徐洪權(quán)
(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司,天津 300308)
浩吉鐵路于晉陜交界的禹門口地區(qū)以橋梁方式跨越黃河,是全線的重難點和控制性工程。橋位河道順直,河床平坦.基巖裸露,無邊灘,河道與線位正交。河道底寬90 m,上口寬150 m,陜西側(cè)岸坡較為平坦,上覆新黃土,山西側(cè)岸坡較為陡峭,基巖出露,岸邊高出河底50 m。橋址位于山陜高原,累年平均氣溫11.4 ℃,累年極端最高氣溫42.5 ℃,累年極端最低氣溫-19.9 ℃,累年最大風(fēng)速26 m/s。地震動峰值加速度0.15g(Ⅶ度),Ⅰ類場地,Ⅱ區(qū),反應(yīng)譜特征周期為0.30 s。
防洪要求一跨跨越黃河,不得破壞邊坡和影響行洪。橋位處四級航道。兩岸均有道路,其中龍虎公路立交凈空8.5 m×4.5 m,其為重要運煤通道,異常繁忙,交管部門不允許斷道施工。山西側(cè)岸坡陡峭,存在局部滑動風(fēng)險,施工條件極差,且施工開挖會影響河道行洪和公路通行。綜合考慮防洪.通航.立交.地質(zhì).環(huán)保等要求,對斜腿剛構(gòu).懸索橋和拱橋等橋式方案開展技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選[1],并考慮重載鐵路荷載特點[2-4].地形地貌.線路條件等外部條件和橋梁設(shè)計.施工.運維.養(yǎng)修等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方面因素,設(shè)計采用1-202 m中承桁式鋼管混凝土提籃拱橋,如圖1所示。
圖1 中承式拱橋方案布置概圖(單位:m)
中承式鋼管混凝土拱橋[5]特別適用于山區(qū)峽谷地形,本橋首次將大跨中承式鋼管混凝土提籃拱橋應(yīng)用于重載鐵路,荷載重.地震烈度較高,溫差較大,設(shè)計風(fēng)速較大,非常有必要對橋梁在鐵路工程應(yīng)用中所關(guān)注的剛度.強度.疲勞.穩(wěn)定性.舒適性及動力性能等熱點問題進(jìn)行深入研究,使橋梁既滿足使用功能,又具有技術(shù)創(chuàng)新性,并達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)與建筑藝術(shù)的完美結(jié)合,為該結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù),為我國在重載鐵路上應(yīng)用大跨度橋梁的設(shè)計.施工積累經(jīng)驗和翔實的技術(shù)資料,推進(jìn)鐵路橋梁科技進(jìn)步。
由線路縱斷面和地質(zhì)鉆孔(圖1)可知,橋梁兩側(cè)分別接路塹和隧道,橋長在260 m左右,考慮峽谷地形穩(wěn)定坡腳線.通航等對基礎(chǔ)埋深和跨度的影響,確定拱跨在170~220 m,結(jié)合合適吊桿間距及其設(shè)置,分別選用拱跨184.202 m和210 m的中承式拱橋,對比分析見表1。
表1 拱跨綜合對比
從橋梁長度與兩側(cè)相接的路基.隧道的適應(yīng)性,拱跨布置的對稱性與設(shè)計和施工制造難度,邊跨布置合理性與結(jié)構(gòu)受力特性,拱座與地形地質(zhì)適應(yīng)性等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面綜合比選,選擇202 m拱跨方案。
拱軸線形的選取對拱橋受力性能影響較大,為充分發(fā)揮鋼管混凝土的材料性能,拱軸線應(yīng)接近壓力線,由于重載鐵路荷載的特殊性,選取懸鏈線作為拱軸線。結(jié)合統(tǒng)計資料和計算分析,確定鋼管混凝土拱肋采用矢跨比為1/4,拱軸系數(shù)m=1.6的懸鏈線。
鋼管和混凝土的材料強度高,隨著拱肋跨徑增大.寬跨比減小,橫向穩(wěn)定問題愈發(fā)突出。提籃拱可加強結(jié)構(gòu)整體橫向穩(wěn)定性,增強美學(xué)效果和抗震性能,但同時也會增大施工難度.降低拱肋的面內(nèi)極限承載力。通過對拱肋內(nèi)傾0°.3°和6°(分別對應(yīng)拱腳中心距17.2.18.6 m和20.2 m)的分析,可知內(nèi)傾3°的自振基頻比內(nèi)傾0°提高了10%,內(nèi)傾6°比內(nèi)傾0°提高了31%。從工程量基本穩(wěn)定,提高結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性和拱肋結(jié)構(gòu)線性美觀出發(fā),本橋拱肋采用內(nèi)傾6°的方案。
鋼管混凝土拱肋截面分為實體式和桁式。實體拱肋構(gòu)造簡單.施工簡便,適用于較小跨徑。桁式拱肋能夠采用較小的鋼管直徑取得較大的縱橫向抗彎剛度,是大跨徑鋼管混凝土拱橋的合理截面形式。根據(jù)國內(nèi)外拱橋設(shè)計經(jīng)驗和試算分析,選擇鋼管混凝土桁式拱肋,對拱肋鋼管直徑分別為800.900 mm和1 000 mm進(jìn)行對比分析,綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和施工便利性,選擇900 mm管徑的等寬變高的鋼管桁式拱肋(圖2)。
圖2 鋼管混凝土拱肋截面(單位:mm)
同時參照已建橋梁和相關(guān)資料,拱肋自振基頻需滿足1/(0.011L)的要求,分析確定橋面以上拱肋間設(shè)置6道“K”形空間桁式撐,橋面以下拱腳間設(shè)置2道“X”形空間桁式撐。
經(jīng)過計算分析,研究確定的拱肋方案用鋼量為13.88 t/延米,混凝土為6.7 m3/延米,拱肋四分跨豎向撓跨比為1/2 006,自振基頻0.475 Hz,橋臺最小支反力453 kN,主附工況下拱肋鋼管最大應(yīng)力182 MPa(下弦拱頂),鋼纖維混凝土最大拉應(yīng)力4.0 MPa(上弦拱腳),施工工期145 d。該方案具有拱肋通透性好,造型美觀.耐久性好,施工便利.便于維養(yǎng)等優(yōu)點。
(1)正交異性鋼橋面板
正交異性鋼橋面板主要由面板以及與其焊接的橫梁.縱肋構(gòu)成,橫梁主要為橫隔板,縱肋主要為U形結(jié)構(gòu),三者互為垂直,焊接成整體而共同作用。正交異性鋼橋面板不僅是橋面板,還是主梁截面的重要組成部分,它既是縱肋.橫肋的共同上翼緣,也是主梁的上翼緣,故其結(jié)構(gòu)行為十分復(fù)雜,在縱向和橫向的結(jié)構(gòu)性能和受力行為不同,受到多頻次循環(huán)荷載,尤其是重型車輛的通行帶動面板.縱肋和橫肋產(chǎn)生面外變形,在焊接連接約束處產(chǎn)生較大的次彎曲應(yīng)力集中,易引發(fā)疲勞裂紋。本線為重載鐵路,荷載重.列車沖擊頻次高,結(jié)構(gòu)疲勞問題尤為突出,對于直接承受列車荷載的橋面板,必須選擇疲勞性能良好的結(jié)構(gòu)體系,而正交異性鋼橋面板的疲勞問題還有許多問題需要解決,不宜作為本橋橋面板。
(2)鋼-混結(jié)合梁橋面板
鋼-混結(jié)合梁橋面板是指通過抗剪連接件將鋼縱.橫梁與混凝土橋面板連接成整體,實現(xiàn)共同受力的梁體受彎結(jié)構(gòu),焊接栓釘連接件是常用的抗剪連接件,設(shè)計理論相對成熟,應(yīng)用時間相對較長。國內(nèi)外諸多學(xué)者開展了模型試驗和理論研究,基本解決了結(jié)合梁內(nèi)力分配.剪切變形.剪力滯及滑移效應(yīng).承載力等難題,推動了鋼-混結(jié)合梁的工程應(yīng)用。橋面采用鋼-混結(jié)合梁,能有效降低結(jié)構(gòu)自重和橋面系建筑高度。施工時可先吊裝鋼縱橫梁節(jié)段,然后以鋼縱橫梁為平臺,安裝預(yù)制混凝土橋面板,現(xiàn)澆縱橫濕接縫,保證了橋面板施工質(zhì)量,減小混凝土收縮徐變影響,且節(jié)段吊重顯著減小也降低對吊裝機(jī)具的要求。
綜上,橋面系推薦鋼-混結(jié)合梁形式。
鋼-混結(jié)合梁主要有以橫梁受力為主的密橫梁體系和縱橫結(jié)合的主縱梁體系兩種。小跨徑拱橋多采用縱鋪橋面板,即以橫梁受力為主,其受力明確,施工方便,但整體性較差,抗風(fēng)險能力也較差,在中.下承式拱橋中,一旦吊桿破壞,橋面板極易落入河中,造成嚴(yán)重事故。對本橋主縱梁和密橫梁的結(jié)合梁橋面系進(jìn)行了對比研究(表2)。
表2 主縱梁與密橫梁的結(jié)合梁橋面系對比
通過計算分析可知,主縱梁體系豎.橫向剛度均較大,利于重載鐵路拱橋在二期恒載和活載較大時行車安全性和平穩(wěn)性,且用鋼量省,橋面板混凝土應(yīng)力水平較低,故推薦雙主縱梁的鋼-混結(jié)合梁橋面系。
對于橋面連續(xù)鋼-混結(jié)合梁,其支承跨度布置將直接影響到橋面系.拱肋.支座等結(jié)構(gòu)受力。在保持吊桿間距和橋面系長度一致的基礎(chǔ)上,研究了將次邊支點設(shè)置在拱座上方的框架邊墩的邊墩方案和取消拱座上方邊墩設(shè)置在拱肋相交處上弦支墩的支墩方案。通過計算分析,橋面系支承跨度的布置影響排序為各處支座的支承反力.橋面系和拱肋,結(jié)構(gòu)剛度影響較小。支墩方案橋臺支點出現(xiàn)負(fù)反力,而邊墩方案則有最少452 kN的支反力儲備,可保證最不利工況下支座受壓。目前,解決負(fù)反力影響的措施大致有橋面系壓重.梁端預(yù)頂位移.設(shè)置柔性拉力體系等,但這些措施要么增加混凝土方量,要么施工過程較為復(fù)雜,施工控制困難,要么需要進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計,后期維養(yǎng)工作量大,更換困難。故推薦拱座上方設(shè)置框架墩支承的邊墩方案,其橋跨布置為(15.0+9.0+13.5+17×9.0+13.5+9.0+15.0)m。
為了降低高震區(qū)和大溫差對無鉸拱.長聯(lián)梁的不利效應(yīng)[10-12],經(jīng)設(shè)計研究,本橋采用拱梁分離體系,即拱梁間設(shè)置支座。晉.陜側(cè)拱座邊墩上分別設(shè)置縱向固定和活動的支座,且后者增設(shè)4組液體黏滯阻尼器,兩墩共同分擔(dān)縱向地震力。橋面結(jié)合梁非震時可自由變形,顯著降低了大溫差的拱梁相互作用,且結(jié)合梁自重較輕,可顯著降低梁部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地震力,罕遇地震工況下橋墩仍可保持線彈性工作狀態(tài),抗震性能良好。
吊桿作為橋面系結(jié)構(gòu)的彈性支點,與剛性支承的支座不同,列車運行時,吊桿處橋面位移相對較大,拱梁共同分擔(dān)列車荷載。彈性支點不能簡單地將兩支點間距作為計算跨度,需進(jìn)行單位力加載,求得各吊桿影響線的加載長度(圖3),進(jìn)而準(zhǔn)確求得吊桿檢算的動力系數(shù)[13-14]。
圖3 D8吊桿活載影響線
綜合考慮累計百分率和安全性等因素,研究確定活載影響線加載長度:端吊桿取相鄰拱上橫梁與相鄰2倍吊桿間距較為合適,即13.5 m+2×9.0 m=31.5 m;其他吊桿取左右兩側(cè)各相鄰2倍吊桿間距較為合適,即2×9.0 m+2×9.0 m=36.0 m。
由于重載鐵路活載大引起吊桿疲勞應(yīng)力幅值高,鑒于鐵路橋梁用吊桿的疲勞強度一般為200 MPa(冷鑄墩頭錨)或250 MPa(整束擠壓鋼絞線),為了降低疲勞應(yīng)力幅,需要增大吊桿規(guī)格,從而加大強度安全系數(shù),需要取得結(jié)構(gòu)的強度安全和疲勞安全的最佳平衡點。計算分析表明:
(1)吊桿強度安全系數(shù)取4時,吊桿的疲勞應(yīng)力幅在183.6~220.1 MPa,結(jié)構(gòu)在重載鐵路列車荷載作用下,非常不安全;
(2)吊桿強度安全系數(shù)取5時,吊桿的疲勞應(yīng)力幅在185.5~195.5 MPa,滿足疲勞受力要求。
4.2.1 吊桿設(shè)置方案研究
(1)吊桿橫斷面布置研究[15]
本橋為內(nèi)傾6°的提籃拱,若吊桿采用傳統(tǒng)豎置,桁拱將承擔(dān)較大的面外扭矩,引起拱肋吊桿處局部扭轉(zhuǎn)和疲勞破壞,故在橋面吊桿處設(shè)懸挑橫梁,使吊桿傾斜角度與拱肋保持一致(圖4)。
圖4 全橋局部橫斷面及吊桿橫斷面
(2)雙吊桿方案研究
為了克服吊桿疲勞安全儲備不足和更換的困難,結(jié)合單吊桿換索構(gòu)造,充分考慮景觀.施工及維養(yǎng)等,每個吊點設(shè)置2根吊桿,形成雙吊桿體系,進(jìn)一步增大吊桿和結(jié)構(gòu)的整體安全性。
①橫向雙吊桿方案:由于拱肋間橫向空間狹窄,僅有1.1 m,布置2根吊桿,制造困難,張拉施工空間受限,且計算表明吊桿上.下錨固端的總體等效應(yīng)力均較大,超過500 MPa,會引起局部塑性變形,應(yīng)力重分布,進(jìn)而可能產(chǎn)生疲勞裂紋,影響結(jié)構(gòu)安全。
②縱向雙吊桿方案:該方案極大地改善了吊桿上.下錨固端的施工.維養(yǎng).檢修空間,也有效降低了錨固構(gòu)造的應(yīng)力集中程度,吊桿上.下錨固端的局部最大等效應(yīng)力小于250 MPa。
綜上,選擇縱向雙吊桿方案(圖5)。
圖5 縱向雙吊桿示意(拱肋)(單位:mm)
4.2.2 吊桿錨固體系研究
重載鐵路荷載重,活載占比大.沖擊頻繁,對吊桿錨固體系的疲勞強度和疲勞壽命提出了相當(dāng)高的要求,需要開展疲勞設(shè)計。本橋吊桿應(yīng)力在138~340 MPa(即0.074fptk~0.183fptk),采用高強度安全系數(shù)雙吊桿體系,有效降低了吊桿疲勞應(yīng)力幅,但吊桿的最小應(yīng)力水平小于0.1fptk,具有低應(yīng)力水平超高疲勞應(yīng)力幅的特點。
目前我國鐵路拱橋吊桿最大疲勞應(yīng)力幅大多在100 MPa左右,而本橋接近200 MPa,吊桿疲勞問題突出。疲勞破壞屬于脆性破壞,具有突發(fā)性和不可預(yù)見性,故需要選擇容許疲勞應(yīng)力幅較大的吊桿錨固體系。目前,平行鋼絲束容許疲勞強度為200 MPa,采用墩頭錨,低應(yīng)力水平時鋼絲束不能充分拉緊,錨固效率保障率低,可能引起部分鋼絲發(fā)生疲勞斷絲等危及橋梁結(jié)構(gòu)和行車安全,且冷鑄墩頭錨尺寸較大。整束擠壓鋼絞線的疲勞強度一般在250 MPa,且吊桿索體和兩端錨頭尺寸較小,減小了拱肋錨梁狹小空間構(gòu)造設(shè)計的難度,增大了結(jié)構(gòu)可靠性,施工.檢查和維養(yǎng)操作空間得以保障。
端吊桿拱肋錨固端設(shè)置在上弦,但長度也僅有13 m,短吊桿的附加應(yīng)力和疲勞問題在工程中是個需要重視的問題,故研究確定吊桿拱肋張拉端采用球型螺母,橋面系懸挑橫梁固定端采用銷接叉耳構(gòu)造(圖6)。為了增加吊桿的安全系數(shù),設(shè)計過程中國內(nèi)首次提出低應(yīng)力水平超高容許疲勞應(yīng)力幅300 MPa,使用壽命為50年的要求。
圖6 吊桿構(gòu)造示意
按照施工過程中拱結(jié)構(gòu)的主要受力和成拱原理,可以分為支架法.勁性骨架法.懸臂施工法.轉(zhuǎn)體法.纜索吊掛法和大節(jié)段吊裝法等[5]。
本橋中等跨度桁架拱,拱肋高度小.腹桿長度較短,跨越黃河處施工場地受限,不便于采用支架法.勁性骨架法.懸臂施工法和轉(zhuǎn)體法。
以結(jié)構(gòu)外形簡潔美觀.制安方便,盡量減少現(xiàn)場焊接作業(yè)的原則,鋼管拱和橋面系鋼梁均采用大節(jié)段制造和安裝。鋼管拱采用纜索吊裝.斜拉扣掛法,橋面系鋼梁采用纜索吊拼,并充分結(jié)合地形采用纜塔和扣塔一體塔架和巖錨(圖7)。
圖7 施工方案示意(單位:高程以m計,其余cm)
根據(jù)施工方案確定纜索吊最大吊重1 200 kN。拱肋采用單榀吊裝,纜索吊可橫向移動,以適應(yīng)提籃式拱肋在拱腳與跨中拱頂不同的橫向位置,更好地發(fā)揮其承載能力。鋼管拱吊裝節(jié)段最大長度20 m.最大吊重760 kN,鋼梁吊裝節(jié)段最大吊重1 100 kN。
目前主要有:正裝分析法.倒拆分析法和無應(yīng)力狀態(tài)等3種線形控制計算方法[16-17]。
根據(jù)結(jié)構(gòu)計算成果,確定線形控制要求為:鋼管拱懸拼線形與鋼管拱一次成拱線形相吻合;在考慮橋面系所引起的拱肋變形基礎(chǔ)上,鋼縱橫梁每個吊裝節(jié)段均不設(shè)預(yù)拱度。
5.2.1 鋼管拱線形控制研究[18-19]
(1)線形控制思路和方法
為滿足線形控制要求,需要確定懸拼過程中拱肋扣點預(yù)抬高值以及扣索的初索力及在各階段中的索力。設(shè)計中采用斜拉橋施工中的無應(yīng)力狀態(tài)法,索力一次張拉到位,拆除扣索之后便是設(shè)計線形。以最大懸臂狀態(tài)作為拱橋施工過程的中間目標(biāo)狀態(tài),利用Midas未知荷載系數(shù)法對拱橋最大懸臂狀態(tài)進(jìn)行索力優(yōu)化分析,以最大懸臂狀態(tài)端點水平位移控制在0.000 5 m,轉(zhuǎn)角控制在0.000 5 rad范圍內(nèi)為位移約束條件,通過索力影響矩陣,進(jìn)而得出最大懸臂狀態(tài)各索索力,作為倒拆計算的開始,并求得正裝計算的無應(yīng)力索長。
(2)計算結(jié)果誤差分析
通過倒拆和正裝計算,可以得到拆除扣索后各控制點的最終撓度值,將此撓度值與一次成拱撓度值進(jìn)行對比(圖8)??梢钥闯鲎畲笳`差僅為1.348 mm,滿足工程精度要求。
圖8 分段拼裝和一次成拱拱肋撓度對比
5.2.2 橋面系線形控制研究
(1)線形控制思路和方法
在確定合理成橋索力時,一般方法有剛性支承連續(xù)梁法.零位移法.彎曲能量最小法等,本文對支承連續(xù)梁法進(jìn)行改進(jìn),即考慮橋面系恒載所引起的拱肋變形。
(2)計算結(jié)果誤差分析
設(shè)計中采用支承連續(xù)梁法計算得到恒載作用下的吊桿初始索力和考慮拱肋變形的有應(yīng)力索長,進(jìn)而得到無應(yīng)力索長再進(jìn)行正裝驗算,最終得到成橋狀態(tài)橋面系控制點撓度(圖9)。
圖9 橋面系控制點成橋撓度
由圖可知,此方法進(jìn)行橋面系施工控制,控制點最大撓度<1.5 mm,發(fā)生在橋面系跨中位置,成橋時橋面總體平順。
本橋造型新穎.結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為保證列車行駛安全性和舒適性,需要研究車輛荷載下的橋梁振動特性[20]。通過建立車-線-橋空間耦合振動分析模型,對全橋開展動力仿真分析,結(jié)論如下。
(1)在C80型貨車以速度60~90 km/h通過和CRH2型客車以速度80~140 km/h通過,主梁跨中.拱頂及1/4拱圈處的豎向和橫向振動位移均較?。恢髁嚎缰?拱頂及1/4拱圈處的豎向和橫向振動加速度均小于規(guī)范規(guī)定的限值,說明橋梁的振動性能良好。
(2)在C80型貨車以速度60~90 km/h.CRH2型客車以速度80~140 km/h通過時,車輛的脫軌系數(shù).輪重減載率.輪軌橫向力等安全性指標(biāo)均在限值以內(nèi),列車行車安全。
(3)在C80型貨車以速度60~90 km/h.CRH2型客車以速度80~140 km/h通過時,重車(動車)與空車(拖車)豎向和橫向平穩(wěn)性均達(dá)到“優(yōu)良”。
綜上,本橋在C80貨車以速度60~90 km/h.CRH2動車組以速度80~140 km/h通行時,行車安全性和運行平穩(wěn)性滿足要求,動力性能符合要求。
首次將大跨中承式鋼管混凝土提籃拱橋應(yīng)用于雙線重載鐵路,研究解決了重載鐵路活載大.結(jié)構(gòu)疲勞應(yīng)力幅值高.施工難度大.無縫線路受力和多跨連續(xù)鋼混結(jié)合梁橋面計算復(fù)雜等關(guān)鍵技術(shù)難題。
(1)研究采用吊桿與拱肋同平面布置的提籃式四肢空腹桁架式鋼管拱肋,吊桿錨固構(gòu)造簡單,兩榀拱肋間距小,鋼管拱結(jié)構(gòu)構(gòu)造緊湊,拱肋內(nèi)空間利用效率高,且結(jié)構(gòu)剛度大,便于制造和安裝,景觀效果好,經(jīng)濟(jì)合理,施工技術(shù)成熟。
(2)研究采用拱梁分離的半漂浮結(jié)構(gòu)體系有效釋放了拱梁之間因不同步變形引起的溫度次應(yīng)力,改善了拱梁結(jié)構(gòu)受力,滿足了無縫線路受力要求,抗震性能良好。
(3)研究采用300 MPa超高疲勞應(yīng)力幅的整束擠壓鋼絞線的縱向雙吊桿及其錨固系統(tǒng),滿足了重載鐵路拱橋吊桿疲勞強度要求,便于換索且很好地適應(yīng)了拱梁間縱向變形。
(4)鋼管拱和橋面系鋼縱橫梁均采用大節(jié)段制造和安裝技術(shù),減少了現(xiàn)場焊接作業(yè)
(5)拱肋無應(yīng)力狀態(tài)法和考慮拱肋變形的橋面系線形控制技術(shù)指導(dǎo)了施工,保證了成橋線形。
(6)車-線-橋耦合振動仿真分析表明,本橋行車安全性.運行平穩(wěn)性和動力性能滿足要求。