文 強(qiáng)

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

1 工程概況

拉日鐵路年楚河特大橋位于日喀則車站以東約1.5 km處，為跨越年楚河而設(shè)，距日喀則市僅4 km，橋址處地勢(shì)開(kāi)闊、平坦，濕地遍布，風(fēng)景優(yōu)美。年楚河主河槽寬約110 m，橋位處設(shè)計(jì)流量Q1%=736.2 m3/s。河道兩側(cè)為較規(guī)整的干砌片石河堤，可供小型車輛通行，兩岸均為濕地及耕地。線路與年楚河斜交15°。年楚河特大橋全長(zhǎng)1 106.5 m，由于距離日喀則車站較近，線路高程受到限制，為滿足河堤道路凈空要求，主橋結(jié)構(gòu)高度限制較嚴(yán)，再考慮到當(dāng)?shù)靥厣珴庥舻淖匀患叭宋木坝^要求，經(jīng)過(guò)初步設(shè)計(jì)階段的技術(shù)方案比選，最終確定以(60+148+60) m V形剛構(gòu)加拱組合結(jié)構(gòu)跨越年楚河主河槽，兩側(cè)引橋均為32 m簡(jiǎn)支梁。年楚河主橋總體布置見(jiàn)圖1，效果圖見(jiàn)圖2。

圖1 年楚河主橋總體布置(單位：cm)

圖2 年楚河主橋效果圖

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為單線Ⅰ級(jí)鐵路，中-活載，設(shè)計(jì)速度為120 km/h客貨共線。地震動(dòng)峰值加速度值采用0.15g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期采用0.45 s，橋址主要地層為：第四系全新統(tǒng)沖積粉土、細(xì)砂、中砂、粗砂、礫砂、細(xì)圓礫土、粗圓礫土。

2 主橋結(jié)構(gòu)構(gòu)造

2.1 V構(gòu)及主梁

V撐外側(cè)斜腿與豎直面夾角為54°，內(nèi)側(cè)斜腿與豎直面夾角為42.8°，截面采用矩形實(shí)心截面，橫橋向?qū)?.7 m，厚2 m，斜腿根部與梁底面設(shè)圓弧倒角平順相接。V構(gòu)底部至梁頂高11 m，V構(gòu)底部沿橫向設(shè)2個(gè)支座。

主梁采用C55混凝土，單箱單室直腹板截面，主跨跨中80 m及邊跨端部24.85 m范圍內(nèi)梁高為3 m，V墩兩斜腿支撐處理論梁高為4.6 m，梁高按1.8次拋物線變化；箱梁頂面寬10.7 m，底面寬6.8 m；箱梁頂板厚40～60 cm，底板厚40～80 cm，腹板厚50～120 cm；主梁在V構(gòu)內(nèi)部梁高按圓弧變化，最小梁高為3.2 m；翼緣懸臂端部厚20 cm，根部厚60 cm。主梁在V撐斜腿頂部設(shè)2 m厚橫隔板，共4道。主梁中跨標(biāo)準(zhǔn)截面見(jiàn)圖3，V構(gòu)部分外立面見(jiàn)圖4。

圖3 主梁中跨標(biāo)準(zhǔn)截面(單位：cm)

圖4 V構(gòu)部分外立面(單位：cm)

主梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。由于主梁采用支架現(xiàn)澆法施工，梁段較長(zhǎng)，為防止預(yù)應(yīng)力損失過(guò)多，縱向腹板束采用連接器分段張拉，除腹板束采用27-φ15.24 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線外，其余頂、底板束均采用19-φ15.24 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。箱梁橫向預(yù)應(yīng)力采用 5-φ15.24 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間距50 cm，單端交錯(cuò)張拉。豎向預(yù)應(yīng)力采用精軋螺紋鋼筋。

2.2 拱肋

拱肋采用1.8次拋物線，計(jì)算跨度134 m，矢高39.3 m，矢跨比f(wàn)/L≈1/3.4，兩榀拱肋橫向間距7.6 m，采用變高度啞鈴形截面，內(nèi)填C55微膨脹混凝土，拱肋鋼管外徑為1.2 m，壁厚20 mm，拱腳處上下弦管中心間距1.97 m，拱頂處上下弦管中心間距4.0 m。腹板采用厚度22 mm的鋼板，間距80 cm。拱肋中心線方程為：y=0.020 299x1.8(m)，拱肋中心最高點(diǎn)距橋面36 m。 綴板間除拱腳面以外2 m范圍及吊桿縱向1.5 m范圍灌注混凝土外其余均不灌注混凝土。兩榀拱肋間共設(shè)7道橫撐，拱頂處設(shè)1道 “I”字形撐，其余6道為“K”字形撐，橫撐均為空鋼管組成的桁式結(jié)構(gòu)。拱頂處拱肋截面見(jiàn)圖5。

圖5 拱頂處拱肋截面(單位：mm)

2.3 吊桿

2.4 橋墩及基礎(chǔ)

V構(gòu)下部設(shè)支座，支承于承臺(tái)加臺(tái)上，承臺(tái)尺寸為12.5 m×17.25 m×4 m(縱×橫×高)，主墩設(shè)12根φ1.8 m鉆孔灌注樁。

3 主橋結(jié)構(gòu)分析

3.1 靜力分析

采用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，主梁及拱肋、橫撐均采用梁?jiǎn)卧M，吊桿采用桿單元[1]，建立空間有限元模型，計(jì)算參數(shù)取值如下。

自重：按結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸及材料容重取值；二期恒載：90 kN/m；活載：中-活載，動(dòng)力系數(shù)按鐵路規(guī)范計(jì)算，取1.07；混凝土收縮徐變：主梁混凝土按鐵路橋規(guī)(TB10002.3—2005)的規(guī)定，并結(jié)合公路規(guī)范(JTG D62—2004)計(jì)算收縮徐變系數(shù)，預(yù)應(yīng)力加載齡期按14 d，環(huán)境相對(duì)濕度按70%考慮，管內(nèi)混凝土的收縮按照環(huán)境降溫考慮；管內(nèi)混凝土徐變計(jì)算較復(fù)雜，且目前各國(guó)規(guī)范對(duì)這一問(wèn)題有不同的認(rèn)識(shí)，本橋拱肋按照換算截面計(jì)算，對(duì)拱肋混凝土徐變簡(jiǎn)化處理為將拱肋混凝土強(qiáng)度容許值乘以折減系數(shù)[2，12]；基礎(chǔ)不均勻沉降按相對(duì)位移1 cm考慮；溫度變化作用：體系均勻升降溫參考當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，按±20 ℃考慮，非均勻溫度變化簡(jiǎn)化按箱梁頂板升溫5 ℃考慮[9，10]。

3.1.1 主梁靜力檢算

分別對(duì)主梁施工階段及運(yùn)營(yíng)階段的應(yīng)力、強(qiáng)度、抗裂性及變形進(jìn)行檢算，計(jì)算結(jié)果如下。

(1)主力作用下：運(yùn)營(yíng)階段主梁截面最大壓應(yīng)力為13.28 MPa，最小壓應(yīng)力為2.0 MPa；最小強(qiáng)度安全系數(shù)為2.23；最大主壓應(yīng)力為10.9 MPa，最大主壓應(yīng)力為1.47 MPa；上下緣最小抗裂安全系數(shù)分別為1.46、1.64，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

(2)主力+附加力作用下，主梁截面最大壓應(yīng)力為13.77 MPa，最小壓應(yīng)力為1.1 MPa；最小強(qiáng)度安全系數(shù)為2.04；最大主壓應(yīng)力為11.35 MPa，最大主壓應(yīng)力為1.66 MPa；上下緣最小抗裂安全系數(shù)分別為1.39、1.55，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

(3)在凈活載作用下，中跨最大撓度2.2 cm，邊跨最大撓度1.84 cm，撓跨比滿足規(guī)范要求。

城鄉(xiāng)規(guī)劃是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的工作，它對(duì)城市的建設(shè)和運(yùn)行發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，目前，城鄉(xiāng)地理空間布局仍然是城鄉(xiāng)規(guī)劃所關(guān)注的重點(diǎn)，因此，城鄉(xiāng)規(guī)劃的順利開(kāi)展離不開(kāi)測(cè)繪數(shù)據(jù)的支撐和保障。對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的采集、存儲(chǔ)、加工、解析、價(jià)值提取以及集成展示是測(cè)繪地理大數(shù)據(jù)最核心的價(jià)值，我們可以把測(cè)繪地理大數(shù)據(jù)比作成城鄉(xiāng)規(guī)劃工作的一種礦產(chǎn)資源，它為城鄉(xiāng)規(guī)劃業(yè)務(wù)帶來(lái)了新的分析手段?？偟膩?lái)看，測(cè)繪地理大數(shù)據(jù)條件下的城鄉(xiāng)規(guī)劃具有以下特點(diǎn)：

3.1.2 拱肋靜力檢算

鋼管混凝土拱肋采用換算截面，算得鋼管及管內(nèi)混凝土應(yīng)力見(jiàn)表1。

表1 拱肋鋼管及混凝土應(yīng)力(受壓為正) MPa

從表1可以看出，拱肋均處于受壓狀態(tài)，應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

對(duì)結(jié)構(gòu)在主力作用下的屈曲模態(tài)進(jìn)行了分析，一階失穩(wěn)模態(tài)為主拱橫向失穩(wěn)，安全系數(shù)為10.2。

3.1.3 吊桿檢算

主力作用下吊桿應(yīng)力最大值為338.5 MPa，強(qiáng)度安全系數(shù)最小為4.9，活載應(yīng)力幅最大為79.5 MPa。

3.1.4 V撐底部局部應(yīng)力分析

本橋V撐不對(duì)稱，底部構(gòu)造復(fù)雜，上部結(jié)構(gòu)荷載通過(guò)V撐兩肢向下傳遞于交匯處，且支座反力較大，在V撐兩肢內(nèi)力與支座反力共同作用下，V撐底部受力極為復(fù)雜，平面單元難以真實(shí)的模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)，采用三維實(shí)體單元對(duì)V構(gòu)局部進(jìn)行模擬，計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 V構(gòu)底部有限元實(shí)體模型

設(shè)計(jì)中以計(jì)算結(jié)果為參考，對(duì)V構(gòu)底部縱橫向均設(shè)預(yù)應(yīng)力粗鋼筋，且加強(qiáng)普通鋼筋及構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)的局部安全。

3.2 動(dòng)力分析

3.2.1 自振特性

對(duì)主橋建立有限元模型，梁體及拱肋均采用梁?jiǎn)卧M，吊桿采用桿單元，計(jì)算處主橋前5階振型見(jiàn)表2。

表2 主橋前5階振型特點(diǎn)及自振周期

3.2.2 結(jié)構(gòu)抗震

根據(jù)橋址處地質(zhì)勘察資料，橋址處地震動(dòng)峰值加速度為0.15g(相當(dāng)于地震基本設(shè)防烈度Ⅶ度)，反應(yīng)譜特征周期為0.40 s，結(jié)構(gòu)抗震主要檢算制動(dòng)墩的樁基，按《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50111—2006)，分別計(jì)算恒載與縱、橫向水平地震作用的組合[7]。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，樁基受主力控制。

3.2.3 車橋耦合動(dòng)力仿真分析

建立車-線-橋空間有限元模型，考慮樁基與土層的相互作用，對(duì)該橋在普通旅客列車(SS8機(jī)車)和C70貨車作用下的車橋空間耦合振動(dòng)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：在普通旅客列車(SS8機(jī)車)以速度80～140 km/h范圍通過(guò)年楚河大橋時(shí)，豎向和橫向舒適性均達(dá)到“優(yōu)”或“良”；在C70貨車以速度60～120 km/h范圍通過(guò)年楚河大橋時(shí)，豎向和橫向平穩(wěn)性均達(dá)到“優(yōu)”或“良”[5]。

4 主橋施工步驟

主橋采用先梁后拱施工順序[8]。V形剛構(gòu)采用支架現(xiàn)澆方案，共分7個(gè)梁段，分段澆筑；主梁合龍后利用橋面作為臨時(shí)工作面，搭建拱肋拼裝支架及工作平臺(tái)，吊裝拱肋節(jié)段；按設(shè)計(jì)要求調(diào)整拱肋高程及線型，保證拱肋安裝精度；由拱腳向拱頂對(duì)稱灌注拱肋鋼管內(nèi)混凝土；待管內(nèi)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，安裝吊桿，并按設(shè)計(jì)噸位對(duì)稱張拉吊桿；拆除支架，施工橋面附屬結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語(yǔ)

V形剛構(gòu)加拱組合結(jié)構(gòu)，將大跨預(yù)應(yīng)力混凝土V形連續(xù)剛構(gòu)和拱橋2種體系有機(jī)的結(jié)合在一起。梁拱共同受力，一方面，通過(guò)拱及吊桿對(duì)跨中的加強(qiáng)作用，可減少V構(gòu)梁高和邊跨跨度，改善了組合結(jié)構(gòu)體系整體長(zhǎng)期變形和受力狀態(tài)；另一方面， V構(gòu)改善了吊桿的應(yīng)力幅及拱的抗疲勞性能，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3]。V形剛構(gòu)加拱組合結(jié)構(gòu)具有二者的優(yōu)點(diǎn)，既能滿足此處特殊的景觀要求，又能在結(jié)構(gòu)上合理的滿足實(shí)用功能，也為鐵路大跨橋梁結(jié)構(gòu)提供了一種新型的橋型結(jié)構(gòu)。

[1] 王鵬宇，劉振標(biāo).廣珠鐵路虎跳門(mén)特大橋主橋連續(xù)剛構(gòu)拱設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(8):43-56．

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[5] 西南交通大學(xué)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)研究室. 新建鐵路拉薩至日喀則線年楚河大橋車橋耦合動(dòng)力仿真分析報(bào)告[R].成都：西南交通大學(xué)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)研究室，2011．

[6] 鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院，蘭州鐵道學(xué)院. 涵洞與拱橋[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1994．

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[9] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10002.3—2005 鐵路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2005.

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[11] 陳寶春. 鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工[M].北京：人民交通出版社，1999．

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