1003-1995（2016）10-0013-04

2016-03-29；

2016-07-28

張學斌（1984—），男，工程師，碩士。