寧波樞紐北環(huán)線鎮(zhèn)海支線特大橋主橋設(shè)計

尹書軍

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司橋梁設(shè)計研究處,武漢 430063)

1 工程概況

寧波樞紐北環(huán)線鎮(zhèn)海支線特大橋位于寧波市北環(huán)線鎮(zhèn)海支線范圍,橋址于GZK13+673.5～GZK13+744.4處跨越東外環(huán)延伸線,東外環(huán)延伸線既有路寬7 m,規(guī)劃寬度68 m(現(xiàn)已施工),道路與鐵路中心線夾角為70°；鎮(zhèn)海支線特大橋縱斷面高程受前后控制因素限制,采用連續(xù)梁或者連續(xù)剛構(gòu)將會明顯抬高線路縱斷面,因此在跨越東外環(huán)延伸線處采用1-96 m下承式鋼管混凝土系桿拱橋以降低線路高程,節(jié)省投資。主橋立面如圖1所示。

圖1 鎮(zhèn)海支線特大橋主橋立面(單位：cm)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：Ⅰ級鐵路,設(shè)計速度120 km/h

(2)正線數(shù)目：單線

(3)軌道形式：有砟無縫線路

(4)荷載標(biāo)準(zhǔn)：中-活載

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 概況

1-96 m下承式鋼管混凝土平行系桿拱橋,計算跨度為96 m,橋全長100 m,拱肋矢跨比為1/5,計算矢高為19.2 m,拱肋線形采用懸鏈線；拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu),系梁采用單箱雙室混凝土結(jié)構(gòu),吊桿采用尼爾森體系[1-3]。該主橋采用“先梁后拱”的施工方法,即先在支架上現(xiàn)澆系梁,然后在系梁支架上安裝拱肋鋼管。

3.2 矢跨比

下承式拱橋矢跨比一般采用1/4～1/6,矢跨比過小,剛性系桿所受拉力將很大,端節(jié)點設(shè)計困難。從美學(xué)角度而言,矢跨比為1/5時,曲線流暢,有系桿拱橋的韻律,而1/4的矢跨比線形近半圓,給人以呆滯和笨重的感覺,所以本橋矢跨比確定為1/5。

3.3 拱肋線形

拱圈采用拋物線[4，5],拱的受力均勻,但拱腳的恒載負(fù)彎矩偏大；拱圈采用懸鏈線,隨著拱軸系數(shù)的增大,拱腳恒載負(fù)彎矩減少,但拱頂恒載正彎矩增大,且拱肋受力不均。下承式鋼管混凝土系桿拱橋,橋面系重力通過均勻分布的吊桿傳遞給拱肋,拱肋承受沿跨徑方向近似均布的荷載,因此其拱軸線的線形應(yīng)該是二次拋物線或拱軸系數(shù)較低的懸鏈線。為盡量減少本橋拱腳負(fù)彎矩,拱肋采用懸鏈線線形,拱軸系數(shù)m=1.167。

3.4 拱肋結(jié)構(gòu)

鋼管混凝土拱橋[6-8]中,當(dāng)跨徑較大時,拱肋截面一般采用混凝土啞鈴形拱肋。本橋拱肋橫截面采用啞鈴形鋼管混凝土截面,截面高度h=3.0 m,沿程等高布置,鋼管直徑為1 000 mm,由厚16 mm的鋼板卷制而成,每榀拱肋的兩鋼管之間用δ=16 mm的腹板連接,拱肋橫向中心距為9.2 m。拱肋上、下鋼管為鋼-混組合結(jié)構(gòu),鋼管內(nèi)填充C55無收縮混凝土；腹板除了滿足強度和整體穩(wěn)定性的要求外,還必須保證腹板的局部穩(wěn)定性要求,所以在腹腔內(nèi)2.5～3.0 m設(shè)置1道加勁橫隔板,同時在左右腹板各設(shè)置2道通長縱向加勁肋,具體見圖2。

圖2 拱肋橫截面(單位：mm)

3.5 橫撐

為加強結(jié)構(gòu)整體橫向穩(wěn)定性,在兩拱肋之間共設(shè)5道橫撐,拱頂處設(shè)“米字撐+2個一字撐”型撐,拱頂至兩拱腳間設(shè)4道“K”型橫撐。橫撐由φ500 mm、φ400 mm和φ360 mm的圓形鋼管組成,鋼管內(nèi)部不填混凝土,其外表面需作防腐處理。

3.6 吊桿

為盡量減少拱肋的彎矩、減少系梁高度、提高結(jié)構(gòu)的整體剛度,本橋吊桿采用尼爾森體系。在吊桿平面內(nèi),吊桿水平夾角在50.978°～65.384°；橫橋向水平夾角為90°。吊桿間距為8 m,兩交叉吊桿之間的橫向中心距為340 mm。吊桿均采用91根φ7 mm高強低松弛鍍鋅平行鋼絲束,冷鑄鐓頭錨,索體采用PES(FD)低應(yīng)力防腐索體,并外包不銹鋼防護(hù),吊桿大樣見圖3。

圖3 吊桿大樣(單位：mm)

吊桿采用拱上張拉、系梁橫梁上錨固,要求后期可查、可調(diào)、可換。吊桿張拉前,錨固端需安裝并測試傳感器及配套數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件,確保張拉索力的均勻性和準(zhǔn)確性在±1%的精度內(nèi),并要求傳感器可在大橋運營期間隨時對索力進(jìn)行監(jiān)控和采集,具有高度穩(wěn)定性和精確性。

景觀娛樂用水區(qū)，指以滿足景觀、療養(yǎng)、度假和娛樂需要為目的的江河湖泊等水域。景觀娛樂活動不得危及景觀娛樂用水區(qū)的水質(zhì)控制目標(biāo)。

3.7 系梁

系梁按整體箱形梁布置,采用單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，混凝土強度等級C50。結(jié)合單線橋橋面布置情況,橋面箱寬取11.0 m,梁高2.5 m。底板厚度為30 cm,頂板厚度為30 cm,邊腹板厚度為35 cm,中腹板厚度為30 cm。底板在2.8 m范圍內(nèi)上抬0.50 m以減小風(fēng)阻力。吊點處設(shè)橫梁,橫梁厚度為0.4～0.6 m。系梁縱向設(shè)12-7φ5 mm預(yù)應(yīng)力筋,橫向在底板上設(shè)3-7φ5 mm的橫向預(yù)應(yīng)力筋,橫隔板上設(shè)3束9-7φ5 mm預(yù)應(yīng)力筋。系梁兩端底板上設(shè)進(jìn)人孔,每個箱室均設(shè)檢查孔,便于在箱內(nèi)對吊桿等進(jìn)行檢查與換索。底板上設(shè)截水槽、泄水孔,邊腹板與中腹板上設(shè)通氣孔,系梁橫截面見圖4。

圖4 系梁橫截面(單位：cm)

3.8 拱腳

拱腳順橋向8.0 m范圍內(nèi)設(shè)成實體段,橫橋向?qū)挾葹?1.0 m,截面漸變處設(shè)倒角或過渡段。實體段內(nèi)設(shè)9-7φ5 mm的橫向預(yù)應(yīng)力筋,分上下2排布置分批張拉完成。拱腳混凝土分2次現(xiàn)澆,在現(xiàn)澆第一次混凝土前,應(yīng)將拱肋鋼管、加勁鋼材等安裝到位,二期恒載施工完成后澆筑第二次混凝土。

4 主橋結(jié)構(gòu)計算

4.1 計算原則

本橋主要采用橋梁博士(V3.2)和通用有限元程序“MIDAS”對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了施工及成橋狀態(tài)靜、動力特性和穩(wěn)定分析,其平面計算模型見圖5。

圖5 主橋平面計算模型

縱向整體計算分別進(jìn)行了施工狀態(tài)和運營狀態(tài)計算,計算中主要考慮了以下設(shè)計荷載： 結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、收縮、徐變影響力、基礎(chǔ)不均勻沉降、列車荷載、沖擊力、制動力、風(fēng)力、溫度力、地震荷載。

其中拱肋合龍溫度為(18±2)℃,整體升溫20 ℃、降溫20 ℃計算溫度力。行車道主梁按局部升降溫上下緣非線性溫差±8 ℃計算。

4.2 靜力分析

1-96 m下承式鋼管混凝土平行系桿拱橋施工順序為：(1)樁基礎(chǔ)及橋墩施工；(2)進(jìn)行地基基礎(chǔ)硬化處理,搭設(shè)支架；(3)在支架上現(xiàn)澆系梁及拱腳混凝土,待混凝土達(dá)到設(shè)計強度后張拉縱向預(yù)應(yīng)力索；(4)在系梁上搭設(shè)支架；(5)在系梁支架上進(jìn)行拱肋拼裝；(6)分別泵送下管、上管管內(nèi)混凝土,待管內(nèi)混凝土達(dá)到設(shè)計強度后拆除系梁上拼裝拱肋支架；(7)按照設(shè)計要求張拉完所有吊桿；(8)拆除系梁支架,施工橋面,至此橋梁施工完成。

根據(jù)本橋結(jié)構(gòu)特點建立計算模型,按在支架上現(xiàn)澆系梁、拼裝拱肋、拆除支架、二恒的加載歷程,進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算,得到成橋時的內(nèi)力、應(yīng)力、位移；按影響線加載計算橋梁活載并與成橋時內(nèi)力、應(yīng)力、位移相疊加,得到橋梁運營階段各構(gòu)件的內(nèi)力、應(yīng)力、位移。

4.2.1 系梁檢算

分別檢算施工和運營階段系梁的強度、抗裂性、應(yīng)力及變形。施工階段系梁最大壓應(yīng)力6.53 MPa；運營階段,最不利荷載作用下,主力工況下主梁最大壓應(yīng)力7.09 MPa,最小壓應(yīng)力0.99 MPa；主力+附加力工況下主梁最大壓應(yīng)力8.23 MPa,最小壓應(yīng)力0.98 MPa,最大主壓應(yīng)力為8.25 MPa,最大主拉應(yīng)力為-0.73 MPa。最小抗裂安全系數(shù)為1.28。跨中在靜活載作用下豎向最大撓度1.38 cm,撓跨比1/6 957,梁端最大轉(zhuǎn)角0.67‰ rad。

4.2.2 拱肋檢算

拱肋鋼管和拱肋鋼管內(nèi)混凝土采用主截面與附加截面,整體受力,協(xié)調(diào)變形,拱肋鋼管、拱肋鋼管內(nèi)混凝土檢算結(jié)果見表1。

表1 運營階段拱肋正應(yīng)力匯總 MPa

從表1可以看出,拱肋鋼管及拱肋鋼管內(nèi)混凝土應(yīng)力均滿足規(guī)范要求,拱肋鋼管內(nèi)混凝土只是局部出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力,結(jié)構(gòu)受力比較合理。

拱肋按一類穩(wěn)定檢算,運營期間拱肋面內(nèi)穩(wěn)定安全系數(shù)為27.3,面外穩(wěn)定安全系數(shù)為9.4[3,4],滿足規(guī)范要求。

4.2.3 吊桿檢算

吊桿采用91根φ7 mm鍍鋅高強平行鋼絲束,吊桿的運營階段最大應(yīng)力為383 MPa,相應(yīng)最小安全系數(shù)為4.36,吊桿的最大活載應(yīng)力幅值為97.0 MPa。

4.2.4 拱腳局部應(yīng)力分析

本橋拱腳與系梁固結(jié),拱腳處受力復(fù)雜,是主橋受力的最關(guān)鍵部位之一,為保證拱腳與系梁的可靠連接,拱腳處以空間分析為主,平面分析校核,對局部構(gòu)造、橫向預(yù)應(yīng)力索布置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。優(yōu)化后的計算結(jié)果顯示局部構(gòu)造較為合理。

4.3 動力分析4.3.1 自振特性分析

空間計算采用MIDAS分析軟件,拱肋、橫撐、系梁均采用梁單元模擬,吊桿采用桿單元建模,其計算模型見圖6,自振特性計算僅考慮拱橋自身、不考慮橋墩共同作用,前4階自振頻率及振型特點見表2。

圖6 空間計算模型

表2 1-96 m下承式鋼管混凝土平行系桿拱橋自振特性

4.3.2 空間穩(wěn)定分析

采用有限元分析軟件MIDAS對全橋進(jìn)行空間有限元分析。使用階段(自重+二期恒載+全橋滿布中-活載)拱肋最小穩(wěn)定系數(shù)為10.2,面外失穩(wěn)。

4.3.3 動力特性及列車走行性分析[9，10]

建立車-橋一體空間模型,模擬DF4牽引C62貨車以時速50～80 km,DF11客車以時速80～160 km單線通過橋梁。分析結(jié)果表明：該橋具有良好的動力特性,列車行車的安全性有保證,車輛橫、豎向舒適度指標(biāo)均在“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上,機車司機臺處橫、豎向舒適度指標(biāo)均在“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上。

5 結(jié)語

鐵路下承式尼爾森體系鋼管混凝土系桿拱橋造型美觀,建筑高度低、跨越能力強,結(jié)構(gòu)豎、橫向剛度大,施工養(yǎng)護(hù)方便,當(dāng)跨越高等級公路時,具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益,可在鐵路建設(shè)中推廣應(yīng)用。

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