楊　勇

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢　430063)

1　項(xiàng)目概況

洛河大橋位于河南省盧氏縣境內(nèi)，橋梁跨越故縣水庫淹沒區(qū)，位于水庫大壩上游約13.2 km。橋址處位于低山區(qū)及山間谷地，地勢起伏較大，軌面至河床高差約104.0 m，橋址處水庫測時(shí)水位深約35.0 m，不通航。山坡上植被欠發(fā)育，基巖出露，主要為弱風(fēng)化安山巖，基本承載力[σ0]=1000 kPa。地震動峰值加速度Ag=0.1g。

2　主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

線路情況：Ⅰ級鐵路，有砟軌道。

正線數(shù)目：雙線，線間距4.0 m。

設(shè)計(jì)速度：120 km/h。

設(shè)計(jì)活載：中-活載(2005)ZH標(biāo)準(zhǔn)(Z=1.2)。

線路情況：橋梁位于直線上，平坡。

3　橋式方案確定

橋式方案應(yīng)結(jié)合線路平縱要素、橋址地形、地質(zhì)等情況選用合理的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)形式。本橋大、小里程兩端分別與黃柏嶺隧道、廟坪隧道進(jìn)出口相接，隧道分別長7 450 m(黃柏嶺隧道)、4 001 m(廟坪隧道)。橋面高程結(jié)合兩端隧道縱斷面及本橋的設(shè)計(jì)要求，軌底設(shè)計(jì)高程為597.763 m。

本橋地形為典型的V字形地形，河流兩岸地形陡峭，巖石埋深淺，跨越的洛河水庫水深較深，采用上承式拱橋一跨跨越河流非常合適[1]。

主拱跨度220 m，避免了在深水環(huán)境下設(shè)置造價(jià)昂貴的橋墩及基礎(chǔ)，也滿足了防洪、環(huán)保等要求。因此，本橋采用主跨220 m上承式拱橋方案，一跨過河。洛河大橋總體立面布置如圖1所示。

圖1　洛河大橋總體立面布置(單位：m)

4　拱肋設(shè)計(jì)研究

4.1　矢跨比

矢跨比(f/L)是拱橋設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，對拱肋的內(nèi)力、構(gòu)造以及施工方法都有影響。矢跨比應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)受力、通航、防洪等多方面因素綜合考慮。

一般來說，矢跨比越小，拱橋的水平推力與垂直反力之比就越大，矢跨比越大，其比值就越小。拱肋的推力越大，拱肋的軸力也越大，對拱肋的受力有利，但對基礎(chǔ)的受力不利。矢跨比太大，拱肋拱腳附近的就越陡，施工也越困難。另外，矢跨比應(yīng)結(jié)合周圍的環(huán)境，綜合考慮拱肋的外形來確定[2-3]。

本橋結(jié)合橋面高程，地形、地質(zhì)條件、庫區(qū)水位以及橋梁景觀因素綜合考慮，采用橋梁跨度220 m，矢跨比f/L=1/5，矢高44.0 m(拱平面內(nèi))，并由此確定起拱線高程549.546 m，拱座頂部高程553.546 m，拱座基礎(chǔ)底部高程540.046 m。拱肋根部及基礎(chǔ)整體布置在水庫正常蓄水位533.637 m以上。

4.2　拱肋形式及截面

鋼管混凝土構(gòu)件是鋼-混凝土組合材料的一種，不僅具有組合材料的優(yōu)勢，其應(yīng)用在拱橋上也具有施工的優(yōu)越性。受力上，鋼管借助管內(nèi)混凝土提高穩(wěn)定性，也提高了抗腐蝕能力和耐久性；另一方面，管內(nèi)混凝土受壓時(shí)借助鋼管對混凝土的套箍作用，提高了抗壓強(qiáng)度及延性，兩種材料優(yōu)勢互補(bǔ)，大大提高了材料特性。施工時(shí)，可先施工質(zhì)量較輕的鋼管構(gòu)件，再利用其作為勁性骨架或者模板，施工吊裝質(zhì)量小、速度快、節(jié)約施工用材。本橋拱肋結(jié)構(gòu)形式采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[4-5]。

鋼管混凝土拱肋的截面形式有實(shí)體截面和桁式截面。實(shí)體截面分單弦管和啞鈴形截面，一般在小跨度橋梁上應(yīng)用。桁式截面分3管、4管、6管桁式截面[6]，弦管與弦管之間可由鋼板件或鋼管桿件連接，形成組合截面從而獲得較大的縱橫向剛度。其中4管桁式截面應(yīng)用最多，4管的弦管橫向可采用平聯(lián)板連接并填充混凝土形成，啞鈴形截面，腹桿采用鋼管構(gòu)件。這種截面上、下弦管橫向啞鈴形截面中的平聯(lián)板形成的腔內(nèi)混凝土對抗彎剛度的貢獻(xiàn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單啞鈴形截面腹腔內(nèi)的混凝土[7]。

本橋拱肋采用四肢桁式結(jié)構(gòu)，即橫向啞鈴形桁式結(jié)構(gòu)，弦管直徑為1.2 m，拱肋橫向?qū)挾?.2 m，拱肋為變高度截面，拱肋高度自拱頂?shù)?.2 m按李特規(guī)律變化到拱腳的8.2 m。拱肋典型截面如圖2所示。

圖2　拱肋截面(單位：mm)

4.3　拱肋內(nèi)傾角度研究

對于上承式鋼管混凝土提籃式拱橋，拱肋的內(nèi)傾角對橋梁的整體穩(wěn)定、橫向剛度以及拱座基礎(chǔ)、拱上橋墩等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有較大的影響。為了確定合理的拱肋內(nèi)傾角度，對不同的拱肋內(nèi)傾角度分別進(jìn)行研究。

對拱肋內(nèi)傾角0°、3°、5°、6.5°、8°和10°共6個(gè)方案進(jìn)行研究。各方案的拱頂間距均為6.0 m，對應(yīng)的拱腳橫向間距分別為6.0、10.61、13.67，15.96、18.25 m和21.28 m，拱肋橫向布置見圖3。

通過對各方案建立有限元模型進(jìn)行自振特性分析，各內(nèi)傾角拱肋方案的自振特性見表1。

圖3　拱肋內(nèi)傾角0°、3°、5°、6.5°、8°和10°橫向布置示意(單位：m)

模態(tài)號內(nèi)傾角0°頻率/Hz振型描述內(nèi)傾角3°～8°3°5°6.5°8°頻率/Hz頻率/Hz頻率/Hz頻率/Hz振型描述內(nèi)傾角10°頻率/Hz振型描述10.359拱肋一階橫向0.4450.4960.5310.564拱肋一階橫向0.607拱肋一階橫向20.671拱肋二階橫向0.7320.7690.7930.817拱肋二階橫向0.846拱肋縱向30.872拱肋縱向0.8570.8550.8530.85拱肋縱向0.847拱肋二階橫向41.133拱肋扭轉(zhuǎn)1.0871.0821.0771.072拱肋豎向橋墩縱向1.064拱肋豎向橋墩縱向51.176拱肋豎向橋墩縱向1.2171.2121.2071.202拱肋豎向橋墩縱向1.194拱肋豎向橋墩縱向61.311拱肋豎向橋墩縱向1.231.2871.3231.355拱肋扭轉(zhuǎn)1.348拱肋豎向橋墩縱向71.364拱肋豎向橋墩縱向1.391.3811.3721.363拱肋豎向橋墩縱向1.364G1、G10號墩縱向81.381G1、G10號墩縱向1.4081.3981.3891.379G1、G10號墩縱向1.39拱肋扭轉(zhuǎn)91.619拱肋扭轉(zhuǎn)1.6381.6331.6281.622拱肋豎向1.612拱肋豎向101.666拱肋豎向1.7351.8091.861.907拱肋扭轉(zhuǎn)1.931拱肋扭轉(zhuǎn)

從表1可知，內(nèi)傾角為3°、5°、6.5°和8°四個(gè)方案的前10階的振型形狀相同。內(nèi)傾角為0°時(shí)，拱肋扭轉(zhuǎn)頻率將小于拱肋豎向，扭轉(zhuǎn)模態(tài)提前。內(nèi)傾角增大到10°，拱肋二階橫向振動頻率將大于拱肋縱向，拱肋橫向剛度增大。

將各方案相同振型的自振頻率變化趨勢繪制成曲線，如圖4所示。

圖4　相同振型的自振頻率變化趨勢

可以看出，拱肋橫向和扭轉(zhuǎn)振動的模態(tài)所對應(yīng)的頻率隨著內(nèi)傾角的增大而增大，拱肋豎向和縱向振動所對應(yīng)的頻率變化不大，說明內(nèi)傾角對拱肋的面內(nèi)剛度影響不大。

對不同的拱肋內(nèi)傾方案進(jìn)行屈曲分析，各方案一階均為面外失穩(wěn)，穩(wěn)定安全系數(shù)及模態(tài)見表2。

表2　不同的拱肋內(nèi)傾方案屈曲一階失穩(wěn)特性匯總

從表2可以看出，當(dāng)拱肋內(nèi)傾0°、3°、5°時(shí)，失穩(wěn)模態(tài)表現(xiàn)為面外正對稱失穩(wěn)；拱肋內(nèi)傾6.5°、8°、10°時(shí)，失穩(wěn)模態(tài)表現(xiàn)面外反對稱失穩(wěn)。

提籃拱的穩(wěn)定系數(shù)比平行肋拱有較大提高，并隨著拱肋內(nèi)傾角的增大而增大。拱肋內(nèi)傾角在0°～5°范圍變化時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)隨內(nèi)傾角的增長幅度較大。但是內(nèi)傾角超過6.5°以后，通過增大內(nèi)傾角來提高橫向穩(wěn)定性的作用已不明顯。

考慮到橋梁橫向自振特性、橫向穩(wěn)定性能以及拱腳橫向間距對拱座基礎(chǔ)圬工量的影響，并結(jié)合拱上橋墩的構(gòu)造設(shè)計(jì)、橋梁美觀性能等方面綜合考慮，本橋拱肋內(nèi)傾角度采用6.5°。

4.4　拱肋線形研究

對已建成的上承式鋼管混凝土拱橋調(diào)研，拱肋線形通常采用懸鏈線，其中公路橋梁拱軸系數(shù)m絕大多數(shù)位于1.5～2.2，鐵路橋梁拱軸系數(shù)m絕大多數(shù)位于2.5～3.2。

在確定了拱肋結(jié)構(gòu)形式、跨度、矢高等因素后，選擇合理的拱軸線形，才能使結(jié)構(gòu)的受力合理。對于懸鏈線拱軸線，需要確定拱軸系數(shù)，使拱圈受力均勻協(xié)調(diào)[8-9]。

對拱肋m值在2.5～3.2范圍內(nèi)的各種線形進(jìn)行了計(jì)算，分析其在恒載+活載作用下拱腳、1/4跨、拱頂處“五點(diǎn)”的內(nèi)力，結(jié)果如表3所示。

表3　m=2.5～3.2各拱肋線形恒載+活載彎矩匯總　kN·m

從表3可以看出，拱腳的正彎矩隨著m值的增大而增大，負(fù)彎矩隨著m值的減小而減?。还绊敒檎龔澗?，隨著m值增大而增加。拱頂與拱腳的彎矩最值之比隨著m值的增大而增加，m=3.0時(shí)，彎矩最值比為0.31，與本橋拱肋拱頂、拱腳截面的抗彎截面系數(shù)之比最接近。結(jié)合對拱肋應(yīng)力的分析，當(dāng)m=3.0，鋼管應(yīng)力、管內(nèi)混凝土拉應(yīng)力值最小，并且均小于規(guī)范允許值，因此本橋拱軸系數(shù)m取3.0。

4.5　拱肋橫向聯(lián)接系

對拱肋“一”字橫撐和“米”字橫撐兩種方案進(jìn)行了研究，兩個(gè)方案如圖5所示。

圖5　一字橫撐方案、米字橫撐方案示意

“一”字橫撐方案拱肋的面外穩(wěn)定安全系數(shù)為18.6，面內(nèi)穩(wěn)定安全系數(shù)為24.4。“米”字橫撐方案拱肋的面外穩(wěn)定安全系數(shù)為35.3，面內(nèi)穩(wěn)定安全系數(shù)為29.9。另外，對兩個(gè)方案進(jìn)行自振頻率分析也可以發(fā)現(xiàn)，采用“米”字橫撐比“一”字橫撐拱肋的橫向剛度更大，縱向剛度基本相當(dāng)，豎向剛度略大?！懊住弊謾M撐方案比“一”字橫撐方案面外穩(wěn)定系數(shù)更大，但兩個(gè)方案的穩(wěn)定安全系數(shù)均有足夠的富余[10]?？紤]到本橋橋址地形條件較差，“米”字形橫撐方案的高空焊接工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“一”字形橫撐方案，在保證結(jié)構(gòu)受力的前提下，為了降低施工難度及施工風(fēng)險(xiǎn)，本橋最終采用了受力滿足要求、施工難度及施工風(fēng)險(xiǎn)較低的“一”字橫撐方案。

4.6　拱肋腹桿設(shè)計(jì)研究

在公路橋中，桁式拱肋的腹桿一般采用鋼管與主弦管相關(guān)焊接，其優(yōu)點(diǎn)是制造安裝方便，與拱肋主鋼管配合協(xié)調(diào)。但是對于重載鐵路橋梁，活載重力大，部分腹桿承受以拉為主的變幅應(yīng)力，相貫線焊接滿足不了疲勞性能要求。本橋腹桿采用H形桿件，桿件與拱肋相接處采用異形塊(節(jié)點(diǎn)板)相焊接，以提高疲勞性能[11]。本橋活載大，腹桿與弦桿相接處的疲勞應(yīng)力問題突出，設(shè)計(jì)考慮了2個(gè)方案。如圖6、圖7所示。

方案1：桿件與主拱肋相接處擴(kuò)大為“掃把形”異形塊。異形塊采用雙側(cè)坡口熔透的細(xì)絲埋弧自動焊與主弦管焊接，并在兩端修磨勻順后進(jìn)行錘擊，以消除應(yīng)力集中，提高疲勞強(qiáng)度。在主管的內(nèi)壁焊接3排剪力釘，以加強(qiáng)鋼管內(nèi)壁與混凝土的粘結(jié)。

方案2：在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處設(shè)一塊節(jié)點(diǎn)板，即將豎腹桿和斜腹桿兩根腹桿與弦管連接做成整體節(jié)點(diǎn)板，這種節(jié)點(diǎn)板避免了兩根腹桿交點(diǎn)與弦管中心線的偏心，對于結(jié)構(gòu)的受力更加有力。并且，通過對腹桿的內(nèi)力分析可以發(fā)現(xiàn)，垂直腹桿一般承受壓力，而斜腹桿一般承受拉力。一拉一壓，可以使兩根腹桿的內(nèi)力中和一部分，對于應(yīng)力和疲勞性能都更有利。

圖6　方案1節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

圖7　方案2節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

本橋采用疲勞性能更優(yōu)的大節(jié)段板方案。按腹桿的標(biāo)準(zhǔn)截面，檢算疲勞荷載作用下的名義疲勞應(yīng)力最大為73.78 MPa，發(fā)生在G2排架墩下方左側(cè)的第一根斜腹桿。腹桿與節(jié)點(diǎn)板對接焊接連接的疲勞能滿足要求[12]。

5　拱上橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

拱上結(jié)構(gòu)采用16.5 m簡支T梁，主橋兩側(cè)各需設(shè)置4個(gè)橋墩，墩高分別為30.49、19.35、11.01、5.13 m。橋墩墩柱橫向向內(nèi)傾斜，傾斜角度與拱肋內(nèi)傾角度一致，均為6.5°。

拱上橋墩的選型主要從拱肋的受力、橋墩縱向水平線剛度、景觀效應(yīng)等方面綜合考慮。本文對鋼管混凝土單柱墩、鋼管混凝土四肢格構(gòu)墩、鋼筋混凝土排架式墩3個(gè)方案分別進(jìn)行了研究。各橋墩方案的橋墩結(jié)構(gòu)自重及縱向水平線剛度見表4。

表4　各方案橋墩自重及縱向水平線剛度

本線采用跨區(qū)間無縫線路，為了保證無縫線路的穩(wěn)定和安全性，橋梁墩臺頂?shù)目v向水平線剛度必須滿足鋼軌附加應(yīng)力檢算的相關(guān)要求[13]。即使將鋼管混凝土單肢柱的柱徑增大至D=2.0 m，墩高最大的G1號墩縱向剛度僅有89 kN/cm，不能滿足要求。鋼管混凝土四肢格構(gòu)墩與鋼筋混凝土排架墩的縱向剛度均較大，質(zhì)量上鋼管混凝土四肢格構(gòu)墩相比而言更輕。但是考慮到鋼管混凝土四肢格構(gòu)墩方案構(gòu)造復(fù)雜、景觀上也顯得非常凌亂，本橋采用受力性能好，造型美觀的鋼筋混凝土排架式橋墩方案，見圖8。

圖8　鋼筋混凝土排架墩(單位：cm)

6　施工方法研究

目前，鋼管混凝土拱橋的施工方法主要有支架法、懸臂施工法、平面轉(zhuǎn)體法、豎向轉(zhuǎn)體法、纜索吊掛法和拱肋大節(jié)段吊裝法等[14]。本橋具有橋址處地形陡峭、橋隧施工相互干擾、環(huán)保要求高、材料運(yùn)輸困難等特點(diǎn)，結(jié)合橋位處的地形及施工條件，采用纜索吊裝斜拉扣掛法施工[15]。結(jié)合橋位處地形條件，設(shè)置1套2×1 500 kN纜索系統(tǒng)用于拱肋節(jié)段、簡支T梁的吊裝，纜索吊系統(tǒng)跨度為660 m。拱肋一共分為14個(gè)節(jié)段(不含合龍段)，每個(gè)節(jié)段長15 m左右，節(jié)段拼裝采用內(nèi)法蘭臨時(shí)連接，拱肋合龍后進(jìn)行鋼管管內(nèi)混凝土的頂升灌注，按照先上弦管、后下弦管，最后腹腔的灌注順序進(jìn)行。

7　橋梁動力仿真分析

采用橋梁分析程序TBI建立橋梁空間振動分析模型，梁部及拱肋采用梁段有限元法模擬，其他構(gòu)件采用空間有限梁單元模擬，動力仿真分析有限單元劃分如圖9所示。

分析表明，C80貨車在所有計(jì)算工況下，橋梁動力響應(yīng)滿足要求，車體的豎向振動加速度、橫向振動加速度滿足要求；C80貨車在所有計(jì)算工況下，列車的行車安全性滿足要求。橋梁具有良好的動力特性和列車走行性，列車通過橋梁的安全性和平穩(wěn)性能滿足要求。

8　主要結(jié)論

(1)采用220 m跨度上承式拱橋一跨跨越洛河水庫，很好地適應(yīng)了橋址的地形、地質(zhì)條件，采用四肢鋼管混凝土格構(gòu)式拱肋，拱肋內(nèi)傾6.5°，結(jié)構(gòu)施工方便，并且具有較好的受力性能以及經(jīng)濟(jì)性能。

圖9　動力仿真分析有限單元劃分示意

(2)拱肋采用“一”字形橫撐，受力能夠滿足要求，并且極大地方便了施工；采用H形腹桿及大節(jié)點(diǎn)板與弦管連接方案，很好地適應(yīng)了重載鐵路的疲勞性能要求。

(3)采用的鋼筋混凝土排架式橋墩，橋墩縱向水平線剛度能滿足要求，受力合理，結(jié)構(gòu)美觀。

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