宋順忱，李鳳芹

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

文章編號(hào):1003-1995(2012)05-0014-04

1 工程概況

2 拱上建筑結(jié)構(gòu)形式

朔準(zhǔn)鐵路黃河特大橋?yàn)樗分葜翜?zhǔn)格爾新建鐵路重要工程，地處晉蒙交界，位于龍口水庫(kù)大壩上游6.5 km。主橋采用380 m上承式鋼管混凝土提籃拱，一跨跨越黃河，主橋立面見(jiàn)圖1。黃河橋橋梁高度受到線路縱斷面高程控制，除拱肋結(jié)構(gòu)需要采用較小的矢跨比之外，拱上建筑在拱頂部位也需要采用較小的高度才能有效減小拱座基礎(chǔ)巖體開(kāi)挖量，降低工程造價(jià)和基礎(chǔ)施工難度。

本文通過(guò)拱上建筑結(jié)構(gòu)形式對(duì)上承式拱橋的靜動(dòng)力性能、工程造價(jià)、結(jié)構(gòu)耐久性、養(yǎng)護(hù)維修等影響因素進(jìn)行研究，為改善拱上建筑與拱肋的受力行為，提高結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力性能及耐久性，為大跨度上承式拱橋拱上建筑結(jié)構(gòu)形式選擇提供依據(jù)。

2.1 拱頂建筑形式

上承式鋼管混凝土拱橋拱上建筑結(jié)構(gòu)形式一般有兩種類(lèi)型，第一種全部采用梁式結(jié)構(gòu)，第二種拱頂部位采用∏型剛架或?qū)嶓w板，其它部位采用梁式結(jié)構(gòu)。當(dāng)拱頂采用跨度為24 m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁時(shí)，橋面至鋼管拱上弦桿中心的最小距離為4.1 m;若在拱頂采用剛架結(jié)構(gòu)，橋面至鋼管拱上弦桿中心的距離則只需2.0 m，兩方案所需的拱上建筑高度見(jiàn)圖2。

由圖2可知，拱頂采用剛架結(jié)構(gòu)不僅可以顯著降低拱頂部位拱上建筑結(jié)構(gòu)的高度，減小拱座基坑深度，而且其它部位的拱上橋墩高度均可以相應(yīng)減小，同時(shí)，由于與拱肋連接良好的整體性，采用剛架對(duì)鋼管拱拱肋應(yīng)力和墩頂位移均有所改善。因此，在拱肋矢跨比受線路高程和地形條件限制時(shí)，拱頂宜采用∏型剛架或板式結(jié)構(gòu)。

圖1 橋梁立面圖(單位:cm)

2.2 拱上主梁跨度與梁型選擇

拱上主梁跨度較大時(shí)，傳遞給拱肋的集中力大、拱肋應(yīng)力突變值大;跨度過(guò)小，由橋墩傳遞給拱肋的集中力可減小，但由于拱腳部位高墩多，不僅增加了施工難度，而且增加拱上建筑結(jié)構(gòu)自重，對(duì)拱肋受力同樣不利。因此，拱上主梁跨度一般在20～30 m左右。經(jīng)比選，當(dāng)主梁的計(jì)算跨度采用24 m時(shí)，拱肋內(nèi)力分布勻順，主梁的跨度與墩高協(xié)調(diào)性好、橋梁造型美觀，因此，拱上建筑主梁跨度采用24 m。

圖2 拱上建筑高度(單位:cm)

主梁結(jié)構(gòu)形式一般為簡(jiǎn)支T梁、連續(xù)箱梁及連續(xù)結(jié)合梁等。連續(xù)結(jié)合梁與連續(xù)箱梁相比，結(jié)構(gòu)自重較小，但后期養(yǎng)護(hù)維修工作量大，同時(shí)拱肋變形對(duì)連續(xù)結(jié)合梁支點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板受力非常不利;因此，主梁形式僅比選簡(jiǎn)支T梁和連續(xù)箱梁，橫斷面形式如圖2(a)和圖3。兩種方案結(jié)構(gòu)自重基本相同，主梁對(duì)拱肋的靜力性能影響不大，但在二期恒載、徐變和活載作用下，拱肋結(jié)構(gòu)存在較大的豎向變形，相鄰橋墩支點(diǎn)變形值最大相差2 cm，拱上連續(xù)梁由于拱肋變形的影響，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。

圖3 箱梁橫截面(單位:cm)

2.3 拱上墩型選擇對(duì)拱肋受力的影響

受鋼管混凝土拱肋結(jié)構(gòu)形式控制，一般拱上橋墩需空腹采用桁架式墩，可采用的墩柱形式有鋼箱墩和混凝土空心墩，見(jiàn)圖4。

拱上橋墩對(duì)拱肋結(jié)構(gòu)受力的影響重點(diǎn)考慮鋼墩與混凝土橋墩引起的拱肋應(yīng)力的變化。

圖4 鋼箱墩與混凝土空心墩截面(單位:cm)

拱上鋼箱墩和混凝土空心墩自重相差較大，采用鋼箱墩與混凝土空心墩時(shí)相應(yīng)的拱肋上、下弦鋼管應(yīng)力見(jiàn)圖5和圖6(拱軸系數(shù)為2.5)。計(jì)算結(jié)果表明，拱上橋墩重量減輕，對(duì)拱肋局部應(yīng)力調(diào)整有利，雖然上下弦最大壓應(yīng)力有所減小，約降低5 MPa，但效果并不顯著。

圖5 拱肋上弦應(yīng)力

圖6 拱肋下弦應(yīng)力

2.4 拱上建筑對(duì)動(dòng)力性能的影響

在拱肋結(jié)構(gòu)形式相同的情況下，對(duì)T梁與箱梁、鋼墩與混凝土空心墩等不同形式的拱上建筑進(jìn)行動(dòng)力性能比選，自振頻率計(jì)算結(jié)果如表1所示，車(chē)橋耦合動(dòng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 第一階橫向及豎向自振特性對(duì)比

表2 車(chē)橋動(dòng)力分析列車(chē)響應(yīng)最大值匯總

由表1可知，雖然簡(jiǎn)支T梁與連續(xù)箱梁相比，其橫向、豎向剛度小;鋼墩與混凝土橋墩相比，其重量降低較多，但由于全橋結(jié)構(gòu)剛度受拱肋剛度的影響較大，而受拱上建筑剛度的影響較小，因此，各種梁型與墩型方案自振頻率相差不大。

由表2可知，箱梁鋼墩方案與T梁混凝土墩方案相比，脫軌系數(shù)、輪重減載率及舒適性指標(biāo)均比較接近，列車(chē)通過(guò)時(shí)橋梁的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)和列車(chē)的各項(xiàng)動(dòng)力響應(yīng)均滿足要求。貨車(chē)運(yùn)行平順性、旅客列車(chē)乘坐舒適性均達(dá)到“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上，可保證列車(chē)行車(chē)的安全性。

2.5 拱上建筑對(duì)施工、養(yǎng)護(hù)維修和工程造價(jià)的影響

主梁無(wú)論是采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)箱梁方案，還是采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁方案，均可采用安裝拱肋的纜索吊機(jī)架設(shè)。因簡(jiǎn)支T梁為標(biāo)準(zhǔn)梁，可以廠制，且施工方法較連續(xù)梁簡(jiǎn)單，其造價(jià)較低。

鋼箱墩可采用預(yù)制拼裝法施工，利用纜索吊機(jī)架設(shè)，施工工期短，架設(shè)安裝方便;混凝土空心墩需采用現(xiàn)澆法施工，模板制作復(fù)雜，施工工期較長(zhǎng)，但混凝土橋墩較鋼墩后期的養(yǎng)護(hù)維修工作量小，且用鋼量較小，工程造價(jià)較為節(jié)省。綜合考慮主梁結(jié)構(gòu)對(duì)拱肋變形的適應(yīng)性、對(duì)拱肋受力及動(dòng)力性能、施工工期、工程造價(jià)的影響，拱上主梁宜采用簡(jiǎn)支T梁，拱上橋墩宜采用混凝土空心墩。

2.6 拱上梁支座布置及縱向力傳遞體系研究

拱上橋墩承受列車(chē)制動(dòng)力、長(zhǎng)鋼軌縱向力、風(fēng)力、支座摩阻力和地震力等縱向水平力并傳遞給拱肋，對(duì)拱肋的內(nèi)力有較大的影響;拱上橋墩墩頂縱向位移受拱肋變形的影響較大。拱上梁支座布置及相應(yīng)的縱向力傳遞體系研究主要是通過(guò)分析不同支座布置方案，來(lái)降低拱上高墩的縱向水平位移，同時(shí)降低縱向水平力對(duì)拱肋受力產(chǎn)生的不利影響。

各支座布置方案見(jiàn)圖7。方案一為一般簡(jiǎn)支梁的支座布置方式;方案二為拱腳G1號(hào)墩設(shè)雙活動(dòng)支座，5號(hào)交界墩和下坡端G4號(hào)橋墩設(shè)雙固定支座，使高墩的縱向力由交界墩和較矮的拱上橋墩承受;方案三為靠近拱腳第一孔簡(jiǎn)支梁兩端設(shè)置固定支座，使梁與橋墩形成剛架結(jié)構(gòu)，借助于交界墩減小拱上高墩的縱向力。

方案一拱腳附近的G1和G2號(hào)高墩承受制動(dòng)力、縱向地震力等縱向水平力，對(duì)拱肋的受力影響明顯大于其他兩個(gè)方案，且拱上高墩的墩頂位移較難控制。

主力+縱向附加力工況方案二和方案三橋墩縱向彎矩見(jiàn)圖8。從圖中可以看出，方案二第一孔簡(jiǎn)支梁的制動(dòng)力和地震力大部分由交界墩承受，高墩墩底縱向彎矩小于方案三，墩頂位移也小于方案三;方案三借助于剛架受力體系和交界墩的水平抗推剛度，拱上高墩在制動(dòng)力、風(fēng)力和地震力等瞬時(shí)荷載作用下受力得到有效降低，但剛架受力體系在溫度荷載作用下，主梁的溫度變形得不到釋放，在主梁和橋墩中將產(chǎn)生較大的溫度次內(nèi)力，使墩底縱向彎矩顯著增加，高墩墩頂位移也相應(yīng)增大。

通過(guò)以上研究可知，拱上簡(jiǎn)支梁支座布置及相應(yīng)的縱向力傳遞體系對(duì)拱上高墩的縱向水平位移控制和拱肋受力影響較大，方案二是較為合理的縱向力傳遞體系。

圖7 拱上梁支座布置(單位:cm)

圖8 橋墩縱向彎矩(單位:kN·m)

3 結(jié)束語(yǔ)

拱上建筑結(jié)構(gòu)形式對(duì)橋梁上建高度、結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力性能、工程造價(jià)等各方面均有較大的影響。本文通過(guò)對(duì)朔準(zhǔn)鐵路380 m上承式拱橋拱上結(jié)構(gòu)的分析研究，較好地解決了拱上建筑結(jié)構(gòu)形式對(duì)拱肋受力和大跨度拱橋動(dòng)力性能的影響、縱向體系等技術(shù)問(wèn)題，為大跨度上承式拱橋拱上建筑結(jié)構(gòu)形式選擇提供了參考和借鑒。

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［2］中華人民共和國(guó)鐵道部．TB 10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．

［3］陳寶春．鋼管混凝土拱橋［M］．北京:人民交通出版社，2007．

［4］馬庭林，徐勇，何庭國(guó)，等．水柏鐵路北盤(pán)江大橋設(shè)計(jì)［J］．橋梁建設(shè)，2001(5):25-29．

［5］邢厚俊，楊賢貴．雙鉸型上承式鋼筋混凝土拱橋斜立柱混凝土施工技術(shù)［J］．鐵道建筑，2006(4):4-6．