渭河沟大桥115 m钢筋混凝土拱桥方案设计

姚保辉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

渭河沟大桥115 m钢筋混凝土拱桥方案设计

姚保辉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

兰渝线渭河沟大桥跨越深沟，根据桥址处的地质、地形等情况，拟采用主跨115 m的上承式钢筋混凝土拱桥。本文先对该桥的拱轴系数进行了详细研究，并拟定了主桥的详细结构尺寸及施工方法、步骤;然后，采用Midas软件建立有限元模型，进行静力、动力、稳定性及施工阶段等方面的计算分析，分析结果表明该桥各项技术指标均满足相关规范要求。

双线铁路 上承式拱桥 钢筋混凝土拱桥 设计

1 工程概况

兰渝线渭河沟大桥主桥拟用115 m上承式钢筋混凝土拱桥。桥梁位于直线上，线路纵坡12.8‰，为Ⅰ级双线电气化铁路，设计行车速度200 km/h。桥址位于甘肃省陇南市武都区枫相院乡北侧，地形狭窄，沟床呈典型的V字形。桥位区域河流两岸的陡立坡面基岩裸露。

桥址范围地层主要为下元古界的板岩，河岸两侧峭壁广泛出露，青灰色略带灰绿色，板状构造，片理面较发育。岩质较致密坚硬。表层强风化，风化层厚约7～10 m，属Ⅳ级软石，σ0=600 kPa;弱 ～微风化，属Ⅳ级软石，σ0=800 kPa。工程所属区域地震动峰值加速度值为0.20g，相当于地震基本烈度八度，地震动反应谱特征周期为0.40 s。该地区1月份月平均气温－2℃;7月份月平均气温 24℃;平均相对湿度为65.0%，最大季节冻结深度13 cm。

2 主桥设计构思

2.1 桥式选择

桥址处两岸边坡陡峭，沟谷呈典型的V字形，河谷深切，地质条件良好。渭河沟沟槽内常年流水、水流湍急，分布着大量块石及碎石，最大的块石直径约4 m左右，沟内不宜设置桥墩。上承式拱桥整体性及横向稳定性好，在地质条件良好的峡谷地区，具有不可比拟的优势。为了减轻拱肋结构自重，增加桥梁抗扭能力，拱肋可采用箱形截面。综合考虑上述因素及减少后期养护维修工作量等问题，本桥主桥拟用上承式钢筋混凝土拱桥桥式。

2.2 全桥总体布置

本桥主跨为115 m钢筋混凝土提篮拱，拱肋高度25.0 m，矢跨比为1/4.6。拱中心轴线采用悬链线方程，拱轴系数1.9。全桥总布置见图1。

图1 全桥总布置(单位:cm)

全桥孔跨布置为1×24 m简支箱梁+1×115 m钢筋混凝土提篮拱+1×24 m简支箱梁。拱顶框架两端各采用4×12 m的桥面纵梁，桥面纵梁采用等高度钢筋混凝土连续梁。

3 拱桥结构设计

3.1 拱轴系数选择

本桥采用悬链线作为拱轴线，拱轴系数的大小直接影响主拱截面内力分布与大小。选择合理的拱轴系数，也就是尽可能降低由于荷载产生的弯矩值。本设计以1.3～3.0为拱轴系数，分析比较拱肋在恒载作用下的拱肋内力。从结果可以看出，拱轴系数增大拱脚弯矩值减小，拱轴系数减小拱顶弯矩值减小。以拱肋截面内力及截面检算结果(混凝土应力)均衡为原则，本设计拱轴系数最终采用1.9。

3.2 拱肋构造

3.2.1 拱肋中心距

由于稳定性要求，拱肋中心距需要大于跨度的1/20。为缓解较窄的桥面箱梁与较宽拱肋之间的矛盾，考虑桥梁的整体美观，将两分离式拱肋设置呈变间距。拱顶处两拱肋中心距采用4.4 m;拱脚处拱肋中心距加宽至8.758 m。因此拱肋呈倾斜布置，拱顶内倾2.179 m，其倾角为5°。两片分离拱肋，在拱肋立柱处设横撑，横撑采用宽1.6 m箱形截面，高度随拱箱高度变化，全桥共设11道一字横撑。

3.2.2 拱肋箱形截面

单箱单室截面(拱脚以上4 m为实体段)，拱肋截面宽取2.0 m，拱顶截面高取 2.5 m，拱脚截面高取4.5 m，拱顶到拱脚范围内拱肋高度按 Ritter公式变化。拱肋箱形截面见图2。

3.3 拱上结构

拱上立柱的主要作用是将桥面荷载传递到主拱肋上，立柱之间的间距不宜过大，以免立柱底竖向力过大，引起拱肋在立柱处承受较大集中力;一般不宜大于拱肋跨度的1/8～1/15。本桥拱肋上每隔12 m左右设一立柱，拱上立柱采用双斜柱，实心截面，1#，2#，3#立柱与6#，7#，8#立柱尺寸为130 cm(纵向)×170 cm (横向)，立柱横撑尺寸为100 cm(宽)×100 cm(高)。托盘高1.0 m，宽1.5 m;顶帽高0.5 m，宽1.7 m。1#立柱构造见图3。

图2 拱肋箱形截面(单位:cm)

图3 1#立柱构造(单位:cm)

考虑到连续梁能增强桥面纵、横向的刚度，行车条件好，拱顶框架两端各采用4×12 m的桥面纵梁，桥面纵梁采用等高度钢筋混凝土连续梁。采用单箱单室截面，箱梁高1.8 m，顶板宽11.36 m，底板宽5.6 m，跨中腹板厚50 cm，顶板厚30 cm，底板厚30 cm。桥面纵梁采用现浇悬臂式人行道。每联纵梁固定支座设在拱顶侧，其余各墩柱采用活动支座，以免固定支座设置在拱座墩上而导致拱座墩的尺寸过大。

拱顶采用框架式结构，为避免其与拱圈共同受力而使顶板产生较大的顺桥向压力，每隔4.7 m设1道横向断缝;框架顶板和两侧墙采用混凝土铰，以减少拱肋的不均匀沉降对框架产生的较大内力。框架顶板跨中厚采用35 cm，框架侧墙厚采用60 cm。

3.4 拱座基础

拱座纵向长度为13.6 m，横向尺寸15.5 m，高度17 m，拱座基础置于板岩弱风化层。施工时以拱肋预埋钢管底部位置为分界线分两次浇筑，一方面可以减小结构尺寸降低水化热，另一方面可以固定预埋钢管支架，确保预埋钢管定位牢固。

4 结构计算

4.1 静力计算分析

4.1.1 主要设计荷载

收缩徐变按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB 10002.3—2005)中规定采用。混凝土平均加载龄期按7 d计，终极龄期按1 500 d计。

设计活载采用中活载，验算引桥简支梁及拱上结构时，动力系数按照《铁路桥涵设计基本规范》4.3.5条第3款计算，1+μ=1.286。

验算主拱圈时，动力系数按照《铁路桥涵设计基本规范》4.3.5条第4款计算，1+μ=1.20。

拱肋合龙温度采用10～15℃。当地7月平均气温24℃，1月平均气温－2℃。整体升温14℃，计算时取20℃。整体降温 －17℃，计算时取 －17℃。拱上纵梁桥面板考虑非均匀升温5°。

拱圈基础竖直变位和水平变位均为0.05 m;拱上连续梁与拱圈、拱上立柱联合计算，以考虑拱圈基础变位及结构变形对其内力、变形的影响。

4.1.2 主要计算结果

拱桥的1/4跨度处，由列车竖向静活载所产生的上下挠度(绝对值)之和为0.032 m;拱上连续梁结构由列车竖向静活载所引起的竖向挠度为0.045 m;拱上连续梁结构由列车竖向静活载所引起的梁端转角为0.000 84 rad，均满足规范要求。

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拱座计算时，将拱座墩墩底力及拱肋拱脚力垂直投影到拱座最下一层台阶底面进行计算，不考虑基础背面地基的影响。拱座底面滑动稳定计算参照公路桥涵设计手册《墩台与基础》(第二版)，计算结果见表1。基底应力及基础稳定均满足规范要求。

表1 拱座计算结果

拱脚、拱顶钢筋应力均为120 MPa左右，拱脚、拱顶混凝土应力均为12 MPa左右，满足规范要求。拱肋截面应力及裂缝情况见表2。

表2 拱肋计算结果

表2中轴力值受压为正，弯矩值拱肋截面上缘受拉为负，下缘受拉为正。

1#及8#拱上立柱由于立柱高度为17 m左右，截面应力受纵向地震控制，混凝土应力为13.3 MPa，钢筋应力为223.9 MPa，满足规范要求。拱上连续梁固定支座放置于4#及5#拱上立柱上，截面应力受纵向地震控制，混凝土应力为9.6 MPa，钢筋应力为216.6 MPa，满足规范要求。

拱上连续梁抗弯计算结果见表3，均满足规范要求。

表3 拱上连续梁计算结果

4.2 动力计算分析

地震动峰值加速度0.20g，特征周期0.40 s。采用Midas软件对空间结构进行动力特性分析，得出结构前五阶自振周期及振型特性见表4。

表4 全桥振型

4.3 稳定性分析结果

稳定性分析中，计算荷载考虑自重、二期恒载、静活载等。静活载全桥均布加载。

拱肋稳定性计算结果:拱肋纵向临界荷载系数32.3，拱肋横向临界荷载系数68.3，均大于规范规定的安全系数5，即稳定性满足要求。

5 主桥施工工艺

本桥采用缆索吊装法施工。借助山体上设置的缆索吊，采用斜拉扣挂法完成预制拱肋的吊装，然后在拱肋上现浇拱上立柱，在拱肋支架上现浇桥面纵梁。拱肋施工图见图4。

图4 拱肋施工示意

1)缆索吊安装预制拱肋

缆索吊的吊塔由施工方根据现场实际情况及自身的设备状况确定，视吊装方便可将扣塔设置在桥墩上，但需对桥墩进行检算。除去支架现浇段、湿接缝、拱顶合龙段，每片拱肋分为14个节段吊装，最大吊重控制在750 kN。拱肋的吊装方法采用四点抬吊整体吊装、就位的方法进行。

2)拱上立柱施工

待拱肋混凝土达到一定强度后，从两拱脚向拱顶对称依次安装及浇筑立柱混凝土，每组立柱混凝土需在初凝前一次浇筑完成。浇筑盖梁混凝土时，从两拱脚向拱顶对称依次浇筑盖梁混凝土。

3)拱顶框架施工

从两侧向拱顶对称依次在支架上现浇拱顶框架。

4)支架现浇桥面纵梁

以墩、立柱及拱为依托架设支架。支架按不小于上部最大施工荷载的1.2倍重量进行预压。待盖梁混凝土达到一定强度后，从两拱脚向拱顶对称依次在支架上分段对称现浇桥面连续梁。

5)桥面系施工

拆除支架，施工桥台及引桥，现浇安装伸缩缝、施工桥面铺装及桥面系。

6 结语

本桥采用缆索吊装预制拱肋，最后施工拱上结构，该方法很好地解决了跨越深峡谷或深水区的大跨度拱桥的安装施工。同时，拱上立柱及拱顶框架的构造比较新颖，对同类桥梁起到很好的借鉴参考作用。

［1］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，2000.

［2］陈宝春.钢管混凝土上承式拱桥桥型分析［J］.公路，2006 (2):1-4.

［3］瞿国钊.宜万铁路落步溪大桥178 m混凝土拱桥设计［J］.铁道标准设计，2005(11):57-59.

［4］宋顺忱，李凤芹.朔准线黄河桥主桥拱上建筑结构研究［J］.铁道建筑，2012(5):4-7.

［5］中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

(责任审编 孟庆伶)

U442.5

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.04

2015-04-16;

:2015-06-23

姚保辉(1971— )，男，陕西宝鸡人，高级工程师。

1003-1995(2015)09-0011-04