钢筋混凝土板拱结构在铁路桥梁中的应用分析

杨靖

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

钢筋混凝土板拱结构在铁路桥梁中的应用分析

杨靖

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

上承式钢筋混凝土板拱适用于地质条件较好的地区，其外形美观、受力明确、工期短、成桥快，是铁路桥梁的发展方向之一。根据桥址的地形地貌、地质条件、水文特征和工程条件，结合板拱的结构优势，桥渡方案选用跨度42 m的上承式钢筋混凝土板拱，一跨跨越沟谷。应用Midas软件建立全桥有限元模型进行结构静动力特性及稳定性计算分析。分析结果表明，该桥满足设计要求，板拱结构具有推广应用价值。

双线铁路 铁路桥梁 钢筋混凝土板拱 应用分析

1 工程概况

某铁路线曹家河中桥为双线桥，位于直线上，坡度13‰，Ⅰ级铁路，设计行车速度200 km/h。桥址位于西秦岭高山区，横跨曹家河中游河段。曹家河为大团鱼河的支流之一，常流水，水量丰富，流速较大，该段河谷呈“U”字形，地形起伏大，相对高差约120～200 m，交通极为不便。河谷两岸陡立、基岩裸露，植被茂密，河床内无任何水生植物。根据调查，基岩片理面产状稳定，无褶皱、断裂等地质构造现象。地质评价结果表明该段线路为泥石流多发区，该河沟为泥石流沟。河床内分布大量块石，最大直径可达11 m，大部分直径3.0～5.0 m。

2 主桥设计

2.1 桥式选择

钢筋混凝土板拱具有结构简单、受力明确、外形美观和施工方便的优点，整体性和横向稳定性好，其施工不需要大型吊装设备。由于沟谷中可能落入大块碎石影响桥墩安全及行洪，在两岸基础较好的地区应避免在沟谷中设置桥墩，尽量实现一跨过谷。鉴于此，本工程选用跨度42 m的钢筋混凝土板拱较为合适。

2.2 全桥总体布置

本桥为跨度 42 m钢筋混凝土板拱，拱肋高度8.4 m，矢跨比为1/5。采用抛物线线形。桥台采用钢筋混凝土箱形桥台，桥台顶面与线路坡度相同，箱底置于完整基岩与拱座基础之上。全桥总布置见图1。

图1 全桥总体布置(单位:cm)

3 板拱结构分析

3.1 板拱构造

采用板式拱肋截面，厚度1.0 m，宽度8.0 m。拱轴线采用二次抛物线方程:y=0.019 05x2+s，其中 s为预拱度设计值。拱顶处拱肋与桥面板固结，厚度1.560 m，宽度8.0 m，固结处采用倒角形式。

3.2 拱上结构

拱上立柱的主要作用是将桥面荷载传递到板拱上。为避免立柱底竖向力过大，引起拱肋在立柱处承受较大集中力，立柱间距不宜大于拱肋跨度的1/6～1/10。本桥拱肋上每隔6.0 m设一立柱，采用实腹板形式，立柱与桥面板及拱肋之间固结。

拱顶立柱之上设置8.0 m×6.0 m的桥面板，两端支承于桥台上。桥面纵梁采用等高度钢筋混凝土连续梁，实腹板截面，梁高0.506 m，梁宽11.36 m。桥面纵梁采用现浇悬臂式人行道。纵梁与拱顶及立柱之间固结，整体现浇。

3.3 拱座基础

拱座基础就山势设置，为楔形截面，置于千枚岩弱风化层。兰州侧拱座尺寸:纵向长度6.00 m，横向长度10.00 m，高度6.75 m。重庆侧拱座尺寸:纵向长度6.8 m，横向长度10.0 m，高度7.0 m。施工时须注意拱座底部与山体间台阶的设置，并严格控制拱肋的定位，确保拱肋的坐标和倾角准确。

4 结构计算

4.1 静力计算分析

4.1.1 主要设计荷载

1)二期恒载包括人行道、挡砟墙、钢轨、扣件、轨道板、砂浆垫层和管线，采用121 kN/m。

2)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)中的规定采用。混凝土平均加载龄期按 7 d计，终极龄期按1 500 d计。

3)设计活载采用中活载，拱及拱上立柱动力系数为

式中:λ为临界荷载系数;L为桥跨跨度;f为自振频率。

桥面板动力系数为

式中:α=4(1－h)≤2，h为桥跨顶上填土厚度。

4)列车制动力为582 kN。

5)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:24－10= 14℃，计算时取20℃。整体降温:－15－2=－17℃，计算时取－25℃。桥面板考虑非均匀升温5℃。

4.1.2 主要计算结果

1)拱

选择拱脚、1#立柱处、2#立柱处、1/4拱处、Ⅰ-Ⅰ截面和拱顶作为控制截面，见图2。其中，拱脚、1/4拱处和拱顶截面应力及裂缝情况见表1。由表1可知，拱脚截面受配筋控制，其余截面内力均较小。

图2 截面位置示意

表1 拱肋计算结果

拱座计算时，拱肋、桥台及拱座自重的外力均分解至拱座斜面中心计算，不考虑对基础背面地基的影响。拱座底面稳定计算参照《公路桥涵设计手册——墩台与基础》(第2版)，计算结果见表2。

2)拱上立柱

1#及2#立柱截面应力均受主力控制，按小偏心受压构件计算，计算结果见表3。

表2 拱座稳定系数计算结果

3)拱上桥面板

计算了跨中、支点控制截面在不同荷载组合作用下的荷载效应，计算结果见表4。

表3 拱上立柱受力计算结果

表4 桥面板计算结果

4.2 预拱度的计算

截面刚度为0.8EI，徐变应用Midas软件计算，收缩采用升温15℃，降温采用22℃。拱顶位移见表5。

表5 拱顶位移cm

4.3 动力特性分析

设计地震动峰值加速度为0.20g，动反应谱特征周期为0.45 s。应用Midas软件对空间结构进行动力特性分析，得到结构前5阶自振周期及振型，见表6。结构第1阶振型为梁拱面内反对称纵向挠曲振动，自振频率为3.879 Hz，周期＜1.7 s。结构第2阶振型为梁拱面外对称横向挠曲振动，自振频率为7.437 Hz，周期＜1.7 s。第1，2阶振型见图3。

表6 结构自振特性

4.4 稳定分析

采用Midas软件对模型进行稳定计算，荷载考虑自重+二期恒载+静活载。静活载加载方式为全桥均布加载。

拱肋纵向稳定计算得出临界荷载系数为28;拱肋横向稳定计算得出临界荷载系数为35。可见，该桥纵、横向稳定性均很好。

图3 板拱结构振型

5 施工步骤

该桥施工采用支架现浇拱肋(含拱顶实体段)、拱顶立柱及桥面板。

施工步骤:①清理桥台处边坡危石并刷方，加固边坡，施工拱座基础;②架设板拱支架，施工板拱及拱顶实体段;③施工拱顶立柱及桥台;④搭设桥面板支架，浇筑桥面板混凝土;⑤拆除板拱支架及桥面板支架，施工桥面工程。

6 结语

受制于地形地质条件，桥址交通极为不便，大型设备难以进入施工场地，大型泥石流携带巨石对于桥渡范围内设置的桥墩可能造成危害。设计采用一跨跨越河谷的简单板拱结构，对结构静动力特性及稳定性进行了设计计算与分析。板拱结构造型美观，圬工量小，造价低，施工环节较少，工期短，成桥快，具有推广价值。

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［5］陈宝春.钢管混凝土拱桥［M］.北京:人民交通出版社，2007.

(责任审编 郑 冰)

U448.34

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.05

2015-05-06;

:2015-08-06

杨靖(1979— )，男，陕西渭南人，工程师。

1003-1995(2015)09-0015-03