京杭運河特大橋連續梁拱組合結構設計

王法武

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

1 工程概況

寧啟鐵路復線電氣化改造京杭運河特大橋位于揚州市，新建橋位于既有鐵路橋南側25 m左右。既有橋孔跨布置為:27－16 m先張T梁+5－32 m后張T梁+1－112 m下承式鋼桁梁+28－32 m后張T梁。為對孔布置及降低結構高度，新建橋采用(65+114+65)m單線預應力混凝土連續梁與鋼管混凝土拱組合結構。

京杭運河為Ⅱ級航道，通航凈高7.5 m，最高通航水位7.13 m，最低通航水位3.33 m，通航凈寬≥90 m，設計洪水位H1/100=7.51 m，設計流量為2 107 m3/s，設計流速為1.28 m/s，設計橋梁線路中心與京杭運河水流方向交角為2°。

主橋總布置見圖1。

圖1 主橋總布置(單位:cm)

2 主要技術標準

(1)線路等級:國鐵Ⅰ級。

(2)線路情況:有砟軌道，單線，直線。

(3)牽引種類:電力。

(4)設計活載:“中－活載”。

(5)設計行車速度:客車200 km/h，貨車120 km/h。

(6)地震動峰值加速度:≤0.15g。

3 結構設計

3.1 主梁構造

主梁橋面寬8.5 m，主墩頂橋面加寬至10.2 m。主梁采用單箱單室直腹板箱形斷面，邊跨及跨中梁高3.5 m，支點梁高6.0 m，梁高按二次拋物線變化。箱梁頂板厚0.4 m，在墩頂位置加厚至0.8 m;底板變厚度，邊跨及跨中為0.35 m，主墩墩頂位置處為1.0 m，邊跨墩頂位置處為0.8 m;腹板亦為變厚度，厚度分0.40 m、0.60 m、0.90 m三種，腹板厚度變化通過一個節段實現。

主梁共設置4道橫隔板，邊跨墩頂橫隔板厚1.5 m，主跨墩頂橫隔板厚3.5 m。在吊桿位置設吊桿橫梁，共設12道吊點橫梁，吊點橫梁厚0.35 m。

主梁采用掛籃懸臂澆筑施工，節段劃分主要考慮以下因素:①0號塊長度應考慮拱腳構造和掛籃安裝空間。②考慮工期緊張，適當加大節段長度。③吊桿中心至各梁段端部最好為一個定值，以方便施工。

主梁懸臂施工共分為13個節段。各節段長度分別為:0號節段長17 m，1號節段長3.5 m，2號～12號節段長4.0 m，合龍段長2.0 m，邊跨現澆段長7.75 m。主梁橫斷面見圖2。

圖2 主梁橫斷面(單位:cm)

3.2 預應力布置

主梁采用縱、豎雙向預應力。縱向預應力鋼束在最大負彎矩區設置40束19－φs15.2 mm頂板束和26束16－φs15.2 mm腹板下彎束。中跨最大正彎矩區設置12束16－φs15.2 mm鋼束，邊跨最大正彎矩區設置14束16－φs15.2 mm鋼束，邊跨和中跨合龍段附近頂板均設置2束19－φs15.2 mm鋼束。縱向預應力鋼束標準抗拉強度fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，張拉控制應力 σcon=1 302 MPa。

豎向預應力筋采用φL25 mm高強度精軋螺紋鋼筋，其標準強度830 MPa，錨下張拉控制力為346 kN。

3.3 拱肋

拱肋跨徑114 m，理論矢高22.8 m，矢跨比為1/5，拱軸線為二次拋物線。拱肋采用鋼管混凝土啞鈴形截面，截面高度2.8 m，上、下弦管為φ800×16 mm鋼管，腹腔由16 mm厚鋼板組成，寬0.55 m。拱肋內灌注C50微膨脹混凝土。兩片拱肋橫向間距6.7 m。

3.4 吊桿

吊桿采用高強鋼絲成品吊桿，每根吊桿采用73根φ7 mm雙層鍍鋅高強鋼絲，吊桿下端錨固于橫梁底部，上端穿過拱肋錨固于拱肋上緣，吊桿于上端張拉。本橋吊桿力較小，采用單吊桿以簡化設計和施工，吊桿順橋向間距8 m，全橋共設12對吊桿。

3.5 風撐

兩片拱肋之間共設置5道風撐，風撐采用鋼管桁架結構，與拱肋固結。風撐鋼管規格分別為φ450 mm×12 mm、φ250 mm ×10 mm。

4 施工方案

本橋主要施工步驟如下:

①施工0號節段，張拉預應力筋。安裝掛籃。

②懸臂澆筑1～12號節段，張拉相應預應力筋，在施工12號節段的同時進行邊跨現澆段施工。

③澆筑邊跨合龍段混凝土，張拉預應力筋。

④安裝中跨合龍段支架，澆筑中跨合龍段混凝土，張拉預應力筋。

⑤在橋面搭設臨時支架，安裝拱肋和風撐。

⑥將拱肋與臨時支架脫離，依次灌注拱肋上弦管、下弦管、腹腔混凝土。

⑦安裝吊桿，按設計順序張拉吊桿。

⑧施工橋面系，調整吊桿力至設計值。

5 結構整體靜力計算

5.1 結構體系分析

對于連續梁拱組合結構，梁拱剛度之比決定二者承擔荷載大小。本橋梁拱剛度之比見表1。

表1 梁拱剛度之比

1/80＜E梁I梁/E拱I拱＜80，屬于剛性梁剛性拱。在二期恒載q=89.3 kN/m作用下，全部吊桿力之和為3 630 kN，中跨二期恒載合計10 180 kN，拱肋承擔荷載比例為3 630/10 180=35.66%。

分別建立中跨無拱肋加勁的連續梁模型(模型一)和中跨有拱肋加勁的連續梁拱模型(模型二)，考慮施工階段，對比兩種模型內力和位移。有、無拱肋加勁時主梁彎矩對比見表2。

表2 有、無拱肋加勁主梁彎矩對比 kN·m

從表2可見，當有拱肋加勁時，在列車活載作用下，邊跨跨中、中跨跨中和中支點彎矩均明顯減小;在恒載作用下，中跨跨中、中支點彎矩明顯減小，邊跨跨中彎矩略有增大。

有、無拱肋加勁時主梁列車活載位移對比見表3。

表3 有、無拱肋加勁主梁列車活載位移對比 mm

從表3可見，當有拱肋加勁時，在列車活載作用下，邊跨跨中、中跨跨中位移減小，中跨跨中位移由91.9 mm減小至18.0 mm，拱肋顯著提高了主梁豎向剛度。

5.2 主梁計算結果

(1)應力

主力組合下，上緣最小壓應力1.09 MPa，最大壓應力11.22 MPa;下緣最小壓應力2.97 MPa，最大壓應力13.12 MPa。主+附組合下，上緣最小壓應力0.43 MPa，最大壓應力12.17 MPa;下緣最小壓應力2.10 MPa，最大壓應力13.58 MPa。

(2)強度及抗裂

主力組合下，最小強度安全系數2.20，最小抗裂安全系數1.39，最大主拉應力1.25 MPa。

主+附組合下，最小強度安全系數2.13，最小抗裂安全系數1.35，最大主拉應力1.32 MPa。

(3)剛度

列車荷載作用下，中跨最大靜活載撓度17.1 mm，撓跨比1/6 667;邊跨最大靜活載撓度16.7 mm，撓跨比1/3 892;梁端轉角1.0‰。

5.3 拱肋計算結果

主力組合下，鋼管上緣最大壓應力83 MPa，最大拉應力8 MPa;下緣最大壓應力132 MPa，最小壓應力32 MPa。主 +附組合下，鋼管上緣最大壓應力85 MPa，最大拉應力11 MPa;下緣最大壓應力136 MPa，最小壓應力28 MPa。

主力組合下，混凝土上緣最大壓應力4.39 MPa，最大拉應力2.36 MPa;下緣最大壓應力2.71 MPa，最小壓應力－1.31 MPa。主+附組合下，混凝土上緣最大壓應力4.88 MPa，最大拉應力－2.85 MPa;下緣最大壓應力3.07 MPa，最小壓應力－2.03 MPa。

5.4 吊桿計算結果

主+附組合下，吊桿最大拉應力268 MPa，強度安全系數6.23＞3.0。吊桿最大活載應力幅142 MPa＜200 MPa。

6 動力特性分析

橋梁結構的自振特性是其固有特性，它是對橋梁進行抗震分析的基礎，并對結構穩定有直接影響。采用Midas軟件建立空間計算模型，主梁、拱肋及橫撐采用空間梁單元，吊桿采用桁架單元。結構自振特性見表4。

表4 結構自振特性

從表4可見:結構第一階頻率為0.606 Hz，表現為拱肋橫向彎曲振動;主梁豎向彎曲振動在第3階出現，頻率為1.79 Hz;主梁橫向彎曲振動在第6階出現，頻率為2.261 Hz。

7 穩定計算

結構穩定計算與動力特性分析采用同一空間模型。計算表明:結構失穩表現為拱肋面外失穩。在自重+二期恒載+列車活載作用下，一階失穩臨界荷載系數為7.48，一階失穩模態見圖3。

圖3 結構一階失穩模態

8 結論

(1)連續梁拱組合結構可以較同等跨度連續梁顯著降低建筑高度，并且主梁可以采用掛籃懸臂澆筑施工，拱肋在合龍后的橋面上進行架設，對航道干擾甚小，非常適合于跨越高等級航道。

(2)連續梁拱組合結構由于拱肋的加勁作用，主梁豎向剛度有明顯提高。以本橋為例，由于拱肋的加勁，中跨跨中列車活載撓度由91.9 mm減至18.0 mm。

(3)連續梁拱組合結構失穩模態主要表現為拱肋面外失穩，本橋一階失穩臨界荷載系數為7.48。

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