尹春燕

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

1 概述

鋼管混凝土梁拱組合體系橋是梁橋和拱橋的結(jié)合體，集二者優(yōu)點(diǎn)于一體。一方面發(fā)揮了拱式結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)抗壓性能好的特點(diǎn)，拱在水平力作用下主要承受壓力，拱內(nèi)彎矩很小;另一方面通過合理布置吊桿，梁體恒載大部分轉(zhuǎn)換成拱的軸力，梁的彎矩減少，適當(dāng)調(diào)整吊桿張拉力，使成橋狀態(tài)梁拱受力合理、均勻。筆者以一座82.5 m下承式拱橋?yàn)槔齺黻U述其設(shè)計(jì)過程和梁拱組合體系的特點(diǎn)。

1.1 工程概況

本橋?yàn)樾陆◤執(zhí)凭€用于跨越唐津高速公路而設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)采用1-82.5 m啞鈴形鋼管混凝土簡(jiǎn)支提籃拱，拱橋平面為直線，縱斷面位于i=-5.6‰的縱坡上。橋面縱坡通過拱肋與梁部剛性旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，吊桿垂直梁部布置。

本橋式方案初步設(shè)計(jì)階段采用(40+64+40)m連續(xù)梁，后來因線路縱斷面調(diào)低，且受橋下凈空限制，改用跨度64.0 m拱橋;最終根據(jù)國道立交協(xié)議要求，采用跨度82.5 m拱橋。

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)設(shè)計(jì)速度:120 km/h。

(2)線路情況:國鐵Ⅰ級(jí)，雙線間距4.0 m。

(3)軌道類型:有砟軌道，軌底至梁頂高0.65 m。

(4)設(shè)計(jì)活載:中-活載(2005)之 ZH活載，Z=1.0。

(5)地震:地震基本烈度Ⅷ度，動(dòng)峰值加速度0.2g。

(6)施工方法:先梁后拱，支架現(xiàn)澆法施工。

(7)設(shè)計(jì)使用年限:正常使用條件下梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命為100年［1］。

2 主要材料

主梁采用C55混凝土，拱肋中灌注C55補(bǔ)償收縮混凝土;拱肋鋼管、橫撐、斜撐及吊桿的上、下錨箱均采用Q345qE鋼材。

3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)

3.1 主梁構(gòu)造

主梁全長82.5 m，計(jì)算跨度80.0 m，支座中心線至梁端1.25 m。采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，跨中及端部梁高均為2.5 m;頂板厚0.35 m，梁端局部加厚至0.55 m;底板厚0.35 m，梁端局部加厚至0.55 m;標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段邊腹板厚0.9 m，梁端局部加厚至2.565 m;中腹板厚0.4 m，梁端局部加厚至1.0 m。中橫隔板厚0.5 m，全橋共15道;端橫梁厚3.0 m，全橋共2道。端橫梁上設(shè)進(jìn)人孔，中橫隔板設(shè)過人孔，底板設(shè)泄水孔，邊腹板和中腹板每箱室設(shè)2個(gè)通氣孔。主橋立面布置及橫截面布置詳見圖1和圖2。

圖1 主橋立面布置(單位:cm)

3.2 主梁預(yù)應(yīng)力筋

主梁上設(shè)縱向預(yù)應(yīng)力筋，采用12-7φ5 mm和15-7φ5 mm鋼束;端橫梁和中間橫隔板設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力筋，端橫梁橫向預(yù)應(yīng)力筋采用10-7φ5 mm鋼束，中間橫隔板橫向預(yù)應(yīng)力筋采用5-7φ5 mm和10-7φ5 mm鋼束?？v向和橫向鋼束均采用兩端張拉，錨下張拉控制應(yīng)力均采用0.7fpk。

3.3 拱肋構(gòu)造

拱肋計(jì)算跨度為80.0 m，拱肋平面內(nèi)設(shè)計(jì)矢高16.0 m，矢跨比1/5，拱肋立面投影矢高15.844 m，拱肋采用二次拋物線，拱肋平面內(nèi)拱肋中心線方程為:y=64×(80-x)x/802(m)。拱肋在橫橋向內(nèi)傾8°，呈提籃式，拱頂處兩拱肋中心距8.062 m。

圖2 主橋橫截面布置(單位:cm)

拱肋橫截面采用啞鈴形鋼管混凝土等截面，截面高度2 500 mm，鋼管直徑1 000 mm，由 20 mm厚的Q345qE鋼板卷制而成，每根拱肋的兩鋼管之間用厚16 mm的腹板連接。每隔一段距離，在圓形鋼管內(nèi)設(shè)加勁箍，在兩腹板中焊接M24拉桿。拱管內(nèi)灌注C55補(bǔ)償收縮混凝土，拱肋截面詳見圖3。

3.4 橫撐

為了提高拱肋的橫向穩(wěn)定性，在兩榀拱肋間設(shè)3道“一”字撐和2道“K”撐?！耙弧弊謸渭啊癒”撐的橫撐由外徑1 000 mm，板厚12 mm的圓形鋼管組成;“K”撐的斜撐由外徑800 mm，板厚12 mm的圓形鋼管組成，鋼管內(nèi)均不填充混凝土。

3.5 吊桿

吊桿采用平行布置，順橋向間距5.0 m，全橋共設(shè)13對(duì)吊桿，吊桿在橫向內(nèi)傾8°。吊索采用PES(FD)7-139成品索，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 670 MPa，疲勞應(yīng)力幅200 MPa，鋼絲按GB5223標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，采用雙層HDPE護(hù)層，并外套不銹鋼護(hù)套。錨具采用LZM7-139帶萬向鉸構(gòu)造的冷鑄墩頭錨。吊桿上端錨于拱肋內(nèi)，下端錨于吊點(diǎn)中間橫隔板處的下錨箱內(nèi)。

圖3 拱肋截面構(gòu)造(單位:mm)

3.6 拱腳部位

從梁拱組合體系的系桿拱橋力學(xué)特點(diǎn)看，拱肋和主梁的連接特別重要。雖軸向力已由主梁預(yù)應(yīng)力平衡，但主梁在和拱肋的連接部位由于水平剪力的作用使主梁在垂直于拱腳拱肋軸線方向出現(xiàn)很大的主拉應(yīng)力。本橋?qū)澳_部位進(jìn)行了局部應(yīng)力分析計(jì)算，并根據(jù)實(shí)體分析結(jié)果進(jìn)行了配筋設(shè)計(jì)。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 計(jì)算模型

采用橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)Bsas進(jìn)行全橋平面計(jì)算以及采用Midas Civil進(jìn)行全橋空間分析，并對(duì)Bsas計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核。Midas計(jì)算模型詳見圖4。

圖4 Midas計(jì)算模型

Bsas計(jì)算模型中主梁截面采用1/2全截面模擬，拱肋鋼管、拱肋混凝土及吊桿截面均等效成矩形截面;端橫梁、中間橫隔板自重均等效成集中力加載在橫梁位置處。

4.2 計(jì)算參數(shù)選取

鋼管混凝土拱肋為組合截面，鋼管作為主截面先期架設(shè)并參與受力;管內(nèi)混凝土作為附加截面，未達(dá)到強(qiáng)度前只計(jì)入自重，達(dá)到強(qiáng)度后才參與整體受力。鋼管混凝土拱肋中，因管內(nèi)混凝土在施工及運(yùn)營階段均為密閉養(yǎng)護(hù)，混凝土失水量少，其收縮較一般條件下收縮量少。同時(shí)由于管內(nèi)混凝土處于三向受壓狀態(tài)，其徐變量小于單向應(yīng)力狀態(tài)下的徐變量。在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中，考慮對(duì)管內(nèi)混凝土收縮和徐變進(jìn)行適當(dāng)折減，故在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算時(shí)拱肋混凝土養(yǎng)護(hù)濕度采用90%，周長采用實(shí)際周長的一半。

根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，整體升降溫時(shí)橋面系整體升降溫±25℃;拱肋鋼管整體升降溫±35℃、拱肋混凝土整體升降溫±30℃;拱肋橫撐鋼管整體升溫+40℃、降溫-35℃。日照溫差時(shí)橋面系豎向溫度梯度20℃，左右拱肋之間溫差5℃。

4.3 主要計(jì)算成果

4.3.1 運(yùn)營階段檢算

(1)主梁剛度

主梁剛度檢算詳見表1、表2，滿足規(guī)范要求。

表1 梁體豎向撓度

表2 梁端轉(zhuǎn)角 rad

(2)主梁設(shè)計(jì)安全系數(shù)及應(yīng)力指標(biāo)

主梁設(shè)計(jì)安全系數(shù)及應(yīng)力指標(biāo)詳見表3。

表3 設(shè)計(jì)安全系數(shù)及應(yīng)力指標(biāo)

由表3可知:設(shè)計(jì)安全系數(shù)及應(yīng)力指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

(3)拱肋鋼管和拱肋混凝土強(qiáng)度檢算

運(yùn)營階段拱肋鋼管上、下緣應(yīng)力見表4。

表4 運(yùn)營階段拱肋鋼管應(yīng)力 MPa

由表4可知:拱肋鋼管全截面受壓，主力和主+附加力工況下，均滿足規(guī)范要求。

運(yùn)營階段拱肋混凝土上、下緣應(yīng)力見表5。

表5 運(yùn)營階段拱肋混凝土應(yīng)力 MPa

由表5可知:在主力工況下，拱肋混凝土全截面受壓，最小壓應(yīng)力-0.7 MPa出現(xiàn)在拱腳與拱肋相交截面的下緣;在主+附加力工況下，在拱腳附近拱肋下緣出現(xiàn)了1.5 MPa拉應(yīng)力，在1/4跨處拱肋上緣出現(xiàn)了0.9 MPa的拉應(yīng)力，故在拱腳附近的拱肋混凝土內(nèi)布置了φ32 mm鋼筋，檢算滿足規(guī)范要求。

(4)吊桿計(jì)算結(jié)果

在主力工況和主+附加力工況下，吊桿最大拉力為2359.9 kN，安全系數(shù)為3.8，大于3.0，滿足規(guī)范要求。

在主力工況和主+附加力工況下，吊桿最大應(yīng)力幅為97.6 MPa，小于200 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.3.2 自振特性計(jì)算

自振特性采用Midas程序進(jìn)行空間建模分析，考慮二期恒載的影響，前5階自振特性如表6所示。

表6 自振頻率及周期

從表6可知:第1階振動(dòng)為拱平面外的側(cè)向振動(dòng)，第2階為主梁在面內(nèi)的豎向振動(dòng);面內(nèi)、面外振動(dòng)基頻分別為2.433 Hz和1.605 Hz。兩者比值為1.516。這說明橋跨結(jié)構(gòu)面外側(cè)向振動(dòng)影響略強(qiáng)于面內(nèi)豎向振動(dòng)，同時(shí)面外穩(wěn)定性要弱于面內(nèi)穩(wěn)定性。主梁1階豎向頻率為2.433 Hz，不小于梁體豎向自振頻率n0=23.58Lφ-0.592=1.762 Hz。各階振型如圖5～圖6所示。

圖5 1階振型(拱肋橫向半波)

圖6 2階振型(橋面豎向整波)

5 拱肋穩(wěn)定分析

拱肋穩(wěn)定性計(jì)算采用Midas Civil 2010中的屈曲分析，模態(tài)數(shù)量為10，屈曲分析荷載組合:恒載+活載+整體升溫25℃ +左拱肋升溫。根據(jù)Pcr=λP原則，得出下列結(jié)果。其中P為結(jié)構(gòu)所受的力，包括恒載和其他荷載，Pcr為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界荷載，λ為穩(wěn)定系數(shù)，即軟件分析得出的特征值。拱肋穩(wěn)定系數(shù)詳見表7。

表7 拱肋穩(wěn)定系數(shù)

從表7可知:最小穩(wěn)定系數(shù)為9.23，滿足規(guī)范大于4的規(guī)定。前3階振型如圖7～圖9所示。

圖7 1階屈曲失穩(wěn)

圖8 2階屈曲失穩(wěn)

6 設(shè)計(jì)思考

6.1 拱軸線比選

設(shè)計(jì)過程中，對(duì)二次拋物線(矢跨比1/4，1/5，1/6)和懸鏈線(m=1.2，1.4)進(jìn)行了比選，最終采用矢跨比1/5的二次拋物線作為本橋的設(shè)計(jì)拱軸線。主要原因是因?yàn)殇摴芑炷凉傲航M合體系橋梁由于具有較大剛度的主梁，橋面上荷載通過主梁均勻地分布到各吊桿再傳遞到拱肋，采用二次拋物線，使拱的受力狀態(tài)達(dá)到最佳。拱軸線矢跨比為1/4、1/5、1/6時(shí)的拱肋鋼管和混凝土正應(yīng)力如表8、表9所示。

圖9 3階屈曲失穩(wěn)

表8 3種矢跨比拱肋鋼管正應(yīng)力 MPa

從表8可知:矢跨比為1/6時(shí)，主力工況下拱肋鋼管最大壓應(yīng)力為187 MPa與Q345鋼容許應(yīng)力191.2 MPa非常接近，拱肋鋼管的應(yīng)力儲(chǔ)備非常小，故不采用矢跨比1/6的拱軸線。

表9 3種矢跨比拱肋混凝土正應(yīng)力 MPa

從表9可知:矢跨比為1/4時(shí)，主+附工況下拱肋混凝土最大拉應(yīng)力為2.7 MPa，遠(yuǎn)大于混凝土的容許應(yīng)力，故不采用矢跨比1/4的拱軸線。

從主梁計(jì)算結(jié)果可知:鋼管混凝土拱梁組合體系橋梁的矢跨比不宜取得過小。矢跨比越小，主梁配置的預(yù)應(yīng)力鋼束就越多，其截面尺寸也就越大，橋面的建筑高度就越大。

綜上所述:經(jīng)過對(duì)主梁預(yù)應(yīng)力的配置、拱肋鋼管和拱肋混凝土正應(yīng)力的分析計(jì)算，最終采用1/5作為拱軸線推薦矢跨比。

6.2 吊桿張拉順序比選

對(duì)吊桿的張拉順序進(jìn)行了3種情況比選:①從最短吊桿開始，依次張拉至最長吊桿，②從最長吊桿開始，依次張拉至最短吊桿，③從3/8梁跨處吊桿5開始，依次張拉吊桿 2、3、4、6、1、7。

從計(jì)算結(jié)果可知:3種張拉情況，對(duì)主梁的影響不大，主梁應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求。但對(duì)拱肋混凝土影響很大，唯有第3種張拉方案，在主力工況下，拱肋混凝土全截面受壓;第一和第二種張拉方案，拱肋內(nèi)分別出現(xiàn)了0.9 MPa和0.5 MPa的拉應(yīng)力。

7 結(jié)語

鋼管混凝土在拱梁組合體系拱橋中的應(yīng)用，不僅充分發(fā)揮了鋼管混凝土抗壓性能好的優(yōu)點(diǎn)，而且減輕了橋梁上部結(jié)構(gòu)的自重，大大提高了拱梁組合體系拱橋的跨越能力。同時(shí)，拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，可以充分利用空鋼管作為灌注混凝土模板的功能，實(shí)現(xiàn)無支架施工或少支架施工。鋼管混凝土拱梁組合體系橋梁以其結(jié)構(gòu)輕盈、線型優(yōu)美、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)而在鐵路跨路、跨線控制工點(diǎn)上大量采用。通過對(duì)本橋的設(shè)計(jì)分析，為今后拱梁組合體系拱橋的設(shè)計(jì)積累了有益的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)同類橋梁的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB10002.2-2005 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］陳寶春.鋼管混凝土拱橋［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［5］范立礎(chǔ).橋梁工程［M］.北京:人民交通出版社，1986.

［6］馬智明，周四思.簡(jiǎn)支下承式系桿鋼管混凝土拱橋分析計(jì)算及試驗(yàn)簡(jiǎn)介［J］.公路，2000(1):24-26.

［7］杜士杰，宋宏祥.龍屯路立交鋼管混凝土簡(jiǎn)支系桿拱橋主橋設(shè)計(jì)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006(9):53-56.

［8］陳寶春.鋼管混凝土拱橋計(jì)算理論研究進(jìn)展［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2003(12):47-57.

［9］陳寶春.鋼管混凝土拱橋應(yīng)用與研究進(jìn)展［J］.公路，2008(11):57-66.

［10］馬雅林，毛亞娜，劉世忠，葉丹.下承式鋼管混凝土拱橋拱腳空間應(yīng)力分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(11):49-52.

［11］中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) CECS28:90 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，1991.