澄江雙線特大橋主橋結構設計

徐建華

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

1 工程概況

新建貴陽至南寧鐵路客運專線是國家《中長期鐵路網規劃》中“八縱八橫”高速鐵路主通道包頭至海口通道的重要組成路段[1]，線路北起貴陽北站，終至南寧東站。澄江特大橋位于貴州省河池市境內，橋長15 507.8m。大橋主橋采用(91.3+180+91.3)m拱加勁連續梁上跨蘭海高速，線路夾角30 °，高速公路為雙向四車道，路肩寬度25m。

主要技術標準見表1。

表1 主要技術標準

2 主橋結構設計

主橋采用(91.3+180+91.3)m拱加勁連續梁，主墩高12.5m，采用直徑2.5m鉆孔灌注樁，邊墩基礎采用直徑1.25m鉆孔灌注樁。主橋總布置圖如圖1所示。

圖1 全橋總布置(單位：cm)

2.1 主梁構造

主梁設計為單箱雙室變高度直腹板截面，受運梁車通行要求控制，箱梁頂寬16m，箱寬13.6m，主墩頂支點截面梁高10m，邊支點截面高度4.5m，截面高度按二次拋物線變化，梁底曲線方程Y=5.5x2/772+4.5。箱梁頂板厚度55cm，腹板厚度40～83cm，底板厚度40～110cm。由于拱腳固結構造需要，0號塊箱寬16.6m，兩側各加寬150cm。主梁內吊桿錨固處對應設置箱內橫梁。主梁支點及跨中橫斷面如圖2所示。

圖2 主梁截面(單位：cm)

2.2 拱肋構造

拱肋計算跨度L=180m，矢高f=36m，矢跨比f/L=1∶5，拱軸線采用二次拋物線。兩榀拱肋之間橫向中心距為14.8m。拱肋采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高3.0m。拱肋弦管直徑1m，壁厚24mm，弦管之間用16mm厚腹板連接。弦管及腹板內均填充C50微膨脹混凝土。拱肋截面如圖3所示。

圖3 拱肋截面(單位：cm)

兩榀拱肋之間共設9道橫撐，拱頂橫撐為米字形，其余10道為K字形。橫撐橫桿均為φ600×14mm鋼管；斜桿均為φ500mm×mm鋼管。拱肋上下鋼管分別設置橫撐，同一位置處上下橫撐間設φ200×12mm鋼管連接。

2.3 吊桿

全橋共設18組吊桿，順橋向間距9m。吊桿采用GJ15-12整束擠壓鋼絞線拉索，為便于吊桿更換采用雙吊桿體系，吊桿間距0.55m。吊桿上端穿過拱肋錨固于拱肋上緣張拉底座，在拱肋上端進行張拉；下端錨于吊點橫梁下緣固定底座。

2.4 支座

采用球型鋼支座，各支點沿橫橋向布置 3個支座，每道腹板下設置一個支座。邊支點支座噸位9 000kN，間距5.75m；中支點支座噸位85 000kN，間距 6.2m。

3 施工方法

梁部采用封閉掛籃對稱懸臂澆筑，先合攏邊跨，然后繼續澆筑中跨不平衡節段，合龍中跨。主梁施工完畢后，準備架設鋼管拱肋，鋼管拱采用在小里程側引橋及主橋邊跨上搭設支架拼裝成型，拱肋拼裝支架如圖4所示。

圖4 拱肋拼裝示意(單位：cm)

拱肋拼裝完成后，張拉臨時系桿鎖定，拆除安裝支架，落架至走行小車上，沿橋面預埋軌道平推至設計位置安裝就位，如圖5所示。

圖5 拱肋頂推示意(單位：cm)

然后按照先上弦、再下弦、最后腹腔的順序灌注拱肋混凝土。管內混凝土達設計強度后按指定次序張拉吊桿，調整吊桿力，施工橋面系，完成主橋施工。

4 靜力計算分析

4.1 計算模型

主梁按全預應力混凝土結構設計，采用有限元程序MidasCivil建模。全橋共分為 1 067 個單元，其中主梁、拱肋按梁單元建模，拱肋采取鋼管、管內混凝土模擬成雙單元共節點的形式，考慮鋼管混凝土拱肋的實際形成過程。吊桿按只受拉的桁架單元建模，全橋共計梁單元 1 031個，索單元36 個，計算模型如圖6所示。

圖6 計算模型

4.2 主梁計算

主梁在各種最不利荷載組合下,各控制截面應力見表2。

梁部最大主拉應力-2.87MPa，最大主壓應力18.71MPa。最小抗裂安全系數1.26，主力作用下強度安全系數2.21，主+附作用下強度安全系數2.18。

表2 控制截面應力 MPa

考慮列車豎向ZK靜活載與溫度共同作用，中跨梁體豎向最大撓度為45.3mm，為跨度的1/3974；邊跨梁體豎向最大撓度為19.6mm，為跨度的1/4658。在ZK活載靜力作用下，梁端豎向轉角為0.83 ‰。

軌道鋪設后，預應力混凝土梁的中跨豎向殘余徐變變形僅為-0.2mm；邊跨豎向殘余徐變變形為-12.4mm，為跨度的1/7363，滿足規范要求的豎向殘余徐變變形不應大于L/5000且不大于20mm[2]。

4.3 拱肋計算

拱肋鋼管主力最小壓應力為50.0MPa，最大壓應力152.0MPa；主+附最小壓應力為31.0MPa，最大壓應力165.0MPa。鋼管各截面均不出現拉應力。拱肋混凝土主力最大壓應力6.3MPa；主+附最大壓應力7.3MPa。

拱肋彈性穩定系數為5.95。拱肋軸向受壓極限承載力安全系數：主力K=2.39；主+附K=2.28。

4.4 吊桿計算

主力下吊桿最大拉應力 426.8MPa，強度安全系數K=4.4。主力+附加力下吊桿最大拉應力 443.3MPa，強度安全系數K=4.2。吊桿最大活載應力幅為 170MPa。

5 結束語

拱加勁連續梁是一種梁-拱組合體系橋梁，具有豎向剛度大、承載能力高、工后徐變小等優點，特別適合應用于大跨度高速鐵路橋梁，在高鐵橋梁設計中得到廣泛應用[3]。

結構受力方面，此種結構通常采用預應力混凝土連續梁與鋼管混凝土拱肋形成組合結構，主梁除承受彎矩外，還承受軸向拉力，因此需配置足夠的縱向預應力使主梁處于全受壓狀態。鋼管混凝土拱肋主要承受軸向壓力，由于鋼管的套箍作用[4]，使混凝土處于三向約束狀態，承載力大大提高。另一方面，混凝土填充于鋼管之內，增強了鋼管的穩定性，組合結構剛度也遠大于鋼結構，使其整體穩定性也有了極大的提高。計算結果表明，鋼管混凝土拱肋對改善結構剛度，降低跨中徐變有非常顯著的作用。

施工方面，連續梁采用常規的懸臂灌注工法施工，工藝十分成熟。主梁合龍后，在連續梁橋面上拼裝拱肋，為拱肋施工提供了天然工作平臺，采取必要防護措施后并不影響施工期間橋下交通。可綜合考慮橋下公路等級、安全要求級別、現場施工條件等因素，采用在橋面原位搭設支架拼裝或異位拼裝、頂推就位的施工方案。

綜上所述，當常規三跨連續結構跨度不能滿足設計要求，需要采用更大跨度橋梁結構跨越道路或通航河流，但由于線路標高導致橋下凈高受限時，拱加勁連續梁是一種比較合適的橋跨結構[5]。