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        欽江鐵路特大橋128m鋼管混凝土系桿拱橋設(shè)計

        2012-07-24 09:27:40廖成強
        四川建筑 2012年3期
        關(guān)鍵詞:系梁系桿吊點

        廖成強

        (中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司,四川成都610031)

        1 工程概況

        欽江鐵路特大橋是廣西沿海鐵路擴能改造工程欽北段重點橋渡,橋梁與河道水流基本正交;橋位處遠期規(guī)劃為雙孔通航,凈空2-110m×13m,最高通航水位為10.09m。

        本橋采用雙線有碴軌道,線間距4.6m,列車運行速度目標(biāo)值為(ZK活載)250km/h、(中-活載)120km/h。橋梁位于R=3 500m的曲線上,全長2 225m。其中,主橋采用兩孔計算跨徑128m下承式鋼管混凝土簡支系桿拱,立面如圖1所示。

        圖1 主橋2×128 m鋼管混凝土拱橋立面布置

        2 主橋結(jié)構(gòu)構(gòu)造

        單跨系桿拱系梁全長131.6m,計算跨徑128m,矢跨比f/L=1/5,拱肋平面內(nèi)矢高25.6m,拱軸線采用m=1.347懸鏈線線型。單跨系桿拱橋立面、平面及斷面布置詳見圖2所示。

        圖2 系桿拱立面、平面及斷面布置(單位:cm)

        系桿拱采用“先梁后拱”的施工方法,主要施工順序為:橋下搭設(shè)鋼管樁支架現(xiàn)澆混凝土主梁(系梁)→以主梁梁體作為施工平臺搭架拼裝空鋼管拱肋→泵送拱肋混凝土→安裝張拉吊桿。

        2.1 拱肋、橫撐及吊桿

        拱肋橫截面采用啞鈴型鋼管混凝土截面,截面高3.6m,沿程等高布置,主鋼管規(guī)格為1 300mm、壁厚δ=20mm,上下弦管中心距2.3m。拱肋主鋼管及腹腔內(nèi)均灌注C55混凝土。

        兩片拱肋之間共布置5道橫撐,其中拱頂設(shè)置“米”撐,拱頂至兩拱腳間設(shè)4道K撐。橫撐為空鋼管組成的桁式結(jié)構(gòu),主鋼管外徑850mm、壁厚16mm,斜鋼管外徑630mm、壁厚12mm。

        單跨系桿拱共設(shè)14對吊桿,第一根吊桿距離支點12m,其余吊桿縱橋向中心間距均為8m。每處吊桿均由單根163絲7mm的平行鋼絲束組成,配套錨具為冷鑄墩頭錨。

        2.2 系梁

        系梁按整體箱形梁布置,采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面。系梁標(biāo)準(zhǔn)段箱寬17.8m,梁高2.5m。系梁平面、立面及斷面構(gòu)造詳見圖3所示。

        圖3 混凝土系梁立面、平面及斷面布置(單位:cm)

        系梁縱向設(shè)置102束15-ΦS15.2預(yù)應(yīng)力筋,橫向在底板上設(shè)置4-ΦS15.2預(yù)應(yīng)力筋,吊桿處橫梁內(nèi)設(shè)置4束13-ΦS15.2預(yù)應(yīng)力筋,端橫梁處設(shè)置39束15-ΦS15.2預(yù)應(yīng)力筋。

        2.3 主墩及支座

        3個主墩均采用中間挖門洞造型的圓端形墩柱。主墩基礎(chǔ)均采用群樁基礎(chǔ)。單孔系桿拱橋共計設(shè)置4個40 000kN的球鋼支座。

        3 主橋結(jié)構(gòu)計算分析

        本橋系桿拱結(jié)構(gòu)體系為剛性系桿剛性拱,空間桿系結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力及穩(wěn)定性分析計算均采用Midas/Civil7.4.1版程序。并采用了Midas/FEA程序?qū)澳_及主梁吊點進行了局部實體有限元分析,采用MSC程序?qū)Ρ緲蜻M行車橋耦合動力響應(yīng)分析。

        3.1 計算荷載與計算參數(shù)

        (1)恒載(2)活載(3)附加力,附加力包括:①制動力或牽引力;②風(fēng)荷載;③溫度力:整體均勻升降溫±25℃,非均勻升降溫考慮為拱肋±10℃、吊桿±15℃、系梁頂板±10℃。

        3.2 結(jié)構(gòu)整體計算結(jié)果

        (1)系梁撓度:在靜活載和考慮溫度荷載引起的最大撓度為38.0mm,撓跨比為1/3372。

        (2)梁端轉(zhuǎn)角:在中活載作用下,梁端豎向折角為-1.270‰、+0.884‰;在ZK活載作用下,梁端豎向折角為-1.124‰、+0.793‰。

        (3)自振頻率:結(jié)構(gòu)一階自振為橫向彎曲(拱肋),頻率0.669Hz;二階自振為縱向彎曲,頻率1.283Hz。

        (4)結(jié)構(gòu)應(yīng)力:

        ①拱肋鋼管最大應(yīng)力:中活載主力組合135.5MPa,主+附組合147.0MPa。

        ②拱肋鋼管混凝土應(yīng)力(考慮混凝土收縮、徐變):中活載主力組合最大14.1MPa,最小2.0MPa;主+附組合最大15.3MPa,最小 0.9MPa。

        ③吊桿應(yīng)力:中活載主力組合最大499.2MPa,最小377.2MPa;主+附組合最大511.5MPa,最小352.1MPa。吊桿最大應(yīng)力幅為96.2MPa,安全系數(shù)大于3.0。

        3.3 拱腳及主梁吊點局部應(yīng)力分析

        拱腳節(jié)點及主梁吊點的構(gòu)造處理較為復(fù)雜,采用實體有限元模型(如圖4所示)進行局部應(yīng)力計算分析,用以指導(dǎo)局部加強和鋼筋設(shè)置。

        圖4 拱腳及主梁吊點局部實體分析模型

        計算結(jié)果表明,忽略去預(yù)應(yīng)力筋錨固區(qū)域及過人孔等部位的局部應(yīng)力集中,拱腳處最大主拉應(yīng)力可控制在1.4MPa以內(nèi);系梁吊點處最大主拉應(yīng)力可控制在1.3MPa以內(nèi)。

        3.4 主拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性核算

        計算結(jié)果表明,主拱結(jié)構(gòu)1~15階失穩(wěn)模態(tài)均為面外失穩(wěn),最低階面外失穩(wěn)模態(tài)穩(wěn)定系數(shù)為8.47(結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性足夠),如圖5所示。

        圖5 最低階橋梁橫向失穩(wěn)模態(tài)

        3.5 車橋耦合動力分析計算

        采用MSC程序?qū)Ρ緲蜻M行車橋耦合動力響應(yīng)分析檢算,結(jié)果表明主橋結(jié)構(gòu)在正常運營中有足夠的橫向剛度及良好的列車運營平穩(wěn)性。

        4 設(shè)計體會

        通過對欽江特大橋128m系桿拱橋的全過程設(shè)計,筆者有如下幾點體會。

        4.1 大跨徑高速鐵路鋼管混凝土系桿拱橋的結(jié)構(gòu)選型

        (1)拱肋布置 分內(nèi)傾提籃拱型式和豎直雙拱肋型式兩種,前者拱肋結(jié)構(gòu)施工定位略復(fù)雜,后者則相對簡潔施工便捷,本橋采用了后者。

        (2)吊桿布置 分斜吊桿布置(尼爾森體系)型式和平行布置型式兩種,前者吊桿在主梁及拱肋上的節(jié)點構(gòu)造處理較為復(fù)雜(單個吊點一般為兩根吊桿交匯),后者則相對較為簡單,本橋采用了后者。

        (3)啞鈴型拱肋腹腔結(jié)構(gòu) 從提高截面的抗彎截面慣性矩而言,腹腔混凝土貢獻并不大,可考慮采用空腔(不灌注混凝土)。為保證拱肋上下弦管的剛度銜接過渡,本橋仍考慮腹腔內(nèi)灌注混凝土,但采用較小的腹腔綴板間距。

        4.2 系梁與拱肋的剛度比

        作為剛性系桿剛性拱,系梁和拱肋的剛度比應(yīng)適當(dāng)進行控制。經(jīng)過對比計算分析,建議(EI)拱肋/(EI)系梁取值在1/2左右時,可以明顯的減小拱肋中的彎矩,使其更加符合梁拱組合體系橋梁的受力特點,使得“拱肋受壓、系梁受拉”得到充分發(fā)揮。

        4.3 吊桿分批張拉順序的優(yōu)化

        為避免施工過程中各組吊桿索力預(yù)張拉值過大,不建議直接采用“邊→中、逐組分批張拉”,建議采用“邊→中→邊、隔組分批張拉”。以本橋為例,單跨系桿拱共計14組吊桿,吊桿編號從拱腳到跨中分別編號1~7和1’~7’,經(jīng)過反復(fù)試算分析,建議的張拉順序為:第7、7’對吊桿→第4、4’對吊桿→第1、1’對吊桿→第3、3’對吊桿→第 6、6’對吊桿→第2、2’對吊桿→第 5、5’對吊桿。

        5 結(jié)束語

        鋼管混凝土系桿拱橋剛度大, 動力性能好,能夠有效降低主梁的結(jié)構(gòu)高度,具有較強的適應(yīng)能力。為確保結(jié)構(gòu)安全和行車平穩(wěn),滿足剛度要求,鋼管混凝土系桿拱橋設(shè)計應(yīng)注意拱肋和吊桿結(jié)構(gòu)布置選型,合理控制系梁和拱肋的剛度比。對于拱梁結(jié)合部及主梁吊點處,應(yīng)根據(jù)局部應(yīng)力分析的計算結(jié)果,做好其構(gòu)造處理及配筋設(shè)計。

        [1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].人民交通出版社,2007

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