2008年12月第12期(總123鐵道工程學報JOURNALOFRAILWAYENGINEERINCSOCIETYDec2008NO.12(Ser.123文章編號:1006—2106(200812—0066-06大跨度上承式鋼管混凝土拱橋設計研究?楊克鑒¨李鳳芹張亞麗(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津300142摘要:研究目的:大跨度上承式鋼管混凝土拱橋,結構受力復雜。結構形式和施工方法的選擇對拱肋受力、橋上無縫線路設計、列車行車安全性和平穩(wěn)性有較大的影響。因此,本文對此進行研究探討。研究結論:上承式拱橋是跨越山區(qū)河流、深谷的合理橋式。通過對某線黃河特大橋上承式鋼管混凝土拱橋的設計研究,得出如下結論:(1拱肋截面形式、拱肋橫傾角及拱上建筑主梁跨度、支墩頂支座布置方式等有關設計參數(shù)對無縫線路、車線橋動力性能影響的計算研究結果;(2拱肋矢跨比及拱軸系數(shù)、鋼管拱架設方案、管內混凝土灌注順序選對拱肋應力影響的研究結果;(3形成了一整套上承式鐵路拱橋設計研究的新思路、新方法。關鍵詞:鐵路橋;上承式鋼管混凝土拱橋;設計中圖分類號:U441文獻標識碼:AResearchontheDesignofLargeSpanDeckSteelTubeConcreteArchBridgeYANGKe—jian,LiFeng—qin,ZHANGYa—li(TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation,Tianjin300142,ChinaAbstract:Researchpurposes:Largespandecksteeltubeconcretearchbridgeisverycomplicatedinthestressesstructure.Theselectionofstructuretypeandconstructionmethodhasgreateffectsonthearchribforce,thedesignofjointlesstrackonthebridge,thesafetyandstabilityofthetrain.Theissuesmentionedabovearestudiedinthispaper.Researchconclusions:Thedeckarchbridgeissuitableforcrossingthemountainriveranddeepvalley.Basedonstudyingthedesignofdecksteeltubeconcretearchbridge,thefollowingresultsareoffered:(1Thecalculationresultsoftheeffectoftypesectionofthearchrib,thecrossinginclineangleofarchrib,thearchitectureabovethearch,spanofthemaingirder,bearingarrangementmethodforthepiertopandrelatedparameterOilthejointlesstrackanddynamicsoftrain,trackandbridge;(2Theresultsoftheeffectofthespanratioandparametersofthearchaxis,erectingmethodofthesteeltube.thesequenceofconcretecastinginthesteeltubeonthestressofthearchrib;(3Anewdesignconceptandthoughts.Keywords:railwaybridge;decksteeltubeconcretearchbridge;design1概述篙釜晏李霪鑾菱翥鋈是妻:i囂要譬霉紊1.1地形、地質、水文、冰凌資料情況位為5—8m,河床至軌面高為145.3m。兩岸岸坡為某線黃河特大橋位于黃河中游的河口鎮(zhèn)至龍口的奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r,基本承載力為1500kPa。地震動峽谷區(qū)段,位于萬家寨水庫大壩下游19km、正在建設峰值加速度為0.05g。?收稿日期:2008—12—04??作者簡介:楊克鑒,1966年出生,男,高級工程師。第12期楊克鑒李鳳芹張亞麗:大跨度上承式鋼管混凝土拱橋設計研究67萬家寨水庫于2002年竣工并通過國家驗收,大壩設計標準:按1/500洪水設計,設計最大泄量Q。舢=7624m3/s。龍口水庫大壩是正在建設中,其設計標準為P=1%,調洪期間設計洪水位896.26m,冬季水庫正常蓄水位898.0m。依照水文站實測資料:實測最大冰厚1.20m,流凌平均流速為3.18m/s。本段黃河常出現(xiàn)“倒開河”的現(xiàn)象。開河時下游晚于上游,水位迅猛上漲,形成凌汛洪峰。凌汛洪峰流量一般在2000m3/s,有的年份超過3000m3/s,甚至成為全年最大的洪峰流量。防洪評價的主要結論是:“……龍口水庫建成后,在凌汛期橋位河段易產生冰塞、冰壩。……由于橋位處河道較窄,推薦采用一跨直接跨越河道方案。”1.2橋式方案的確定該橋的地形、地質條件非常適合于設置上承式拱橋,鋼管混凝土拱橋跨越能力大,是大跨橋梁發(fā)展方向之一,國內外公路、鐵路已有多個成功的先例。利用拱肋鋼管和扣索作為拱肋混凝土灌注施工的勁性骨架,可節(jié)省模板和支架,方便施工。根據(jù)邊坡穩(wěn)定分析結果,當主跨跨度選擇380m時,考慮兩岸山體溝谷的影響,主橋基礎位于穩(wěn)定坡角線內,因此,鋼管混凝土拱橋的跨度采用380m,交界墩高76m,如圖1所示。圖11—3踟m上承式鋼管混凝土拱橋方案(單位?_enl1—380m雙線上承式拱橋不但橋梁結構形式與周圍環(huán)境相協(xié)調,避免了水中設墩易發(fā)生冰塞、冰壩的安全隱患,滿足防洪評價要求,而且其方案造價也最為節(jié)省。因此,推薦采用1—380m雙線上承式拱橋方案。2拱橋結構設計研究主跨結構為提籃形鋼管混凝土拱,拱腳中心跨度380m,矢高76m,矢跨比為1/5,主拱拱軸線為懸鏈線,拱軸系數(shù)m=3.0。拱肋橫向內傾7。6。,拱肋拱腳處中心距28m,拱頂中心距7.72m。拱肋采用等寬變高截面,拱肋高度在拱腳處13.5m、拱頂處7.5m,寬善寸為6.5m。每條拱肋由4肢4,1500mm的鋼管組成,橫向拱管之間由綴板連接,綴板內灌注C50補償收縮混凝土。上下弦拱肋之問的連接形式在0一L/IO范圍內采用實腹鋼板;L/IO~L/2范圍內采用空腹。拱頂76.9m范圍內采用混凝土n型剛架,共分為7聯(lián)。n型剛架范圍以外拱上梁跨采用32m鐵路標準簡支T梁,橋墩采用鋼管混凝土剛架墩,墩柱在縱、橫橋向均為兩排。2.1拱軸系數(shù)及拱肋矢跨比大跨度拱橋常用拱軸線為懸鏈線,矢跨比和拱軸系數(shù)是拱橋的一個特征參數(shù),直接影響拱肋受力。表1中列出了幾座鋼管混凝土拱橋的矢跨比和拱軸系數(shù)。表1已建或在建鋼管混凝土拱橋參數(shù)表橋梁名稱主跨跨度/m橋式矢跨比拱軸系數(shù)m北盤江鐵路橋236上承式鋼管混凝土拱l(fā)/43.2丫髻沙大橋344中承式鋼管混凝土拱1/4.52湖南茅草街大橋356中承式鋼管混凝土拱1/51.54368鐵道工程學報2008年12月根據(jù)線路軌面和拱腳基礎所在位置,鋼管拱拱肋高度采用76m,矢跨比采用1/5較為合理。大跨度拱橋拱腳部位的軸力和彎矩比拱頂及其它部位的軸力和彎矩要大得多,鋼管拱的應力由拱腳截面控制。根據(jù)拱肋內力計算結果,當拱軸系數(shù)m取較大值時,拱腳彎矩較小,因此,本橋拱軸系數(shù)取m=3。2.2拱肋截面形式研究目前,大跨度上承式和中承式拱橋拱肋常用的結構形式有鋼箱結構、鋼管混凝土結構及勁性骨架鋼筋混凝土結構,如上海盧浦大橋,主跨為550m,主橋拱肋為鋼箱結構;萬縣長江大橋,主跨420m,拱肋為勁性骨架鋼筋混凝土結構;巫山長江大橋,主跨460m,拱肋為鋼管混凝土結構;北盤江鐵路大橋,主跨236m,拱肋為鋼管混凝土結構。上承式拱橋拱肋結構為主要受力構件,其受力行為主要表現(xiàn)為承受軸向壓力。拱肋結構形式宜選擇鋼與混凝土組合結構,即鋼管混凝土結構,或勁性骨架混凝土結構。大跨度鐵路橋梁所承受的活載大,要求的結構剛度也大,為了減輕拱肋結構自重、增加其承載能力和提高結構剛度,拱肋宜采用空腹桁架結構形式,如跨度460m的巫山長江大橋和跨度430m的湖北支井河大橋均采用鋼管混凝土桁架式拱。對于大跨徑勁性骨架混凝土拱橋,施工過程非常復雜,混凝土澆注工作面多,前后澆注混凝土的收縮徐變量也不同,澆筑質量難以保證。鋼管混凝土拱相對于勁性骨架混凝土拱而言,具有施工方便、周期短和安全性高的特點,因此,本橋拱肋結構形式采用鋼管混凝土拱。綜合理論計算并考慮施工方便,拱肋截面采用4管形式。2.3拱肋中心距及橫傾角設計研究提籃拱拱肋中心距自拱頂至拱腳由小逐漸變大,既可以減小拱上結構如拱頂n型剛架和剛架墩的圬工量,還可以使結構的橫向剛度有較大的提高,因此,本橋拱肋形式選擇提籃式。拱肋中心距及橫傾角應根據(jù)以下3個原則選取:(1拱上結構和拱座基礎圬工量最小;(2滿足結構橫向剛度要求;(3滿足車橋耦合動力仿真分析中的列車運行安全性及舒適性或平穩(wěn)性指標要求。鋼管拱橫傾角取值范圍一般在6。一13。,本次設計根據(jù)拱上結構橋墩和兀型剛架的構造要求,對拱肋橫傾角7.6。和9.0。進行了比選。當拱肋橫傾角為7.6。、拱腳中心距為28m時,拱上結構和拱座基礎圬工量最小,而且,結構剛度及車橋耦合動力響應分析中的各項指標均滿足要求,因此,拱肋橫傾角推薦采用7.6。。2.4拱上建筑主梁跨度、支墩頂支座布置拱上結構采用32m跨度時,主橋一側僅需設置4個橋墩,最高墩墩高52.58m,H型剛架長77m,且主橋與引橋梁高相同,主橋立面造型簡潔流暢。拱上結構采用24m跨度時,主橋一側需設置5個橋墩,最高墩墩高58.92m,H型剛架長107.6m,且主橋與引橋梁高相差0.4m,橋墩較密,主橋立面造型顯得有些凌亂。拱上橋墩墩頂位移由兩部分組成,一部分是橋墩本身的位移,另一部分是由拱肋變形引起,由于拱肋變形引起的墩頂位移較一般樁基礎變形引起的墩頂位移要大,拱上結構橋墩應選取縱橫向剛度較大的結構形式,在混凝土用量相同的情況下,柱式墩比空心墩縱向剛度大,因此,拱上結構橋墩形式采用四柱鋼管混凝土墩。拱上結構跨度分別采用32let及24m不同跨度時,拱肋豎向撓度、墩頂縱橫向水平位移及結構自振頻率如表2所示。表2位移及自振頻率表32m跨度24m跨度指標荷載組合U4靜活由表2可知,兩種跨度下,在拱橋的∥4處,由列車豎向靜活載所產生的上下?lián)隙?絕對值之和,均滿足規(guī)范要求?；钶d作用下,拱上橋墩墩頂順橋方向的最大彈性水平位移發(fā)生在次高墩,32m跨度、24m跨第12期楊克鑒李鳳芹張亞麗:大跨度上承式鋼管混凝土拱橋設計研究69從拱上橋墩傳遞給拱肋的作用力看,32m跨度高墩的一個墩柱柱底軸向力為9369.3kN,24m跨度高墩的一個墩柱柱底軸向力為8974.1kN,雖然24m跨度由墩柱傳遞給拱肋的作用力略小,拱肋應力與32m跨度相比應相對均勻,但下部結構24m跨度卻比32m跨度多了一個高墩,拱上結構自重約增加15%。因此,兩種跨度對應的拱肋控制截面應力相差并不大。為了減小局部荷載對拱肋截面應力的影響,應采取拱上立柱在拱肋上的作用點盡量與腹桿交點重合,以及加大腹桿剛度使上下弦拱肋共同受力等措施。24m與32m跨度相比,梁部及Ⅱ型剛架上部結構總的材料用量相差不多,下部結構由于24nl跨度增加了一個高墩,與32m跨度相比混凝土用量增加999.7in3?？紤]24m跨度梁的水平折角不滿足規(guī)范要求的因素,24m跨度方案較32m跨度方案造價約高100萬元。綜合研究結果,拱上結構跨度推薦采用32m跨方案。2.5墩頂位移及橋上無縫線路研究根據(jù)前面的位移分析結果,拱上橋墩墩頂縱向位移較大,超過了規(guī)范規(guī)定的簡支梁墩頂位移限值。通過改變拱上橋墩支座布置方式,來改善墩頂縱向位移,并對不同支座布置形式的橋上無縫線路梁軌相對位移和軌道結構受力進行分析研究。支座布置形式一:梁為簡支布置形式,交界墩沒活動支座;支座布置形式二:最矮墩設活動支座,其余設固定支座,通過固定支座使簡支梁和較高橋墩形成框架結構體系,以減小高墩墩頂縱向位移。2種支座布置形式如圖2所示。在制動力及豎向活載作用下,2種支座布置形式拱上橋墩墩頂位移如表3所示。表3墩頂縱向水平位移荷載支座布置形式形式墩號節(jié)點號支座布置形式一支座布置形式二14681—0.9l0.46制動力活載位移由表3可知,這2種支座布置形式拱上橋墩墩頂縱向水平位移相差較大,支座固定布置形式優(yōu)于支座簡支布置形式。表4拱上橋墩縱向水平抗推剛度支座布置形式墩號抗推剛度/(kN?cm。l2962345支座布置形式一36184111012652320支座布置式二388541110由表4可知,這2種支座布置方式各橋墩縱向抗推剛度變化不大,高墩和次高墩雙線橋梁縱向抗推剛度均不滿足400kN/em的要求。橋墩縱向抗推剛度影響到橋上無縫線路軌道結構受力,如果橋上無縫線路鋼軌的應力、軌道斷縫及梁軌相對位移均滿足要求,橋墩縱向抗推剛度也可適度放寬。橋上無縫線路鋼軌受到列車荷載、溫度力、制動力以及伸縮附加力和撓曲附加力的作用,某些情況下還會承受斷軌力作用。橋上無縫線路附加力容許值由鋼軌的容許應力確定,軌道斷縫根據(jù)《新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規(guī)定》確定,梁軌相對位移參照歐洲70鐵道工程學報2008年12月標準確定。(1鋼軌附加拉力容許值:撓曲或伸縮附加拉力與制動拉力之和在1703.9kN內。(2橋上無縫線路鋼軌附加壓力容許值:撓曲或伸縮附加壓力為564.6kN;撓曲或伸縮附加壓力與制動壓力之和在982.7kN內。(3有砟軌道斷縫允許值80mm。主橋兩邊各取6孔32m混凝土簡支T梁建立模型,6孔以外設虛擬的橋臺。方案一:拱上結構為“5孔32m簡支梁+Ⅱ形剛構+5孔32m簡支梁”;方案二:拱上結構為“3孔混凝土剛構+2孔簡支梁+Ⅱ形剛構+2孔簡支梁+3孔混凝土剛構”。扣件全部采用常阻力扣件,不設伸縮調節(jié)器。這2種布置形式中無縫線路鋼軌的伸縮力、制動力、撓曲力和斷軌力均滿足規(guī)范要求;發(fā)生斷軌時軌道斷縫滿足要求;制動力作用下梁軌相對位移滿足要求。從總體上看,方案一比方案二的橋上無縫線路附加力略小,但這2種支座布置方案均可行。綜合研究各因素,采用方案一的布置方式。2.6結構剛度拱肋結構L/4處撓度、拱上橋墩縱橫向水平位移如表5所示。表5結構位移表32m跨度指標荷載組合計算值容許值拱頂撓跨比恒+1/2靜活1/19902.7拱肋應力拱肋應力按照施工步驟采用分步疊加法計算,根據(jù)鋼管拱應力計算需要建立了2個計算模型,模型一系對鋼管拱施工過程進行檢算,模型二系對鋼管拱形成組合截面后的受力狀況進行檢算。模型二將結構劃分為2個施工階段,階段一為僅計拱肋自重階段,階段二為計拱上結構、橋面二期恒載及成橋運營階段全部荷載,以便與模型一鋼管拱架設和頂升灌注混凝土施工階段產生的應力進行疊加。為了對施工過程中最不利狀態(tài)下的拱肋鋼結構應力進行分析,應用Midas通用程序,對最大懸臂狀態(tài)施工階段及拱肋合攏階段進行了檢算。最大懸臂狀態(tài)下拱管的最大壓應力為一75.4MPa,發(fā)生在下弦L/8一L/4范圍內,最大拉應力為45.0MPa,發(fā)生在上弦L/4附近。拱肋合攏后拱管最大應力有所降低,最大壓應力為一50.9MPa,最大拉應力為39.7MPa。為了分析拱肋混凝土澆筑順序對結構各部位應力的影響,共進行了2組方案比選:(1灌注上弦拱肋混凝土葉灌注上弦綴板混凝土_÷灌注下弦拱肋混凝土_灌注下弦綴板混凝土,拆除扣索;(2灌注下弦拱肋混凝土一灌注下弦綴板混凝土_灌注上弦拱肋混凝土_灌注上弦綴板混凝土,拆除扣索。采有先上弦后下弦的灌注順序,會在拱肋上弦混凝土中有一定的壓應力儲備,有利于抵消運營階段由拱腳負彎矩引起的拱腳上弦部位混凝土拉應力;采用先下弦后上弦的灌注順序,拱肋上弦混凝土中由拱肋結構自重引起的壓應力很小,運營階段最不利荷載工況下拱腳部位的混凝土容易出現(xiàn)拉應力。經過計算比選,拱肋混凝土的灌注順序推薦采用第一組方案,拱肋鋼管及混凝土應力均滿足規(guī)范要求。通過對拱肋上、下弦的應力計算,主+附工況下,混凝土最大壓應力小于容許應力,為一21.84MPa,混凝土最大拉應力為4.6MPa,超過規(guī)范容許值,拱腳截面可增加配筋,按照鋼筋混凝土構件檢算其應力和裂縫。下一階段還應結合拱軸線的研究比選和拱腳局部應力分析,研究解決主力+體系降溫荷載工況下拱肋上弦拱腳的混凝土拉應力問題。拱肋綴板應力、實腹拱肋的腹板應力、斜腹桿等桿件應力計算結果均滿足規(guī)范要求。2.8拱肋穩(wěn)定安全系數(shù)采用Midas程序建立空間模型進行穩(wěn)定性分析。在主力作用下(考慮收縮徐變,拱橋面內穩(wěn)定安全系數(shù)為19.0,面外穩(wěn)定安全系數(shù)為25.7,根據(jù)空問計算結果選用的拱肋截面形式均滿足面內和面外的穩(wěn)定性要求。2.9拱座基礎設計根據(jù)鉆探地質資料,拱座基礎位于節(jié)理發(fā)育的石灰?guī)r上,地基基本承載力盯。=1000一l500kPa,采用明挖基礎,充分發(fā)揮巖石地基的承載能力。為減少開第１２期楊克鑒李鳳芹張亞麗：大跨度上承式鋼管混凝土拱橋設計研究２０．１７１挖，拱座基礎設計成臺階式，基礎尺寸橫向長４０ｍ，縱向長３０１１１，高１９ｍ。ｍ，節(jié)段吊重１００～１６０ｔ，節(jié)段拼裝時各節(jié)段之間的拱管先用臨時法蘭連接，待拱肋線形調整完成、拱肋合攏后再進行拱肋各節(jié)段之間的焊接。調整線形后吊裝中間合攏段拱肋，完成鋼管拱的合攏。鋼管拱安裝完成后頂升灌注拱肋鋼管和綴板內混凝土，經計算比較，采用先上弦后下弦的頂升順序對結構受力有利。４２．１０車橋耦合動力分析（１）車橋耦合動力分析中阻尼比按２％選取，所得計算結果略偏于安全。（２）Ｃ６２貨車（＇／３＝５０～８０ｋｍ／ｈ）、ＤＦｌｌ客車（穢＝８０—１４０ｋｍ／ｈ）通過橋梁時的各項動力響應和列車的各項動力響應計算值均在容許值以內。（３）Ｃ６２貨車（穢＝５０～８０ｋｍ／ｈ）、ＤＦｌｌ客車（穢＝８０—１４０結論（１）采用大跨上承式拱橋一跨跨越黃河，不僅避ｋｉｎ／ｈ）、通過橋梁時，脫軌系數(shù)＜０．８，輪重減免了水中設墩易發(fā)生冰塞、冰壩的安全隱患，而且工程造價較為節(jié)省，體現(xiàn)了我國鐵路大跨