朔準線黃河橋主橋拱上建筑結(jié)構(gòu)研究

宋順忱，李鳳芹

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

文章編號:1003-1995(2012)05-0014-04

1 工程概況

2 拱上建筑結(jié)構(gòu)形式

朔準鐵路黃河特大橋為朔州至準格爾新建鐵路重要工程，地處晉蒙交界，位于龍口水庫大壩上游6.5 km。主橋采用380 m上承式鋼管混凝土提籃拱，一跨跨越黃河，主橋立面見圖1。黃河橋橋梁高度受到線路縱斷面高程控制，除拱肋結(jié)構(gòu)需要采用較小的矢跨比之外，拱上建筑在拱頂部位也需要采用較小的高度才能有效減小拱座基礎巖體開挖量，降低工程造價和基礎施工難度。

本文通過拱上建筑結(jié)構(gòu)形式對上承式拱橋的靜動力性能、工程造價、結(jié)構(gòu)耐久性、養(yǎng)護維修等影響因素進行研究，為改善拱上建筑與拱肋的受力行為，提高結(jié)構(gòu)的靜動力性能及耐久性，為大跨度上承式拱橋拱上建筑結(jié)構(gòu)形式選擇提供依據(jù)。

2.1 拱頂建筑形式

上承式鋼管混凝土拱橋拱上建筑結(jié)構(gòu)形式一般有兩種類型，第一種全部采用梁式結(jié)構(gòu)，第二種拱頂部位采用∏型剛架或?qū)嶓w板，其它部位采用梁式結(jié)構(gòu)。當拱頂采用跨度為24 m的預應力混凝土簡支T梁時，橋面至鋼管拱上弦桿中心的最小距離為4.1 m;若在拱頂采用剛架結(jié)構(gòu)，橋面至鋼管拱上弦桿中心的距離則只需2.0 m，兩方案所需的拱上建筑高度見圖2。

由圖2可知，拱頂采用剛架結(jié)構(gòu)不僅可以顯著降低拱頂部位拱上建筑結(jié)構(gòu)的高度，減小拱座基坑深度，而且其它部位的拱上橋墩高度均可以相應減小，同時，由于與拱肋連接良好的整體性，采用剛架對鋼管拱拱肋應力和墩頂位移均有所改善。因此，在拱肋矢跨比受線路高程和地形條件限制時，拱頂宜采用∏型剛架或板式結(jié)構(gòu)。

圖1 橋梁立面圖(單位:cm)

2.2 拱上主梁跨度與梁型選擇

拱上主梁跨度較大時，傳遞給拱肋的集中力大、拱肋應力突變值大;跨度過小，由橋墩傳遞給拱肋的集中力可減小，但由于拱腳部位高墩多，不僅增加了施工難度，而且增加拱上建筑結(jié)構(gòu)自重，對拱肋受力同樣不利。因此，拱上主梁跨度一般在20～30 m左右。經(jīng)比選，當主梁的計算跨度采用24 m時，拱肋內(nèi)力分布勻順，主梁的跨度與墩高協(xié)調(diào)性好、橋梁造型美觀，因此，拱上建筑主梁跨度采用24 m。

圖2 拱上建筑高度(單位:cm)

主梁結(jié)構(gòu)形式一般為簡支T梁、連續(xù)箱梁及連續(xù)結(jié)合梁等。連續(xù)結(jié)合梁與連續(xù)箱梁相比，結(jié)構(gòu)自重較小，但后期養(yǎng)護維修工作量大，同時拱肋變形對連續(xù)結(jié)合梁支點負彎矩區(qū)混凝土橋面板受力非常不利;因此，主梁形式僅比選簡支T梁和連續(xù)箱梁，橫斷面形式如圖2(a)和圖3。兩種方案結(jié)構(gòu)自重基本相同，主梁對拱肋的靜力性能影響不大，但在二期恒載、徐變和活載作用下，拱肋結(jié)構(gòu)存在較大的豎向變形，相鄰橋墩支點變形值最大相差2 cm，拱上連續(xù)梁由于拱肋變形的影響，結(jié)構(gòu)受力復雜。

圖3 箱梁橫截面(單位:cm)

2.3 拱上墩型選擇對拱肋受力的影響

受鋼管混凝土拱肋結(jié)構(gòu)形式控制，一般拱上橋墩需空腹采用桁架式墩，可采用的墩柱形式有鋼箱墩和混凝土空心墩，見圖4。

拱上橋墩對拱肋結(jié)構(gòu)受力的影響重點考慮鋼墩與混凝土橋墩引起的拱肋應力的變化。

圖4 鋼箱墩與混凝土空心墩截面(單位:cm)

拱上鋼箱墩和混凝土空心墩自重相差較大，采用鋼箱墩與混凝土空心墩時相應的拱肋上、下弦鋼管應力見圖5和圖6(拱軸系數(shù)為2.5)。計算結(jié)果表明，拱上橋墩重量減輕，對拱肋局部應力調(diào)整有利，雖然上下弦最大壓應力有所減小，約降低5 MPa，但效果并不顯著。

圖5 拱肋上弦應力

圖6 拱肋下弦應力

2.4 拱上建筑對動力性能的影響

在拱肋結(jié)構(gòu)形式相同的情況下，對T梁與箱梁、鋼墩與混凝土空心墩等不同形式的拱上建筑進行動力性能比選，自振頻率計算結(jié)果如表1所示，車橋耦合動力計算結(jié)果如表2所示。

表1 第一階橫向及豎向自振特性對比

表2 車橋動力分析列車響應最大值匯總

由表1可知，雖然簡支T梁與連續(xù)箱梁相比，其橫向、豎向剛度小;鋼墩與混凝土橋墩相比，其重量降低較多，但由于全橋結(jié)構(gòu)剛度受拱肋剛度的影響較大，而受拱上建筑剛度的影響較小，因此，各種梁型與墩型方案自振頻率相差不大。

由表2可知，箱梁鋼墩方案與T梁混凝土墩方案相比，脫軌系數(shù)、輪重減載率及舒適性指標均比較接近，列車通過時橋梁的各項動力響應和列車的各項動力響應均滿足要求。貨車運行平順性、旅客列車乘坐舒適性均達到“良好”標準以上，可保證列車行車的安全性。

2.5 拱上建筑對施工、養(yǎng)護維修和工程造價的影響

主梁無論是采用先簡支后連續(xù)箱梁方案，還是采用預應力混凝土T梁方案，均可采用安裝拱肋的纜索吊機架設。因簡支T梁為標準梁，可以廠制，且施工方法較連續(xù)梁簡單，其造價較低。

鋼箱墩可采用預制拼裝法施工，利用纜索吊機架設，施工工期短，架設安裝方便;混凝土空心墩需采用現(xiàn)澆法施工，模板制作復雜，施工工期較長，但混凝土橋墩較鋼墩后期的養(yǎng)護維修工作量小，且用鋼量較小，工程造價較為節(jié)省。綜合考慮主梁結(jié)構(gòu)對拱肋變形的適應性、對拱肋受力及動力性能、施工工期、工程造價的影響，拱上主梁宜采用簡支T梁，拱上橋墩宜采用混凝土空心墩。

2.6 拱上梁支座布置及縱向力傳遞體系研究

拱上橋墩承受列車制動力、長鋼軌縱向力、風力、支座摩阻力和地震力等縱向水平力并傳遞給拱肋，對拱肋的內(nèi)力有較大的影響;拱上橋墩墩頂縱向位移受拱肋變形的影響較大。拱上梁支座布置及相應的縱向力傳遞體系研究主要是通過分析不同支座布置方案，來降低拱上高墩的縱向水平位移，同時降低縱向水平力對拱肋受力產(chǎn)生的不利影響。

各支座布置方案見圖7。方案一為一般簡支梁的支座布置方式;方案二為拱腳G1號墩設雙活動支座，5號交界墩和下坡端G4號橋墩設雙固定支座，使高墩的縱向力由交界墩和較矮的拱上橋墩承受;方案三為靠近拱腳第一孔簡支梁兩端設置固定支座，使梁與橋墩形成剛架結(jié)構(gòu)，借助于交界墩減小拱上高墩的縱向力。

方案一拱腳附近的G1和G2號高墩承受制動力、縱向地震力等縱向水平力，對拱肋的受力影響明顯大于其他兩個方案，且拱上高墩的墩頂位移較難控制。

主力+縱向附加力工況方案二和方案三橋墩縱向彎矩見圖8。從圖中可以看出，方案二第一孔簡支梁的制動力和地震力大部分由交界墩承受，高墩墩底縱向彎矩小于方案三，墩頂位移也小于方案三;方案三借助于剛架受力體系和交界墩的水平抗推剛度，拱上高墩在制動力、風力和地震力等瞬時荷載作用下受力得到有效降低，但剛架受力體系在溫度荷載作用下，主梁的溫度變形得不到釋放，在主梁和橋墩中將產(chǎn)生較大的溫度次內(nèi)力，使墩底縱向彎矩顯著增加，高墩墩頂位移也相應增大。

通過以上研究可知，拱上簡支梁支座布置及相應的縱向力傳遞體系對拱上高墩的縱向水平位移控制和拱肋受力影響較大，方案二是較為合理的縱向力傳遞體系。

圖7 拱上梁支座布置(單位:cm)

圖8 橋墩縱向彎矩(單位:kN·m)

3 結(jié)束語

拱上建筑結(jié)構(gòu)形式對橋梁上建高度、結(jié)構(gòu)靜動力性能、工程造價等各方面均有較大的影響。本文通過對朔準鐵路380 m上承式拱橋拱上結(jié)構(gòu)的分析研究，較好地解決了拱上建筑結(jié)構(gòu)形式對拱肋受力和大跨度拱橋動力性能的影響、縱向體系等技術問題，為大跨度上承式拱橋拱上建筑結(jié)構(gòu)形式選擇提供了參考和借鑒。

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