宁波枢纽北环线镇海支线特大桥主桥设计

尹书军

(中铁第四勘察设计院集团有限公司桥梁设计研究处,武汉 430063)

1 工程概况

宁波枢纽北环线镇海支线特大桥位于宁波市北环线镇海支线范围,桥址于GZK13+673.5～GZK13+744.4处跨越东外环延伸线,东外环延伸线既有路宽7 m,规划宽度68 m(现已施工),道路与铁路中心线夹角为70°；镇海支线特大桥纵断面高程受前后控制因素限制,采用连续梁或者连续刚构将会明显抬高线路纵断面,因此在跨越东外环延伸线处采用1-96 m下承式钢管混凝土系杆拱桥以降低线路高程,节省投资。主桥立面如图1所示。

图1 镇海支线特大桥主桥立面(单位：cm)

2 主要技术标准

(1)设计标准：Ⅰ级铁路,设计速度120 km/h

(2)正线数目：单线

(3)轨道形式：有砟无缝线路

(4)荷载标准：中-活载

3 主桥结构设计

3.1 概况

1-96 m下承式钢管混凝土平行系杆拱桥,计算跨度为96 m,桥全长100 m,拱肋矢跨比为1/5,计算矢高为19.2 m,拱肋线形采用悬链线；拱肋采用钢管混凝土结构,系梁采用单箱双室混凝土结构,吊杆采用尼尔森体系[1-3]。该主桥采用“先梁后拱”的施工方法,即先在支架上现浇系梁,然后在系梁支架上安装拱肋钢管。

3.2 矢跨比

下承式拱桥矢跨比一般采用1/4～1/6,矢跨比过小,刚性系杆所受拉力将很大,端节点设计困难。从美学角度而言,矢跨比为1/5时,曲线流畅,有系杆拱桥的韵律,而1/4的矢跨比线形近半圆,给人以呆滞和笨重的感觉,所以本桥矢跨比确定为1/5。

3.3 拱肋线形

拱圈采用抛物线[4，5],拱的受力均匀,但拱脚的恒载负弯矩偏大；拱圈采用悬链线,随着拱轴系数的增大,拱脚恒载负弯矩减少,但拱顶恒载正弯矩增大,且拱肋受力不均。下承式钢管混凝土系杆拱桥,桥面系重力通过均匀分布的吊杆传递给拱肋,拱肋承受沿跨径方向近似均布的荷载,因此其拱轴线的线形应该是二次抛物线或拱轴系数较低的悬链线。为尽量减少本桥拱脚负弯矩,拱肋采用悬链线线形,拱轴系数m=1.167。

3.4 拱肋结构

钢管混凝土拱桥[6-8]中,当跨径较大时,拱肋截面一般采用混凝土哑铃形拱肋。本桥拱肋横截面采用哑铃形钢管混凝土截面,截面高度h=3.0 m,沿程等高布置,钢管直径为1 000 mm,由厚16 mm的钢板卷制而成,每榀拱肋的两钢管之间用δ=16 mm的腹板连接,拱肋横向中心距为9.2 m。拱肋上、下钢管为钢-混组合结构,钢管内填充C55无收缩混凝土；腹板除了满足强度和整体稳定性的要求外,还必须保证腹板的局部稳定性要求,所以在腹腔内2.5～3.0 m设置1道加劲横隔板,同时在左右腹板各设置2道通长纵向加劲肋,具体见图2。

图2 拱肋横截面(单位：mm)

3.5 横撑

为加强结构整体横向稳定性,在两拱肋之间共设5道横撑,拱顶处设“米字撑+2个一字撑”型撑,拱顶至两拱脚间设4道“K”型横撑。横撑由φ500 mm、φ400 mm和φ360 mm的圆形钢管组成,钢管内部不填混凝土,其外表面需作防腐处理。

3.6 吊杆

为尽量减少拱肋的弯矩、减少系梁高度、提高结构的整体刚度,本桥吊杆采用尼尔森体系。在吊杆平面内,吊杆水平夹角在50.978°～65.384°；横桥向水平夹角为90°。吊杆间距为8 m,两交叉吊杆之间的横向中心距为340 mm。吊杆均采用91根φ7 mm高强低松弛镀锌平行钢丝束,冷铸镦头锚,索体采用PES(FD)低应力防腐索体,并外包不锈钢防护,吊杆大样见图3。

图3 吊杆大样(单位：mm)

吊杆采用拱上张拉、系梁横梁上锚固,要求后期可查、可调、可换。吊杆张拉前,锚固端需安装并测试传感器及配套数据监控软件,确保张拉索力的均匀性和准确性在±1%的精度内,并要求传感器可在大桥运营期间随时对索力进行监控和采集,具有高度稳定性和精确性。

景观娱乐用水区，指以满足景观、疗养、度假和娱乐需要为目的的江河湖泊等水域。景观娱乐活动不得危及景观娱乐用水区的水质控制目标。

3.7 系梁

系梁按整体箱形梁布置,采用单箱双室预应力混凝土箱形截面，混凝土强度等级C50。结合单线桥桥面布置情况,桥面箱宽取11.0 m,梁高2.5 m。底板厚度为30 cm,顶板厚度为30 cm,边腹板厚度为35 cm,中腹板厚度为30 cm。底板在2.8 m范围内上抬0.50 m以减小风阻力。吊点处设横梁,横梁厚度为0.4～0.6 m。系梁纵向设12-7φ5 mm预应力筋,横向在底板上设3-7φ5 mm的横向预应力筋,横隔板上设3束9-7φ5 mm预应力筋。系梁两端底板上设进人孔,每个箱室均设检查孔,便于在箱内对吊杆等进行检查与换索。底板上设截水槽、泄水孔,边腹板与中腹板上设通气孔,系梁横截面见图4。

图4 系梁横截面(单位：cm)

3.8 拱脚

拱脚顺桥向8.0 m范围内设成实体段,横桥向宽度为11.0 m,截面渐变处设倒角或过渡段。实体段内设9-7φ5 mm的横向预应力筋,分上下2排布置分批张拉完成。拱脚混凝土分2次现浇,在现浇第一次混凝土前,应将拱肋钢管、加劲钢材等安装到位,二期恒载施工完成后浇筑第二次混凝土。

4 主桥结构计算

4.1 计算原则

本桥主要采用桥梁博士(V3.2)和通用有限元程序“MIDAS”对结构进行了施工及成桥状态静、动力特性和稳定分析,其平面计算模型见图5。

图5 主桥平面计算模型

纵向整体计算分别进行了施工状态和运营状态计算,计算中主要考虑了以下设计荷载： 结构自重、二期恒载、预应力、收缩、徐变影响力、基础不均匀沉降、列车荷载、冲击力、制动力、风力、温度力、地震荷载。

其中拱肋合龙温度为(18±2)℃,整体升温20 ℃、降温20 ℃计算温度力。行车道主梁按局部升降温上下缘非线性温差±8 ℃计算。

4.2 静力分析

1-96 m下承式钢管混凝土平行系杆拱桥施工顺序为：(1)桩基础及桥墩施工；(2)进行地基基础硬化处理,搭设支架；(3)在支架上现浇系梁及拱脚混凝土,待混凝土达到设计强度后张拉纵向预应力索；(4)在系梁上搭设支架；(5)在系梁支架上进行拱肋拼装；(6)分别泵送下管、上管管内混凝土,待管内混凝土达到设计强度后拆除系梁上拼装拱肋支架；(7)按照设计要求张拉完所有吊杆；(8)拆除系梁支架,施工桥面,至此桥梁施工完成。

根据本桥结构特点建立计算模型,按在支架上现浇系梁、拼装拱肋、拆除支架、二恒的加载历程,进行结构计算,得到成桥时的内力、应力、位移；按影响线加载计算桥梁活载并与成桥时内力、应力、位移相叠加,得到桥梁运营阶段各构件的内力、应力、位移。

4.2.1 系梁检算

分别检算施工和运营阶段系梁的强度、抗裂性、应力及变形。施工阶段系梁最大压应力6.53 MPa；运营阶段,最不利荷载作用下,主力工况下主梁最大压应力7.09 MPa,最小压应力0.99 MPa；主力+附加力工况下主梁最大压应力8.23 MPa,最小压应力0.98 MPa,最大主压应力为8.25 MPa,最大主拉应力为-0.73 MPa。最小抗裂安全系数为1.28。跨中在静活载作用下竖向最大挠度1.38 cm,挠跨比1/6 957,梁端最大转角0.67‰ rad。

4.2.2 拱肋检算

拱肋钢管和拱肋钢管内混凝土采用主截面与附加截面,整体受力,协调变形,拱肋钢管、拱肋钢管内混凝土检算结果见表1。

表1 运营阶段拱肋正应力汇总 MPa

从表1可以看出,拱肋钢管及拱肋钢管内混凝土应力均满足规范要求,拱肋钢管内混凝土只是局部出现很小的拉应力,结构受力比较合理。

拱肋按一类稳定检算,运营期间拱肋面内稳定安全系数为27.3,面外稳定安全系数为9.4[3,4],满足规范要求。

4.2.3 吊杆检算

吊杆采用91根φ7 mm镀锌高强平行钢丝束,吊杆的运营阶段最大应力为383 MPa,相应最小安全系数为4.36,吊杆的最大活载应力幅值为97.0 MPa。

4.2.4 拱脚局部应力分析

本桥拱脚与系梁固结,拱脚处受力复杂,是主桥受力的最关键部位之一,为保证拱脚与系梁的可靠连接,拱脚处以空间分析为主,平面分析校核,对局部构造、横向预应力索布置进行优化调整。优化后的计算结果显示局部构造较为合理。

4.3 动力分析4.3.1 自振特性分析

空间计算采用MIDAS分析软件,拱肋、横撑、系梁均采用梁单元模拟,吊杆采用杆单元建模,其计算模型见图6,自振特性计算仅考虑拱桥自身、不考虑桥墩共同作用,前4阶自振频率及振型特点见表2。

图6 空间计算模型

表2 1-96 m下承式钢管混凝土平行系杆拱桥自振特性

4.3.2 空间稳定分析

采用有限元分析软件MIDAS对全桥进行空间有限元分析。使用阶段(自重+二期恒载+全桥满布中-活载)拱肋最小稳定系数为10.2,面外失稳。

4.3.3 动力特性及列车走行性分析[9，10]

建立车-桥一体空间模型,模拟DF4牵引C62货车以时速50～80 km,DF11客车以时速80～160 km单线通过桥梁。分析结果表明：该桥具有良好的动力特性,列车行车的安全性有保证,车辆横、竖向舒适度指标均在“良好”标准以上,机车司机台处横、竖向舒适度指标均在“良好”标准以上。

5 结语

铁路下承式尼尔森体系钢管混凝土系杆拱桥造型美观,建筑高度低、跨越能力强,结构竖、横向刚度大,施工养护方便,当跨越高等级公路时,具有较好的经济和社会效益,可在铁路建设中推广应用。

[1] 薛照均.下承尼尔森体系钢管混凝土提篮式系杆拱桥在铁路客运专线上的应用设计[J].桥梁建设,2006(5).

[2] 林文泉.尼尔森体系钢管混凝土拱桥的静、动力分析[J].铁道标准设计,2007(8).

[3] 冯楚桥.铁路下承式尼尔森体系钢管混凝土提篮式系杆拱桥研究与应用[J].工程与建设,2007(4).

[4] 铁道部第一勘测设计院,兰州铁道学院.涵洞与拱桥[M].北京：中国铁道出版社,1994.

[5] 顾安邦,孙国柱.公路桥涵设计手册—拱桥(上、下册)[M].北京：人民交通出版社,1994.

[6] 陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工[M].北京：人民交通出版社,1999.

[7] 陈宝春,郑皆连.钢管混凝土拱桥实例集[M].北京：人民交通出版社,2002.

[8] 王庭英,金志展.钢管混凝土桥梁钢(管)结构制造与安装[M].北京：人民交通出版社,2003.

[9] 曾庆元,郭向荣.列车桥梁时变系统振动分析理论与应用[M].北京:中国铁道出版社,1999.

[10] [苏]鲍达尔Н.Г.主编.铁路桥梁与机车车辆的相互作用[M].胡人礼,译.北京：铁道部专业设计院工程建设标准规范管理处,1987.