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        客貨共線鐵路混凝土系桿拱橋梁設(shè)計(jì)

        2020-07-20 12:01:48張志勇陳思孝
        四川建筑 2020年2期
        關(guān)鍵詞:系梁系桿梁端

        張志勇, 陳思孝

        (中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川成都 610031)

        1 設(shè)計(jì)概述

        系桿拱橋是由拱肋、系梁、吊桿和橋面系等組成的梁拱組合體系,具有跨越能力大、梁部結(jié)構(gòu)高度小、輕盈美觀等優(yōu)點(diǎn)[1],該橋型適用于橋下凈空受限且對跨越能力要求較高的橋位處,在我國鐵路橋梁建設(shè)中應(yīng)用較多。海西線豐頭新村雙線特大橋位于海南省,地處濱海平原地貌,地勢低平開闊,跨規(guī)劃道路。因橋下規(guī)劃道路的標(biāo)高控制,橋下凈空高度受限,且濱海地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕問題突出,設(shè)計(jì)綜合比選采用了主跨68 m混凝土系桿拱橋。該橋的總布置圖如圖1所示。

        圖1 主跨68m混凝土系桿拱橋立面布置

        2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

        (1)鐵路等級:I級鐵路,客貨共線。

        (2)橋上線路:雙線,線間距5.0 m,平面直線,縱坡1.2 %。

        (3)設(shè)計(jì)行車速度:200 km/h。

        (4)設(shè)計(jì)活載:中活載。

        (5)軌道結(jié)構(gòu):有砟軌道。

        (6)地震動峰值加速度:≤ 0.1g。

        3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        橋梁全長70 m,支承中心間距為68 m,理論矢高13.6 m,矢跨比為1/5,拱軸線為m=1.268的懸鏈線。梁部劃分為10個(gè)節(jié)間,除端節(jié)間長9.2 m外,其余節(jié)間長6.2 m,拱肋中心距為11.4 m,凈寬10.4 m。

        梁橫向?yàn)閱蜗淙?,跨中梁?.8 m,梁底寬12 m,梁頂寬14.4 m;梁端部加高至3.3 m。跨中箱梁頂板厚35 cm,底板厚為40 cm,中腹板厚度為35 cm,邊腹板厚度為60 cm,在梁端部加厚。在各吊桿位置設(shè)50 cm厚橫隔板,在箱梁端部設(shè)3.0 m端橫梁,中橫隔板與端橫梁中部設(shè)有供檢查人員通過的進(jìn)人孔洞,跨中附近中腹板位置設(shè)有橫向進(jìn)人孔洞。

        拱肋為鋼筋混凝土構(gòu)件,矩形截面,高2.0 m,拱趾處加高至3.45 m;拱肋寬1.0 m。兩拱肋之間除第一、二個(gè)節(jié)點(diǎn)為滿足橋上凈空要求不設(shè)橫撐外,其余節(jié)點(diǎn)均設(shè)鋼筋混凝土橫撐與拱肋連接。橫撐為矩形截面,在與拱肋交接處采用倒角過渡,以避免角隅處應(yīng)力集中。系梁截面及拱肋截面如圖2所示。

        圖2 系梁截面及拱肋截面

        吊桿采用柔性吊桿,圓形截面,其構(gòu)成為GJ15-27新型環(huán)氧噴涂整體擠壓成束鋼絞線,由27根φ15.2 mm環(huán)氧噴涂鋼絞線組成,fpk=1860MPa。外套大小HDPE護(hù)套,其間填充防腐油脂,吊桿錨頭處采用錨頭防水防腐保護(hù)罩,吊桿外露部分采用外徑小于20 cm不銹鋼護(hù)套包裹以免意外或人為損壞。吊桿采用在拱肋頂單端張拉,采用錨具GJ15-27型錨具錨固,吊桿下端設(shè)置長效型傳感器,以監(jiān)控索力變化情況。

        梁體縱向預(yù)應(yīng)力均采用9-φ15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1860MPa,錨下控制應(yīng)力1 302 MPa。

        在拱腳處垂直于拱軸線方向設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力,采用公稱直徑32 mm的PSB830預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋。

        4 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

        4.1 計(jì)算模型

        本文采用 Midas Civi軟件建立了三維計(jì)算模型,均采用梁單元模擬,模型如圖3所示。

        圖3 主橋模型

        4.2 主要計(jì)算結(jié)果

        4.2.1 結(jié)構(gòu)豎向剛度

        從表1可知,本橋系梁豎向撓度及梁端轉(zhuǎn)角均遠(yuǎn)小于規(guī)范限值,說明結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度[2]。

        表1 豎向剛度檢算

        4.2.2 梁部檢算

        (1)應(yīng)力檢算:運(yùn)營階段拱肋和梁體應(yīng)力如表2所示。

        表2 拱肋及梁體應(yīng)力(壓為正,拉為負(fù))

        由上表2可知,梁體為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,在主力和主+附荷載作用下,均處于受壓狀態(tài),最大壓應(yīng)力小于規(guī)范限值,滿足規(guī)范要求。拱肋為普通鋼筋混凝土構(gòu)件,在主力和主+附荷載作用下,拱肋上緣均處于受壓狀態(tài),最大壓應(yīng)力小于規(guī)范限值,而拱肋下緣在主+附作用下出現(xiàn)0.94 MPa的拉應(yīng)力,通過適當(dāng)配筋是滿足受力要求的,均滿足規(guī)范要求[3]。

        (2)正截面抗裂性:梁體最不利截面安全系數(shù)Kf=1.8。

        (3)斜截面抗裂性:梁體最大主拉應(yīng)力為-0.88 MPa,最大主壓應(yīng)力為9.03 MPa。

        (4)正截面抗彎強(qiáng)度檢算:梁體最不利截面安全系數(shù)K=2.24(主力),K=2.13(主+附)。

        4.2.2 吊桿檢算

        運(yùn)營階段吊桿應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

        表3 吊桿計(jì)算結(jié)果

        由表3可知,吊桿最小安全系數(shù)均大于3.0,安全性高。吊桿活載應(yīng)力幅滿足規(guī)范要求。

        4.2.3 結(jié)構(gòu)自振特性

        結(jié)構(gòu)前五階自振頻率如表4所示,第一階結(jié)構(gòu)自振振型如圖4所示。

        表4 結(jié)構(gòu)自振特性

        圖4 結(jié)構(gòu)第一階振型

        由主橋結(jié)構(gòu)自振振型和頻率分析可知,第一、二階振動為主拱橫彎,第三階為橋梁整體豎彎,說明橋跨結(jié)構(gòu)拱肋的橫向剛度相對較弱,橋梁整體豎彎自振頻率為2.730 Hz,說明橋梁結(jié)構(gòu)整體豎向剛度較大。

        4.2.4 結(jié)構(gòu)屈曲分析

        本橋兩榀拱肋中心距11.4 m,橫撐采5道1字型撐,穩(wěn)定分析計(jì)入自重、二期恒載、滿布雙線活載影響。通過midas建模計(jì)算得知臨界荷載系數(shù)9.06,由此可知該橋失穩(wěn)安全性較高。

        5 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        (1)對于系桿拱橋的系梁,是同時(shí)承受軸向拉力和彎矩的構(gòu)件,同時(shí)承受多點(diǎn)支承。對于混凝土系梁,其頂板和底板均應(yīng)配置全橋拉通的鋼束,用以抵抗軸向拉力。同時(shí),應(yīng)在梁端附近配置少量彎起的腹板束,用以抵抗剪力。由于梁端拱梁固結(jié),導(dǎo)致梁端存在一定的負(fù)彎矩,宜在梁端按照“懸臂梁”原理配置一定的鋼束。

        (2)梁端拱梁交接處,拱腳的推力由系梁承擔(dān),這個(gè)推力 是通過梁拱結(jié)合處的剪力傳遞給系梁,因此,梁拱交接處的長度需滿足受剪要求,同時(shí)應(yīng)配置足夠的抗剪鋼筋。

        (3)吊桿間距和吊桿力數(shù)值的確定是系桿拱橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵之一,設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮,以滿足運(yùn)營安全的同時(shí)降低造價(jià)[4]。

        6 結(jié)束語

        本文采用midas通用軟件計(jì)算分析主跨68 m混凝土系桿拱橋,得到了該橋應(yīng)力、位移、穩(wěn)定性等均滿足規(guī)范要求,對混凝土系桿拱橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié),為同類橋梁的設(shè)計(jì)提供了參考。海南西環(huán)鐵路豐頭新村雙線特大橋于2015年底建成通車,目前運(yùn)營狀況良好?;炷料禇U拱橋造型美觀,橋下凈空要求低,跨越能力強(qiáng),混凝土耐久性好,養(yǎng)護(hù)維修相對鋼桁梁簡單,造價(jià)低,是單跨120 m左右橋梁較為理想的一種選擇。

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