趙 亮

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概況

近幾年隨著我國高速鐵路建設(shè)的發(fā)展，連續(xù)梁拱組合橋被廣泛用在了大跨度跨越凈空受限的公、鐵立交和通航河流的鐵路橋梁上，跨度已從幾十米到200多米，代表了當(dāng)今世界高速鐵路組合橋梁的發(fā)展與建設(shè)水平。連續(xù)梁拱橋組合結(jié)構(gòu)體系主要有主梁、拱肋、吊桿組合起來共同受力，中跨的彎距、剪力內(nèi)力高峰值由梁和拱共同承擔(dān)，主梁承擔(dān)拉力和局部彎矩，拱肋承擔(dān)軸壓力及彎矩，剪力主要有主梁和拱肋軸力的垂直分力承擔(dān)。連續(xù)梁拱橋組合結(jié)構(gòu)既克服了拱橋巨大的拱腳推力，又改善了大跨連續(xù)梁橋較大的彎矩和剪力的受力狀況，最大限度地發(fā)揮梁拱混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼材各自的特點(diǎn)，增大了鐵路梁式橋的跨越能力。是一種具有競爭力的橋型。

某城際鐵路位于海陸交互的平原地區(qū)，線路跨越通航等級為國家Ⅱ級的某通航水道，通航凈高不小于10 m，凈寬不小于150 m。為滿足通航凈空、凈寬的需要，同時考慮景觀要求，主橋采用(87+176+87) m連續(xù)梁拱組合橋。橋型布置立面如圖1所示。橋梁設(shè)計(jì)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)設(shè)計(jì)速度：200 km/h；

(2)正線數(shù)目：雙線，標(biāo)準(zhǔn)線間距4.4 m；

(3)軌道形式：雙塊式無砟軌道，無縫線路；

(4)建筑限界：客運(yùn)專線鐵路建筑限界(200 km/h≤v≤350 km/h)，凈高7.25 m；

(5)設(shè)計(jì)活載：運(yùn)營活載為0.6UIC。施工活載為運(yùn)梁車荷載和架橋機(jī)架設(shè)荷載。

圖1 橋型布置立面(單位：cm)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

圖2 橋面布置(單位：cm)

下部橋墩采用鋼筋混凝土實(shí)體圓端墩，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為φ1.5 m和φ2.5 m鉆孔灌注樁。

2.2 主梁

為滿足列車高速運(yùn)行時對橋梁剛度的要求，主梁采用橋面整體連續(xù)且具有較大豎向和橫向剛度的箱梁，箱梁截面設(shè)計(jì)為單箱雙室，設(shè)縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力(其中中跨不設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力)?？缰泻椭兄c(diǎn)處截面如圖3所示。中支點(diǎn)處梁高11.0 m，梁頂寬16.0 m，跨中梁高5.5 m，梁頂寬15.0 m，箱底寬11.0 m；頂板厚40～95 cm，底板厚40～120 cm，腹板厚50～100 cm，中跨跨中設(shè)厚0.4 m的橫隔板，中支點(diǎn)設(shè)寬4.0 m的中橫梁，邊支點(diǎn)設(shè)寬1.6 m的端橫梁，吊桿處設(shè)高2.0 m的橫梁，箱梁頂設(shè)有2%的橫坡。

圖3 主梁橫截面(單位：cm)

根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造和橫向計(jì)算，在每個支點(diǎn)處橫向設(shè)置3個支座，邊墩支座間距4.75 m，中墩支座間距6.4 m。經(jīng)計(jì)算，支點(diǎn)處的中支座受力較大，但不大于邊支座的1.25倍。在一個支點(diǎn)處橫向均采用同一規(guī)格的支座，以中支座為準(zhǔn)，邊墩支座承載力7 000 kN，中墩支座承載力100 000 kN。

2.3 拱肋及橫撐

拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，截面采用豎向抗彎剛度大的啞鈴形截面。上、下弦管中心距2.2 m，拱肋高3.3 m，鋼管外徑110 cm，壁厚20 mm，鋼管內(nèi)灌注C55微膨脹混凝土。拱肋上下弦管之間采用厚度為14 mm的綴板連接，綴板間距80 cm，在拱腳處加寬至110 cm，綴板間采用φ25 mm鋼筋拉桿，拉桿豎向間距45 cm，橋縱向間距50 cm。鋼管內(nèi)和綴板間均灌注C55微膨脹混凝土。拱肋截面如圖4所示。

圖4 拱肋截面(單位： mm)

為了提高橫向剛度，保證拱肋的橫向穩(wěn)定，兩榀拱肋之間共設(shè)9道橫撐，均采用空間桁架撐，各橫撐由φ610 mm×14 mm的主鋼管和φ410 mm×12 mm的連接管組成，管內(nèi)不填混凝土。橫撐截面如圖5所示。

圖5 橫撐截面(單位：mm)

2.4 吊桿的選擇及其連接方式

對于已建成的大多數(shù)梁拱組合橋，幾乎都采用了傳統(tǒng)的鋼絲束或鋼絞線吊桿。近年來，在中、下承式拱橋中，因采用傳統(tǒng)的鋼絲束或鋼絞線吊桿的銹蝕和疲勞造成了維修費(fèi)用的增加和個別橋梁垮塌事故，引起了人們對吊桿的設(shè)計(jì)以及防腐、檢查、更換等問題的嚴(yán)重關(guān)注。因此采用新型的、耐久性好的吊桿，提高橋梁結(jié)構(gòu)安全性，減小維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，適應(yīng)新形勢下的發(fā)展需要就十分必要。

橋梁建筑用鋼拉桿-實(shí)心合金鋼棒，是一種最近幾年內(nèi)才被使用新型吊桿，其加入了合金元素，材料為35CrMo，具有強(qiáng)度高、韌性高、耐蝕性強(qiáng)、耐低溫性能好和維修養(yǎng)護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。因此本橋選用光圓實(shí)心合金鋼拉桿做吊桿。

為保證更換吊桿時不中斷行車和單根吊桿斷裂時橋梁的安全性，吊桿布置為縱向雙吊桿，同一組吊桿縱向間距60 cm。全橋兩片拱肋共設(shè)34組吊桿，第一組吊桿距離中支點(diǎn)17.6 m，其余吊桿中心間距均為8.8 m。吊桿采用460級公稱直徑為100 mm的光圓實(shí)心合金鋼拉桿，考慮橋梁整體結(jié)構(gòu)的變形、協(xié)調(diào)和更換維修等因素，吊桿的上端縱向設(shè)鉸，下端橫向設(shè)鉸，由銷栓連接。張拉端設(shè)于上端。吊桿大樣及連接構(gòu)造如圖6所示。

圖6 吊桿大樣及連接構(gòu)造斷面(單位：mm)

3 施工方法及主要施工步驟

為不影響河道正常通航，采用“先梁后拱”的施工方法，在建成的橋面上進(jìn)行鋼管拱肋的架設(shè)，鋼管拱采用矮支架拼裝、豎向轉(zhuǎn)體合龍到位的施工技術(shù)，不僅技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理，而且安全可靠，避免了高空作業(yè)，還加快了施工速度[12]。其主要施工步驟如下：利用掛籃懸臂澆筑主梁，同時施工拱座預(yù)埋段；合龍主梁邊跨，拆除主墩邊跨側(cè)臨時支撐；澆筑中跨超打梁段，合龍主梁中跨；以橋面為工作面，矮支架拼裝鋼管拱肋，利用橋面塔架和其他設(shè)備，使鋼管拱肋豎向轉(zhuǎn)體就位，合龍拱頂，固結(jié)拱腳；依次灌注拱肋上弦桿、下弦桿、綴板內(nèi)混凝土；按指定次序一次張拉吊桿(為施工方便，不考慮二次張拉)；最后拆除主墩中跨側(cè)臨時支墩，施工橋面系，測試吊桿力并調(diào)整吊桿力至設(shè)計(jì)目標(biāo)值。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1 縱向靜力計(jì)算

根據(jù)采用的施工方法和擬定的施工步驟按平面桿系進(jìn)行縱向計(jì)算分析，以空間計(jì)算進(jìn)行校核。

根據(jù)橋址處氣候條件，結(jié)構(gòu)整體升、降溫分別為20、-25 ℃，拱肋、吊桿與主梁的溫差按±10 ℃計(jì)算，主梁頂板非線性升溫按+5 ℃計(jì)算。其他設(shè)計(jì)荷載及相關(guān)參數(shù)的取值按現(xiàn)行鐵路規(guī)范執(zhí)行?？v向計(jì)算模型如圖7所示。

圖7 縱向計(jì)算模型

主梁縱向按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鋼管混凝土組合截面根據(jù)豎向抗彎剛度等效的原則轉(zhuǎn)換為矩形截面的混凝土拱肋，并考慮混凝土收縮、徐變效應(yīng)，拱肋與梁在連接處固結(jié)。綜合考慮主梁、拱肋的受力和變形等因素，確定吊桿的張拉順序和初張力。

(1)施工階段按指定順序和初張力張拉吊桿時，拱肋的檢算不控制設(shè)計(jì)；吊桿最大拉力為1 822 kN，安全強(qiáng)度系數(shù)為2.6；主梁上、下緣最大壓應(yīng)力分別為12.6、14.0 MPa，最大拉應(yīng)力分別為-0.29～1.38 MPa，設(shè)計(jì)應(yīng)力均滿足施工階段應(yīng)力要求。

(2)成橋時主梁恒載的彎矩、剪力、軸力和上、下緣應(yīng)力如圖8所示，拱肋的彎矩、剪力、軸力如圖9所示。

圖8 成橋時主梁彎矩、剪力、軸力及應(yīng)力圖

圖9 成橋時拱肋彎矩、剪力、軸力圖

從以上各圖中可以看出，在成橋時主梁剪力較小，中支點(diǎn)處由于梁和拱的共同作用，負(fù)彎矩峰值削減明顯，中跨由于吊桿的吊掛作用，全部表現(xiàn)為負(fù)彎矩，但負(fù)彎矩值較小且在一定范圍內(nèi)較均勻，為活載留有一定的負(fù)彎距儲備；主梁上、下緣應(yīng)力均小于10 MPa，最大應(yīng)力差5.9 MPa，小于0.4倍的主梁混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；拱肋接近拱座處的彎矩稍大，剪力和軸力較均勻，結(jié)構(gòu)受力比較合理。

(3)運(yùn)營階段計(jì)算結(jié)果

①主梁按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，縱向主要檢算結(jié)果如表1所示。

表1 運(yùn)營階段主梁計(jì)算指標(biāo)

從表1可以看出，主梁設(shè)計(jì)應(yīng)力、正截面抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)和抗裂安全系數(shù)[5]均滿足規(guī)范要求，并留有一定的安全儲備。

②主梁的變形、變位和梁端轉(zhuǎn)角[6-7]。

運(yùn)營階段在0.6UIC靜活載作用和溫度變化作用下，主梁最大豎向撓度和容許撓度值如表2所示。

表2 運(yùn)營階段豎向撓度指標(biāo)

在0.6UIC靜活載作用下，梁端豎向轉(zhuǎn)角0.35‰，小于1‰限值；在列車橫向搖擺力，離心力、風(fēng)力、和溫度力的作用下梁體的水平撓度為5.6 mm，小于計(jì)算跨度的1/4 000限值；按擬定的施工步驟，成橋1 500 d后，主梁邊跨跨中徐變上拱值為3.0 mm，中跨跨中徐變下?lián)现禐?7.9 mm，豎向殘余徐變變形均小于L/5 000且不大于20 mm，滿足規(guī)范要求。

4.2 主梁橫向計(jì)算

主梁橫向分別按有吊桿區(qū)、無吊桿區(qū)計(jì)算。橋面板上的恒、活載按實(shí)際的位置進(jìn)行加載計(jì)算，活載考慮橋上線路的分布作用?？v向計(jì)算長度按一個軸的荷載在橋面板上的有效分布寬度取值，計(jì)算模型簡化為三點(diǎn)支承的框架，按剛性支撐和彈性支撐分別計(jì)算。其荷載工況按日照、寒潮兩種模式考慮。溫度圖式如圖10所示。

圖10 環(huán)框橫向溫度計(jì)算圖示

4.3 拱肋檢算

拱肋為鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，按鋼筋混凝土理論檢算截面強(qiáng)度。運(yùn)營階段最不利荷載組合作用下，拱肋屬小偏心受壓構(gòu)件，鋼管及鋼管內(nèi)混凝土檢算結(jié)果見表3。

表3 運(yùn)營階段正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

計(jì)算結(jié)果表明鋼管內(nèi)混凝土未出現(xiàn)拉應(yīng)力，拱肋鋼管和鋼管內(nèi)混凝土正應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

拱肋按承受最大水平推力的中心受壓桿件檢算其在拱平面內(nèi)的穩(wěn)定性[3]。經(jīng)計(jì)算，在運(yùn)營狀態(tài)主力作用下，拱肋平面內(nèi)穩(wěn)定安全系數(shù)為6.5，滿足要求。

4.4 吊桿檢算

根據(jù)橋梁縱向計(jì)算分析，為施工方便，吊桿考慮一次張拉完成。施工階段吊桿的安全強(qiáng)度系數(shù)按不小于2.0控制，運(yùn)營和維修更換吊桿時按不小于3.0控制。經(jīng)計(jì)算，運(yùn)營階段恒載作用下單根吊桿力最大為612.7 kN，活載作用下單根吊桿力最大為194.0 kN；主力作用下單根吊桿力最大為789.3 kN，強(qiáng)度安全系數(shù)6.1；主+附加力作用下單根吊桿力最大為824.8 kN，安全強(qiáng)度系數(shù)5.8；吊桿疲勞應(yīng)力幅為31.8 MPa。

成橋1 500 d后，在恒、活載的作用下，吊桿力總和為46 676 kN，其中承擔(dān)二期恒載3454.0 kN，占總吊桿力的7.4%，承擔(dān)活載12 229.1 kN，占總吊桿力的26.2%。

4.5 拱腳節(jié)點(diǎn)及0號塊局部應(yīng)力分析

拱腳處鋼管拱肋埋入拱座，并伸入主梁1 m，通過構(gòu)造鋼筋和預(yù)應(yīng)力粗鋼筋與主梁0號塊形成整體。0號塊不僅要傳遞拱肋巨大的水平推力和壓力，還要承受主梁傳來的縱、橫向彎矩和剪力，受力復(fù)雜，同時也是縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力筋的高應(yīng)力區(qū)，是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位。為定性分析拱腳處拱肋與0號塊的受力狀態(tài)，利用通用軟件midas FEA建立空間實(shí)體模型，進(jìn)行局部應(yīng)力分析。計(jì)算荷載工況為結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、體系溫度、溫度梯度和活載的最不利組合工況。拱腳節(jié)點(diǎn)及0號塊局部實(shí)體模型如圖11所示。

圖11 拱腳節(jié)點(diǎn)及0號塊局部實(shí)體模型

分析結(jié)果表明，在最不利荷載工況下，0號塊整體表現(xiàn)為受壓，梁底支座處、鋼管拱肋末端與0號塊連接處混凝土局部壓應(yīng)力較大，且出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；鋼管拱肋末端外側(cè)的混凝土出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，應(yīng)力集中明顯；0號塊頂面未出現(xiàn)拉應(yīng)力。設(shè)計(jì)時應(yīng)采取措施，在拱座內(nèi)的拱肋鋼管外側(cè)設(shè)置剪力釘，使鋼管和管內(nèi)混凝土共同受力，均勻傳力給拱座；支座頂梁體混凝土和拱肋端部混凝土內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)普通鋼筋的配置，緩解應(yīng)力集中；拱座和0號塊部分混凝土應(yīng)采用聚丙烯纖維混凝土，提高其抗拉和抗裂能力。

4.6 橋梁自振特性分析

在結(jié)構(gòu)自由振動分析中，結(jié)構(gòu)的固有振型、頻率是重要的動力特性，是動力計(jì)算的基礎(chǔ)，通過建立空間計(jì)算模型，有限元方法進(jìn)行計(jì)算。在分析中采用如圖12所示的計(jì)算模型，將主梁、拱肋、橫撐及下部結(jié)構(gòu)模擬為各向同性的梁單元，吊桿模擬為只受拉單元。關(guān)于邊界條件，上部主梁和拱各桿件連接處均采用剛接，吊桿按上、下端的變形要求鉸接，梁和墩之間的約束通過主從節(jié)點(diǎn)來模擬，樁基礎(chǔ)通過計(jì)算樁頂?shù)刃偠鹊姆椒ㄔ谀Ｐ椭型ㄟ^對應(yīng)彈簧單元來模擬。二期恒載作為均布荷載作用于橋面，并轉(zhuǎn)化為橋面部分質(zhì)量。

圖12 空間計(jì)算模型

計(jì)算所得的橋梁的自振頻率及振型特點(diǎn)如表4所示。

表4 自振特性分析結(jié)果

自振特性計(jì)算結(jié)果表明，橋梁振型首先表現(xiàn)為固定墩縱向彎曲，橋梁縱向剛度略弱于橫向剛度；第2、第3階為拱肋面外彎曲，第4階為拱肋和主梁面外彎曲，面外振動時拱肋橫向剛度弱于主梁橫向剛度；其面內(nèi)豎向彎曲在第5階出現(xiàn)，面內(nèi)振動時，梁與拱肋的振動基本同步。

4.7 車橋耦合動力分析

對列車-橋梁建立空間計(jì)算模型，以美國五級譜轉(zhuǎn)換的軌道不平順樣本作為系統(tǒng)激勵，計(jì)算國產(chǎn)高速列車先鋒號、中華之星列車以不同車速通過時的車橋動力響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明：①橋梁各工況下最大垂向振動加速度0.241 m/s2，最大橫向振動加速度0.319 m/s2，滿足要求。②兩種列車通過時在所有工況條件下，均未出現(xiàn)明顯的共振。③輪重減載率、脫軌系數(shù)和輪軸橫向力均小于限值，行車安全性滿足要求。④兩種列車以速度160～240 km/h通過橋梁時，斯佩林舒適度指標(biāo)為優(yōu)；以速度240 km/h(最大檢算速度為1.2倍的設(shè)計(jì)速度)通過橋梁時，斯佩林舒適度指標(biāo)為良。

4.8 空間穩(wěn)定性分析

鋼管混凝土拱肋的剛度相對于主梁較弱，是以受壓為主的壓彎構(gòu)件，其空間穩(wěn)定分為極值點(diǎn)失穩(wěn)和分支屈曲失穩(wěn)，在實(shí)際工程中大多通過通用程序進(jìn)行特征值的求解，以分支屈曲穩(wěn)定控制拱的空間穩(wěn)定[1]。利用通用軟件Midas Civil，采用子空間迭代法進(jìn)行橋梁模態(tài)分析，計(jì)算屈曲失穩(wěn)臨界荷載系數(shù)。荷載布置以使拱承受的軸壓力水平最高為原則，屈曲分析荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、二期恒載和0.6UIC。

計(jì)算結(jié)果表明橋梁第一階失穩(wěn)狀態(tài)表現(xiàn)為拱肋反對稱側(cè)傾，如圖13所示，屈曲分析的最小特征值即臨界荷載系數(shù)為6.2。前十階內(nèi)多次出現(xiàn)拱肋的面外彎曲或扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，說明該橋拱肋面外剛度相對于面內(nèi)剛度較小，對整個橋梁的穩(wěn)定起控制作用。因此，提高拱肋面外剛度是提高橋梁穩(wěn)定性的最有效措施。

圖13 橋梁失穩(wěn)模態(tài)

5 結(jié)語

連續(xù)梁拱組合橋包括拱肋、主梁及吊桿組成的中跨和梁式結(jié)構(gòu)的邊跨，邊跨受到中跨拱的剛度影響，減小了邊、中跨比和正彎矩的負(fù)擔(dān)，擴(kuò)大了負(fù)彎矩的區(qū)域，有利于預(yù)應(yīng)力鋼束的配置；中跨由于拱的加勁，有效的降低了主梁的建筑高度，結(jié)構(gòu)輕盈，造型美觀。計(jì)算分析表明梁拱組合結(jié)構(gòu)受力合理，增大了橋梁結(jié)構(gòu)的剛度，具有優(yōu)良的動力性能和可靠的穩(wěn)定性，各項(xiàng)設(shè)計(jì)計(jì)算值均滿足規(guī)范要求，能滿足列車高速運(yùn)行時對橋梁設(shè)計(jì)的要求。

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