大西客運專線(74.9+148+128+148+74.9)m連續梁拱設計研究

鄒 巖

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

1 概述

大西客運專線跨北同蒲鐵路特大橋主橋采用(74.9+148+128+148+74.9)m預應力混凝土連續梁拱的組合結構。主橋橋形布置見圖1。

圖1 主橋橋形布置 (單位：cm)

(1)設計活載：ZK標準活載。

(2)設計速度：正線250 km/h,按照350 km/h控制。

(3)線路指標：雙線客運專線,電氣化,線間距5 m,主橋平面位于緩和曲線(擬合半徑為4 800 m)上,立面位于9‰縱坡上。

(4)設計恒載：結構構件自重按《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)采用；二期恒載按143.6 kN/m計算。

2 主橋結構設計

2.1 主梁構造

主梁采用單箱雙室變高度箱形截面,跨中及邊支點處梁高4.3 m,中支點處梁高8.0 m,梁高按二次拋物線變化。主梁頂寬15.8 m,邊支點處考慮與鄰跨標準梁相接頂寬線性變化為12.0 m；頂板厚0.45 m,中支點處局部頂板厚0.65 m,邊支點處局部頂板厚0.65 m。主梁底寬12.6 m,中支點處局部底寬15.8 m；底板厚度0.35～1.15 m,中支點處局部底板厚1.45 m,邊支點處局部底板厚0.65 m。主梁腹板采用直腹板,中跨及次邊跨中腹板板厚均按折線0.40-0.55-0.70 m變化,在邊支點附近線性增加至0.75 m。支點處及跨中斷面如圖2所示。

圖2 中支點及跨中截面(單位：mm)

主梁共設14道橫隔板,邊支點橫隔板厚1.5 m,中支點橫隔板厚4.0 m,中支點兩側9.7 m處橫隔板厚0.4 m,各橫隔板均設進人孔。箱梁于各吊桿處設置吊點橫梁,吊點橫梁高2.0 m,厚0.4 m,全橋共設51道吊點橫梁。

主梁共分131個梁段,梁拱結合部0號梁段長21.4 m,中孔合龍梁段長3.0 m,邊孔直線梁段長9.2 m,其余梁段長分別為3.3 m、3.9 m、4.25 m、5.0 m四種。主梁除0號梁段、邊孔直線梁段在支架上施工外,其余梁段均采用掛籃懸臂澆筑,懸澆梁段最重3 000 kN。

主梁底板設泄水孔,邊腹板、中腹板均設設通風孔。

縱向預應力鋼束采用抗拉強度標準值為1 860 MPa的高強低松弛鋼絞線,公稱直徑15.2 mm,型號為15-19和15-17兩種,管道形成采用內徑90 mm及100 mm金屬波紋管。

橫向預應力鋼束采用抗拉強度標準值為1 860 MPa的高強低松弛鋼絞線,公稱直徑15.2 mm,型號為15-7。

豎向預應力筋采用φ25 mm預應力混凝土用螺紋鋼筋,型號PSB830,抗拉強度標準值830 MPa,錨固體系采用JLM-25型錨具；張拉采用YC80型千斤頂；管道形成采用內徑35 mm鐵皮管成孔。

2.2 拱肋構造

拱肋采用鋼管混凝土結構,次邊跨計算跨度L=148.0 m,設計矢高f=29.6 m,矢跨比f/L=1∶5,拱軸線采用二次拋物線,設計拱軸線方程為y=1/185(148-x)x；中跨計算跨度L=128.0 m,設計矢高f=25.6 m,矢跨比f/L=1∶5,拱軸線采用二次拋物線,設計拱軸線方程為y=1/160(128-x)x。拱肋設置預拱度,其制造及施工均應考慮預拱度的影響。

拱肋采用等高度啞鈴形截面,次邊跨及中跨拱肋截面高度均為3.0 m。拱肋弦管直徑1.0 m,由16 mm厚的鋼板卷制而成,弦管之間用16 mm厚鋼綴板連接,拱肋弦管及綴板內填充微膨脹混凝土。兩榀拱肋間橫向中心距14.0 m。拱肋截面如圖3所示。

圖3 拱肋截面(單位:cm)

2.3 橫撐

兩榀拱肋之間共設7道橫撐,其中6道K形撐1道一字撐。拱肋橫撐采用外徑為1.20 m圓形空鋼管,斜撐采用外徑0.80 m圓形空鋼管,鋼管內部不填混凝土。

2.4 吊桿

次邊跨吊桿順橋向間距為7.40 m,中跨吊桿順橋向間距為6.40 m,全橋共設51對吊桿。吊桿采用PES(FD)7-91型低應力防腐拉索(平行鋼絲束),外套復合不銹鋼管,配套使用LZM7-91型冷鑄墩頭錨。吊桿固定端設置在拱肋鋼管內,吊桿張拉端設在梁部吊點橫梁處。

2.5 支座

采用客運專線鐵路LXQZ系列鋼支座,地震動峰加速度值0.3g,各支點橫向布置2個支座。

3 施工方法

本橋采用“先梁后拱”的施工方法,依次為：利用掛籃懸臂澆筑主梁；依次合龍主梁邊跨、次邊跨和中跨,并張拉相應的預應力鋼束；在橋面架設支架,拼裝鋼管拱肋；泵送拱肋下管、上管、腹腔內混凝土；按指定次序張拉吊桿,調整吊桿力；施工橋面系；完成全橋施工。

4 全橋靜力計算

全橋按主梁、拱肋、吊桿順序劃分為856個單元、596個節點,對于梁部、拱肋及橫撐的各桿件采用三維梁單元進行模擬,其截面特性按照實際設計截面定義。采用“雙單元、共節點”的方法模擬鋼管混凝土拱肋，吊索采用桁架單元模擬,僅考慮其軸向的拉伸剛度。計算模型同時考慮了鋼管混凝土拱肋的實際形成過程,鋼管部分先期架設并參與受力,管內混凝土灌注并達到強度后才參與受力。

根據當地氣候條件,結構整體升降溫按±25 ℃考慮,升溫時鋼材比混凝土溫度高15 ℃,降溫時鋼材比混凝土溫度低10 ℃。運營階段頂板升溫按8 ℃考慮,不考慮降溫。二期施工之前,梁部頂板裸露,主梁縱、橫向計算時頂板全寬考慮20 ℃的升溫。

拱肋內混凝土形成整體后,安裝吊桿。根據分析、計算確定出合理的張拉順序及張拉力。吊桿初張力為128～438 kN,在施工橋面系后,主梁下撓、吊桿力將自動加大,達到成橋設計索力469～569 kN。主要計算結構如下。

(1)主梁

主梁按全預應力結構設計,在各種最不利荷載組合下,各控制截面的正應力如表1所示。

表1 主梁截面正應力 MPa

考慮50%豎向預應力,主梁控制截面主應力如表2所示：(表中數據正表示主壓應力,負表示主拉應力)。

表2 主梁截面主應力 MPa

主梁控制截面剪應力如表3所示。

表3 梁部截面最大剪應力 MPa

主力作用下抗裂安全系數最小值為1.22,主力+附加力作用下抗裂安全系數最小值1.22,均滿足規范要求。在ZK活載作用下,梁部最大豎向靜活載撓度27.66 mm

(2)拱肋強度檢算

拱肋鋼管強度檢算結果見表4。

表4 拱肋鋼管控制截面正應力 MPa

拱肋混凝土強度檢算結果見表5。

表5 拱肋混凝土控制截面正應力 MPa

拱肋整體穩定性：拱肋面內穩定性系數K=11.5,拱肋面外穩定性系數K=6.5。

(3)K撐強度檢算

K撐強度檢算如表6所示。

表6 主力組合和主力+附加力組合下K撐截面正應力 MPa

(4)吊桿檢算

吊桿的內力計算考慮了吊桿力的調整過程,吊桿力由恒載及運營階段荷載引起的吊桿內力進行組合,其檢算結果如表7所示。

表7 吊桿主要檢算結果

以上數據表明,吊桿內力、應力、安全系數、應力幅均在容許范圍內,滿足規范要求。

5 動力計算分析

在橋梁動力性能方面,根據給定機車車輛參數,以德國低干擾譜轉換的時域軌道不平順樣本作為系統激勵,計算了本橋在德國ICE3動力分散式高速列車、日本500系動力分散式高速列車通過時的車橋動力響應,得到如下結論：

(1)橋梁豎向一階自振頻率為2.03 Hz,橫向一階自振頻率為2.43 Hz。

(2)本計算所涉及的各工況中,動力系數最大者為1.06,顯示橋梁未發生明顯地共振現象。

(3)列車速度250～400 km/h時,橋梁各工況下橋梁跨中豎、橫向加速度、脫軌系數，輪重減載率最大值，輪對橫向水平力，車體豎、橫向加速度均未超限,滿足行車安全性和平穩性要求。

(4)列車速度420 km/h時,兩種列車過橋輪重減載率均超限,不再滿足行車安全性要求。

(5)兩種列車速度250 km/h時,舒適度等級為優；速度275～350 km/h時,舒適度等級為良；速度375～420 km/h時,舒適度等級為合格。

6 結束語

當線路跨越道路和通航河流,橋下凈高受到限制,且需要布置較大的跨度時,連續梁拱是一種比較合適的橋跨結構。通過對連續梁拱進行靜力和動力分析,發現該種結構具有較大的豎向剛度和良好的動力性能,特別適合高標準鐵路建設的需要。

參考文獻

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