欽江鐵路特大橋128m鋼管混凝土系桿拱橋設計

廖成強

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

1 工程概況

欽江鐵路特大橋是廣西沿海鐵路擴能改造工程欽北段重點橋渡，橋梁與河道水流基本正交;橋位處遠期規劃為雙孔通航，凈空2－110m×13m，最高通航水位為10.09m。

本橋采用雙線有碴軌道，線間距4.6m，列車運行速度目標值為(ZK活載)250km/h、(中－活載)120km/h。橋梁位于R=3 500m的曲線上，全長2 225m。其中，主橋采用兩孔計算跨徑128m下承式鋼管混凝土簡支系桿拱，立面如圖1所示。

圖1 主橋2×128 m鋼管混凝土拱橋立面布置

2 主橋結構構造

單跨系桿拱系梁全長131.6m，計算跨徑128m，矢跨比f/L=1/5，拱肋平面內矢高25.6m，拱軸線采用m=1.347懸鏈線線型。單跨系桿拱橋立面、平面及斷面布置詳見圖2所示。

圖2 系桿拱立面、平面及斷面布置(單位:cm)

系桿拱采用“先梁后拱”的施工方法，主要施工順序為:橋下搭設鋼管樁支架現澆混凝土主梁(系梁)→以主梁梁體作為施工平臺搭架拼裝空鋼管拱肋→泵送拱肋混凝土→安裝張拉吊桿。

2.1 拱肋、橫撐及吊桿

拱肋橫截面采用啞鈴型鋼管混凝土截面，截面高3.6m，沿程等高布置，主鋼管規格為1 300mm、壁厚δ=20mm，上下弦管中心距2.3m。拱肋主鋼管及腹腔內均灌注C55混凝土。

兩片拱肋之間共布置5道橫撐，其中拱頂設置“米”撐，拱頂至兩拱腳間設4道K撐。橫撐為空鋼管組成的桁式結構，主鋼管外徑850mm、壁厚16mm，斜鋼管外徑630mm、壁厚12mm。

單跨系桿拱共設14對吊桿，第一根吊桿距離支點12m，其余吊桿縱橋向中心間距均為8m。每處吊桿均由單根163絲7mm的平行鋼絲束組成，配套錨具為冷鑄墩頭錨。

2.2 系梁

系梁按整體箱形梁布置，采用單箱三室預應力混凝土箱形截面。系梁標準段箱寬17.8m，梁高2.5m。系梁平面、立面及斷面構造詳見圖3所示。

圖3 混凝土系梁立面、平面及斷面布置(單位:cm)

系梁縱向設置102束15－ΦS15.2預應力筋，橫向在底板上設置4－ΦS15.2預應力筋，吊桿處橫梁內設置4束13－ΦS15.2預應力筋，端橫梁處設置39束15－ΦS15.2預應力筋。

2.3 主墩及支座

3個主墩均采用中間挖門洞造型的圓端形墩柱。主墩基礎均采用群樁基礎。單孔系桿拱橋共計設置4個40 000kN的球鋼支座。

3 主橋結構計算分析

本橋系桿拱結構體系為剛性系桿剛性拱，空間桿系結構靜力分析、結構動力及穩定性分析計算均采用Midas/Civil7.4.1版程序。并采用了Midas/FEA程序對拱腳及主梁吊點進行了局部實體有限元分析，采用MSC程序對本橋進行車橋耦合動力響應分析。

3.1 計算荷載與計算參數

(1)恒載(2)活載(3)附加力，附加力包括:①制動力或牽引力;②風荷載;③溫度力:整體均勻升降溫±25℃，非均勻升降溫考慮為拱肋±10℃、吊桿±15℃、系梁頂板±10℃。

3.2 結構整體計算結果

(1)系梁撓度:在靜活載和考慮溫度荷載引起的最大撓度為38.0mm，撓跨比為1/3372。

(2)梁端轉角:在中活載作用下，梁端豎向折角為－1.270‰、+0.884‰;在ZK活載作用下，梁端豎向折角為－1.124‰、+0.793‰。

(3)自振頻率:結構一階自振為橫向彎曲(拱肋)，頻率0.669Hz;二階自振為縱向彎曲，頻率1.283Hz。

(4)結構應力:

①拱肋鋼管最大應力:中活載主力組合135.5MPa，主+附組合147.0MPa。

②拱肋鋼管混凝土應力(考慮混凝土收縮、徐變):中活載主力組合最大14.1MPa，最小2.0MPa;主+附組合最大15.3MPa，最小 0.9MPa。

③吊桿應力:中活載主力組合最大499.2MPa，最小377.2MPa;主+附組合最大511.5MPa，最小352.1MPa。吊桿最大應力幅為96.2MPa，安全系數大于3.0。

3.3 拱腳及主梁吊點局部應力分析

拱腳節點及主梁吊點的構造處理較為復雜，采用實體有限元模型(如圖4所示)進行局部應力計算分析，用以指導局部加強和鋼筋設置。

圖4 拱腳及主梁吊點局部實體分析模型

計算結果表明，忽略去預應力筋錨固區域及過人孔等部位的局部應力集中，拱腳處最大主拉應力可控制在1.4MPa以內;系梁吊點處最大主拉應力可控制在1.3MPa以內。

3.4 主拱結構穩定性核算

計算結果表明，主拱結構1～15階失穩模態均為面外失穩，最低階面外失穩模態穩定系數為8.47(結構橫向穩定性足夠)，如圖5所示。

圖5 最低階橋梁橫向失穩模態

3.5 車橋耦合動力分析計算

采用MSC程序對本橋進行車橋耦合動力響應分析檢算，結果表明主橋結構在正常運營中有足夠的橫向剛度及良好的列車運營平穩性。

4 設計體會

通過對欽江特大橋128m系桿拱橋的全過程設計，筆者有如下幾點體會。

4.1 大跨徑高速鐵路鋼管混凝土系桿拱橋的結構選型

(1)拱肋布置 分內傾提籃拱型式和豎直雙拱肋型式兩種，前者拱肋結構施工定位略復雜，后者則相對簡潔施工便捷，本橋采用了后者。

(2)吊桿布置 分斜吊桿布置(尼爾森體系)型式和平行布置型式兩種，前者吊桿在主梁及拱肋上的節點構造處理較為復雜(單個吊點一般為兩根吊桿交匯)，后者則相對較為簡單，本橋采用了后者。

(3)啞鈴型拱肋腹腔結構 從提高截面的抗彎截面慣性矩而言，腹腔混凝土貢獻并不大，可考慮采用空腔(不灌注混凝土)。為保證拱肋上下弦管的剛度銜接過渡，本橋仍考慮腹腔內灌注混凝土，但采用較小的腹腔綴板間距。

4.2 系梁與拱肋的剛度比

作為剛性系桿剛性拱，系梁和拱肋的剛度比應適當進行控制。經過對比計算分析，建議(EI)拱肋/(EI)系梁取值在1/2左右時，可以明顯的減小拱肋中的彎矩，使其更加符合梁拱組合體系橋梁的受力特點，使得“拱肋受壓、系梁受拉”得到充分發揮。

4.3 吊桿分批張拉順序的優化

為避免施工過程中各組吊桿索力預張拉值過大，不建議直接采用“邊→中、逐組分批張拉”，建議采用“邊→中→邊、隔組分批張拉”。以本橋為例，單跨系桿拱共計14組吊桿，吊桿編號從拱腳到跨中分別編號1～7和1’～7’，經過反復試算分析，建議的張拉順序為:第7、7’對吊桿→第4、4’對吊桿→第1、1’對吊桿→第3、3’對吊桿→第 6、6’對吊桿→第2、2’對吊桿→第 5、5’對吊桿。

5 結束語

鋼管混凝土系桿拱橋剛度大， 動力性能好，能夠有效降低主梁的結構高度，具有較強的適應能力。為確保結構安全和行車平穩，滿足剛度要求，鋼管混凝土系桿拱橋設計應注意拱肋和吊桿結構布置選型，合理控制系梁和拱肋的剛度比。對于拱梁結合部及主梁吊點處，應根據局部應力分析的計算結果，做好其構造處理及配筋設計。

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M］．人民交通出版社，2007