郭豐哲，郭 波，蘇國(guó)明

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 工程概況

圖1 (102+208+102)m連續(xù)剛構(gòu)拱橋(單位：m)

1.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：①鐵路等級(jí)，Ⅰ級(jí)。②正線數(shù)目，雙線有砟軌道，線間距4.6 m；線路平面為直線；線路縱坡為平坡。③設(shè)計(jì)速度，客運(yùn)專線250 km/h。④設(shè)計(jì)活載，ZK活載。

1.2 水文地質(zhì)

橋址區(qū)場(chǎng)地土具侵蝕性，化學(xué)環(huán)境作用等級(jí)為H1級(jí)，氯鹽作用等級(jí)為L(zhǎng)1級(jí)。

1.3 通航標(biāo)準(zhǔn)

橋位處為規(guī)劃Ⅳ級(jí)通航航道。通航要求：凈寬90 m，凈高8 m。

1.4 工程地質(zhì)

1.5 地震動(dòng)參數(shù)

地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期分區(qū)為三區(qū)，Tg=0.45 s。

1.6 橋址氣象資料

橋位處年平均氣溫9.5 ℃，最冷月平均氣溫-6.1 ℃，最熱月平均氣溫22.4 ℃。按照對(duì)鐵路有影響的氣候分區(qū)，屬于寒冷地區(qū)。

2 結(jié)構(gòu)尺寸

2.1 主梁

主梁采用C60混凝土，截面采用單箱雙室形式，主梁為變截面、變高度。結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

箱梁在每個(gè)吊點(diǎn)處均設(shè)置1道橫隔梁，橫隔梁寬40 cm，靠近兩中支點(diǎn)處的5道橫隔梁高1.6 m，跨中的10道橫隔梁高1.4 m。

表1 結(jié)構(gòu)尺寸 m

主梁結(jié)構(gòu)0號(hào)梁段的長(zhǎng)度為20 m，邊跨直線段的長(zhǎng)度為6.9 m，中跨合龍段的長(zhǎng)度為3.0 m，其余梁段長(zhǎng)分別為4.5，4.0，3.5，3.0 m。主梁除0號(hào)梁段、1號(hào)梁段、邊孔直線段在支架上現(xiàn)澆外，其余梁段均采用掛籃懸澆施工。典型斷面布置如圖2所示。

圖2 典型斷面布置(單位：cm)

2.2 預(yù)應(yīng)力體系

主梁為三向預(yù)應(yīng)力體系，設(shè)縱、橫、豎向預(yù)應(yīng)力?？v向鋼束規(guī)格為19-Φj15.2 mm和15-Φj15.2 mm。主梁橫向預(yù)應(yīng)力鋼束規(guī)格為5-Φj15.24 mm，縱向間距0.5 m。主梁豎向預(yù)應(yīng)力筋采用φ32 mm的高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋。

2.3 拱肋及橫撐

拱肋計(jì)算跨度為208 m，矢高41.6 m，矢跨比為1/5，拱軸線采用二次拋物線。拱肋截面總高度為3.4 m，采用啞鈴形鋼管混凝土。拱管直徑1.2 m，管壁厚為26 mm(拱腳附近局部加厚至30 mm)；上下拱管之間的腹腔寬度為0.80 m，壁厚為26 mm。拱管及腹腔內(nèi)部均灌注C50自密實(shí)混凝土。拱肋的中心距為13.0 m，采用桁架式橫撐，橫撐內(nèi)不灌注混凝土。橫撐間距18 m，全橋共設(shè)置10道。拱肋、橫撐及吊桿錨箱均采用Q345qE鋼材。橫撐和拱肋的截面形式如圖3所示。

圖3 橫撐和拱肋的截面形式(單位：cm)

2.4 吊桿

吊桿設(shè)置為雙吊桿形式，采用PES7-61型平行鋼絲束。吊桿上端為張拉端，且錨固于拱肋上緣，下端錨固于吊點(diǎn)翼緣與腹板相交處，采用箱外牛腿錨固形式。吊桿縱橋向間距為9.0 m，共設(shè)置38組雙吊桿。吊桿采用雙層HDPE保護(hù)層，并外套不銹鋼護(hù)套。

2.5 支座

邊支點(diǎn)橫向設(shè)置2個(gè)支座，分別為縱向活動(dòng)支座和多向活動(dòng)支座，支座間距為8.6 m，邊墩支座噸位采用 10 000 kN級(jí)。

2.6 主墩結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)

交接墩采用薄壁空心橋墩，剛構(gòu)墩墩身與梁體腹板及隔墻形成整體。剛構(gòu)墩頂順橋向?qū)?.0 m，橫橋向頂寬14.6 m，壁厚1.2 m；縱橋向不放坡，橫向放坡，外壁坡度35∶1，內(nèi)壁坡度75∶1；墩底設(shè)5.0 m實(shí)體段?？招亩盏慕Y(jié)構(gòu)如圖4所示。除橋墩上部6 m范圍采用C60混凝土外，剛構(gòu)墩墩身其余材料為C45混凝土。兩主墩處采用24根φ220 cm鉆孔灌注樁，樁基采用C45混凝土，采用行列式布置，樁間距4.8 m。

圖4 空心墩的結(jié)構(gòu)(單位：cm)

3 模型建立

本橋采用“先梁后拱”的施工方法，主要步驟：①主墩及基礎(chǔ)施工；②主梁采用掛籃懸臂對(duì)稱施工；③合龍邊跨；④每側(cè)邊支點(diǎn)壓重200 t；⑤繼續(xù)移動(dòng)掛籃，施工中跨剩余懸灌段；⑥合龍中跨；⑦在梁上搭設(shè)支架，施工拱肋及橫撐，拱肋豎轉(zhuǎn)；⑧安裝并張拉吊桿；⑨施工橋面系，成橋運(yùn)營(yíng)。

結(jié)合結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程，采有限元計(jì)算分析軟件MIDAS及BSAS建立模型。

4 計(jì)算結(jié)果

本橋荷載組合按主力組合和主+附組合對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算[2-5]。

4.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

選取邊跨跨中、中支點(diǎn)、中跨跨中控制截面，對(duì)其主力、主+附的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析，見(jiàn)表2。根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果進(jìn)行縱向鋼束配置，全橋共配置縱向鋼束885 t，鋼束含量52.8 kg/m3。

表2 控制截面彎矩及軸力

4.2 強(qiáng)度及應(yīng)力

強(qiáng)度及抗裂性安全系數(shù)的最小值均出現(xiàn)在主梁中支點(diǎn)位置截面。梁體混凝土上緣最大應(yīng)力和下緣最小應(yīng)力的控制截面出現(xiàn)在主梁邊跨跨中位置，上緣最小應(yīng)力和下緣最大應(yīng)力的控制截面出現(xiàn)在主梁中支點(diǎn)位置截面。強(qiáng)度、抗裂性安全系數(shù)和梁體混凝土應(yīng)力分別如表3和表4所示。

表3 強(qiáng)度、抗裂性安全系數(shù)

表4 梁體混凝土應(yīng)力 MPa

4.3 反力及變形

4.3.1 反力

1)成橋狀態(tài)

成橋邊支點(diǎn)(單墩)反力如表5所示。根據(jù)表5計(jì)算結(jié)果選用 12 500 kN 級(jí)別的邊支座。

表5 成橋邊支點(diǎn)(單墩)反力 kN

2)施工過(guò)程

施工過(guò)程中邊支點(diǎn)反力如表6所示?？芍?，各施工階段及成橋時(shí)均未出現(xiàn)負(fù)反力，在中跨超打2個(gè)梁段后，邊支點(diǎn)反力出現(xiàn)了最小值。

表6 邊支點(diǎn)反力 kN

4.3.2 變形

1)ZK靜活載變形

梁端轉(zhuǎn)角及撓跨比如表7所示?？芍?，梁端轉(zhuǎn)角及邊中跨撓度均滿足規(guī)范要求。

表7 梁端轉(zhuǎn)角及撓跨比

2)溫度變形

溫度變形在車橋耦合結(jié)構(gòu)分析中與其他荷載作用的變形予以疊加考慮。不同溫度工況作用下的拱肋和主梁變形如表8所示。

表8 溫度變形 mm

3)梁體水平撓度

在列車搖擺力、風(fēng)力、溫度力作用下，梁體水平撓度為11.0 mm。

4)工后徐變

最大工后徐變?yōu)檫吙?2.8 mm，中跨-10.5 mm。

表3—表8的結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)均在規(guī)范容許值之內(nèi)。

4.4 拱肋截面驗(yàn)算

按照TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》檢算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，分別對(duì)拱肋按矩形截面進(jìn)行偏心受壓構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9?？芍?，主力和主+附結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

表9 拱肋截面計(jì)算結(jié)果

4.5 吊桿驗(yàn)算

成橋時(shí)吊桿力總和為 27 179 kN，占中跨二期恒載總重 38 896 kN 的69.9%；在全橋布滿列車活載下，拱肋承擔(dān)的豎向列車活載 10 261 kN 占中跨范圍總豎向列車活載 26 624 kN 的38.5%。在主+附作用下，單個(gè)吊點(diǎn)處最大吊桿力為 4 211 kN，安全系數(shù)為3.3。在疲勞荷載作用下，吊桿的應(yīng)力幅為104.9 MPa。

4.6 穩(wěn)定性分析

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)構(gòu)的前五階變形均為拱的變形。結(jié)構(gòu)一階穩(wěn)定系數(shù)為7.2。

4.7 自振特性

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行自振特性分析，如表10所示。

表10 結(jié)構(gòu)自振特性

4.8 橋墩驗(yàn)算

主+附作用下，橋墩彎矩如表11所示。

表11 橋墩彎矩

橋墩縱向主筋采用雙根一束φ32。根據(jù)橋墩受力和配筋對(duì)橋墩進(jìn)行驗(yàn)算[4]，結(jié)果如表12所示。

表12 橋墩驗(yàn)算結(jié)果 MPa

4.9 樁基驗(yàn)算

樁基采用b90軟件進(jìn)行計(jì)算。樁基受力計(jì)算結(jié)果如表13所示。其中，Pmax為最大樁頂荷載，[P]為單樁容許承載力。

表13 樁基受力計(jì)算結(jié)果 kN

根據(jù)樁基受力情況對(duì)樁基截面進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果如表14所示。

表14 樁基驗(yàn)算結(jié)果 MPa

4.10 車橋耦合分析

根據(jù)車橋耦合振動(dòng)分析理論，運(yùn)用多體動(dòng)力分析軟件UM對(duì)本橋進(jìn)行車橋耦合動(dòng)力性能分析。軌道不平順采用德國(guó)低干擾譜，并結(jié)合TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中250 km/h 高速鐵路有砟軌道平順性要求進(jìn)行修正。結(jié)果表明，在動(dòng)力分散式列車CRH2,CRH3以160～300 km/h的速度下運(yùn)行時(shí)，橋梁動(dòng)力性能滿足規(guī)范要求，列車的行車安全性滿足規(guī)范限值，乘坐舒適性達(dá)到“優(yōu)”。

4.11 抗震分析

1)主墩驗(yàn)算

多遇地震作用下，主墩墩身的控制截面地震力如表15所示?？芍?，在多遇地震作用下，橋墩墩身的混凝土壓應(yīng)力及鋼筋應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求。

2)樁基驗(yàn)算

樁基抗震力如表16所示?？芍?，在多遇地震作用下，樁基的混凝土壓應(yīng)力σc及鋼筋應(yīng)力σs均能滿足規(guī)范要求。

表15 主墩控制截面地震力

表16 樁基地震力

3)結(jié)構(gòu)位移延性比驗(yàn)算

罕遇地震作用下，橋墩延性驗(yàn)算結(jié)果如表17所示。可知，結(jié)構(gòu)均具有足夠的延性能力，滿足規(guī)范要求。

表17 罕遇地震作用橋墩延性驗(yàn)算結(jié)果

4.12 墩、梁、拱腳結(jié)合段實(shí)體分析

局部模型按照實(shí)際結(jié)構(gòu)的約束條件進(jìn)行模擬。梁端內(nèi)力按移動(dòng)荷載作用下拱腳受力最不利工況作用下相應(yīng)的內(nèi)力進(jìn)行施加。通過(guò)局部實(shí)體分析可知，區(qū)段內(nèi)主梁縱、橫、豎向基本處于受壓狀態(tài)；拱腳基本處于受壓狀態(tài)，拉應(yīng)力區(qū)域較??；存在局部應(yīng)力集中區(qū)域，多數(shù)位于集中力作用的位置，可不予考慮。

5 設(shè)計(jì)總結(jié)

本文連續(xù)剛構(gòu)拱的設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

1)主梁最小截面的抗彎剛度為86.9 m4，拱肋面內(nèi)抗彎剛度為3.758 m4(按彈性模量比8予以折算)，梁拱抗彎剛度比為23.1，為剛性梁柔性拱結(jié)構(gòu)。

2)吊桿對(duì)于主梁的提拉作用較好，表現(xiàn)為工后徐變比同跨度的梁式橋顯著降低，中跨跨中的工后徐變僅為10.5 mm，滿足規(guī)范要求。

3)橋梁采用主梁跨中5.5 m和支點(diǎn)13.0 m的梁高。經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、應(yīng)力和各項(xiàng)變形均滿足規(guī)范要求，且結(jié)果沒(méi)有過(guò)于富裕。

4)工后徐變會(huì)使結(jié)構(gòu)變形增大，造成預(yù)應(yīng)力損失，使偏心受壓構(gòu)件的受壓區(qū)變形增大，撓度增加，承載力降低。本橋的計(jì)算工后徐變值滿足規(guī)范要求，在容許范圍之內(nèi)。

5)拱肋高度采用3.4 m，鋼板厚度采用26 mm，驗(yàn)算結(jié)果均在規(guī)范要求之內(nèi)。

6)本橋選用空間桁架撐，一階穩(wěn)定系數(shù)為7.2。

7)本橋墩高50 m左右，考慮到橋位處的景觀及地震烈度的要求，選用了寬8 m、壁厚1.2 m的箱形截面作為本橋橋墩設(shè)計(jì)截面，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)