客貨共線鐵路混凝土系桿拱橋梁設(shè)計(jì)

張志勇, 陳思孝

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

1 設(shè)計(jì)概述

系桿拱橋是由拱肋、系梁、吊桿和橋面系等組成的梁拱組合體系，具有跨越能力大、梁部結(jié)構(gòu)高度小、輕盈美觀等優(yōu)點(diǎn)[1]，該橋型適用于橋下凈空受限且對(duì)跨越能力要求較高的橋位處，在我國(guó)鐵路橋梁建設(shè)中應(yīng)用較多。海西線豐頭新村雙線特大橋位于海南省，地處濱海平原地貌，地勢(shì)低平開闊，跨規(guī)劃道路。因橋下規(guī)劃道路的標(biāo)高控制，橋下凈空高度受限，且濱海地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕問(wèn)題突出，設(shè)計(jì)綜合比選采用了主跨68 m混凝土系桿拱橋。該橋的總布置圖如圖1所示。

圖1 主跨68m混凝土系桿拱橋立面布置

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級(jí)：I級(jí)鐵路，客貨共線。

(2)橋上線路：雙線，線間距5.0 m，平面直線，縱坡1.2 %。

(3)設(shè)計(jì)行車速度：200 km/h。

(4)設(shè)計(jì)活載：中活載。

(5)軌道結(jié)構(gòu)：有砟軌道。

(6)地震動(dòng)峰值加速度：≤ 0.1g。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

橋梁全長(zhǎng)70 m，支承中心間距為68 m，理論矢高13.6 m，矢跨比為1/5，拱軸線為m=1.268的懸鏈線。梁部劃分為10個(gè)節(jié)間，除端節(jié)間長(zhǎng)9.2 m外，其余節(jié)間長(zhǎng)6.2 m，拱肋中心距為11.4 m，凈寬10.4 m。

梁橫向?yàn)閱蜗淙遥缰辛焊?.8 m，梁底寬12 m，梁頂寬14.4 m；梁端部加高至3.3 m。跨中箱梁頂板厚35 cm，底板厚為40 cm，中腹板厚度為35 cm，邊腹板厚度為60 cm，在梁端部加厚。在各吊桿位置設(shè)50 cm厚橫隔板，在箱梁端部設(shè)3.0 m端橫梁，中橫隔板與端橫梁中部設(shè)有供檢查人員通過(guò)的進(jìn)人孔洞，跨中附近中腹板位置設(shè)有橫向進(jìn)人孔洞。

拱肋為鋼筋混凝土構(gòu)件，矩形截面，高2.0 m，拱趾處加高至3.45 m；拱肋寬1.0 m。兩拱肋之間除第一、二個(gè)節(jié)點(diǎn)為滿足橋上凈空要求不設(shè)橫撐外，其余節(jié)點(diǎn)均設(shè)鋼筋混凝土橫撐與拱肋連接。橫撐為矩形截面，在與拱肋交接處采用倒角過(guò)渡，以避免角隅處應(yīng)力集中。系梁截面及拱肋截面如圖2所示。

圖2 系梁截面及拱肋截面

吊桿采用柔性吊桿，圓形截面，其構(gòu)成為GJ15-27新型環(huán)氧噴涂整體擠壓成束鋼絞線，由27根φ15.2 mm環(huán)氧噴涂鋼絞線組成，fpk=1860MPa。外套大小HDPE護(hù)套，其間填充防腐油脂，吊桿錨頭處采用錨頭防水防腐保護(hù)罩，吊桿外露部分采用外徑小于20 cm不銹鋼護(hù)套包裹以免意外或人為損壞。吊桿采用在拱肋頂單端張拉，采用錨具GJ15-27型錨具錨固，吊桿下端設(shè)置長(zhǎng)效型傳感器，以監(jiān)控索力變化情況。

梁體縱向預(yù)應(yīng)力均采用9-φ15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1860MPa，錨下控制應(yīng)力1 302 MPa。

在拱腳處垂直于拱軸線方向設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力，采用公稱直徑32 mm的PSB830預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

4.1 計(jì)算模型

本文采用 Midas Civi軟件建立了三維計(jì)算模型，均采用梁?jiǎn)卧M，模型如圖3所示。

圖3 主橋模型

4.2 主要計(jì)算結(jié)果

4.2.1 結(jié)構(gòu)豎向剛度

從表1可知，本橋系梁豎向撓度及梁端轉(zhuǎn)角均遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，說(shuō)明結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度[2]。

表1 豎向剛度檢算

4.2.2 梁部檢算

(1)應(yīng)力檢算：運(yùn)營(yíng)階段拱肋和梁體應(yīng)力如表2所示。

表2 拱肋及梁體應(yīng)力(壓為正，拉為負(fù))

由上表2可知，梁體為預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在主力和主+附荷載作用下，均處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力小于規(guī)范限值，滿足規(guī)范要求。拱肋為普通鋼筋混凝土構(gòu)件，在主力和主+附荷載作用下，拱肋上緣均處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力小于規(guī)范限值，而拱肋下緣在主+附作用下出現(xiàn)0.94 MPa的拉應(yīng)力，通過(guò)適當(dāng)配筋是滿足受力要求的，均滿足規(guī)范要求[3]。

(2)正截面抗裂性：梁體最不利截面安全系數(shù)Kf=1.8。

(3)斜截面抗裂性：梁體最大主拉應(yīng)力為-0.88 MPa，最大主壓應(yīng)力為9.03 MPa。

(4)正截面抗彎強(qiáng)度檢算：梁體最不利截面安全系數(shù)K=2.24(主力)，K=2.13(主+附)。

4.2.2 吊桿檢算

運(yùn)營(yíng)階段吊桿應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 吊桿計(jì)算結(jié)果

由表3可知，吊桿最小安全系數(shù)均大于3.0，安全性高。吊桿活載應(yīng)力幅滿足規(guī)范要求。

4.2.3 結(jié)構(gòu)自振特性

結(jié)構(gòu)前五階自振頻率如表4所示，第一階結(jié)構(gòu)自振振型如圖4所示。

表4 結(jié)構(gòu)自振特性

圖4 結(jié)構(gòu)第一階振型

由主橋結(jié)構(gòu)自振振型和頻率分析可知，第一、二階振動(dòng)為主拱橫彎，第三階為橋梁整體豎彎，說(shuō)明橋跨結(jié)構(gòu)拱肋的橫向剛度相對(duì)較弱，橋梁整體豎彎自振頻率為2.730 Hz，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)整體豎向剛度較大。

4.2.4 結(jié)構(gòu)屈曲分析

本橋兩榀拱肋中心距11.4 m，橫撐采5道1字型撐，穩(wěn)定分析計(jì)入自重、二期恒載、滿布雙線活載影響。通過(guò)midas建模計(jì)算得知臨界荷載系數(shù)9.06，由此可知該橋失穩(wěn)安全性較高。

5 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)對(duì)于系桿拱橋的系梁，是同時(shí)承受軸向拉力和彎矩的構(gòu)件，同時(shí)承受多點(diǎn)支承。對(duì)于混凝土系梁，其頂板和底板均應(yīng)配置全橋拉通的鋼束，用以抵抗軸向拉力。同時(shí)，應(yīng)在梁端附近配置少量彎起的腹板束，用以抵抗剪力。由于梁端拱梁固結(jié)，導(dǎo)致梁端存在一定的負(fù)彎矩，宜在梁端按照“懸臂梁”原理配置一定的鋼束。

(2)梁端拱梁交接處，拱腳的推力由系梁承擔(dān)，這個(gè)推力 是通過(guò)梁拱結(jié)合處的剪力傳遞給系梁，因此，梁拱交接處的長(zhǎng)度需滿足受剪要求，同時(shí)應(yīng)配置足夠的抗剪鋼筋。

(3)吊桿間距和吊桿力數(shù)值的確定是系桿拱橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵之一，設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮，以滿足運(yùn)營(yíng)安全的同時(shí)降低造價(jià)[4]。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用midas通用軟件計(jì)算分析主跨68 m混凝土系桿拱橋，得到了該橋應(yīng)力、位移、穩(wěn)定性等均滿足規(guī)范要求，對(duì)混凝土系桿拱橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，為同類橋梁的設(shè)計(jì)提供了參考。海南西環(huán)鐵路豐頭新村雙線特大橋于2015年底建成通車，目前運(yùn)營(yíng)狀況良好。混凝土系桿拱橋造型美觀，橋下凈空要求低，跨越能力強(qiáng)，混凝土耐久性好，養(yǎng)護(hù)維修相對(duì)鋼桁梁簡(jiǎn)單，造價(jià)低，是單跨120 m左右橋梁較為理想的一種選擇。