克塔铁路单线96 m钢管混凝土系杆拱桥设计

张学斌

（中铁一院集团新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆乌鲁木齐830011）

克塔铁路单线96 m钢管混凝土系杆拱桥设计

张学斌

（中铁一院集团新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆乌鲁木齐830011）

克（拉玛依）塔（城）铁路采用主跨96 m钢管混凝土系杆拱桥跨越克塔高速公路。本文着重介绍了96 m系杆拱桥细部构造尺寸的拟定过程，并建立全桥平面、空间有限元模型，对拱桥结构的静力、动力进行分析，研究系梁、拱的受力特性。分析结果表明:该桥各项指标满足设计和规范要求；拱桥的屈曲空间稳定性是该类型桥梁计算的重点，通过空间有限元计算分析和传统经验公式计算结果的比较，提出由于后者未考虑整体空间效应而较为保守。

系杆拱桥；钢管混凝土；构造尺寸；静动力分析；屈曲稳定性

1　工程概况

新建克塔铁路位于新疆维吾尔自治区北部的克拉玛依市和塔城地区。线路自克拉玛依市境内的奎北铁路百口泉车站引出，向北穿越百口泉油田区、再向西北沿木胡尔塔依河经白杨河矿区、铁喇矿区至托里县铁厂沟镇，再翻越两棵树垭口至额敏县，然后向北至塔城市，终点至巴克图口岸，线路全长约307 km。

克塔铁路于DK135+498处跨越克塔高速，该路段线路位于紧坡地段，跨越道路立交净空受限，为减少桥梁跨度及降低桥梁建筑高度，采用96 m系杆拱桥跨越该道路，按照支架现浇、先梁后拱的工法施工。克塔高速为双向四车道，沥青混凝土路面，分离式路基。该段高速公路横断面形式为：0.5m土路肩+2.0m硬路肩+2×3.75m行车道+1.5m硬路肩+0.5m土路肩，单幅路宽12m，两幅道路线间距为9m。铁路与高速公路夹角为45°。主跨立面布置如图1所示。主梁位于R=1200的圆曲线上。桥址处地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期0.35s，相当于地震基本烈度Ⅶ度。

图1　主跨立面布置（单位：m）

2　主要技术标准

1）铁路等级：客货共线Ⅱ级。

2）正线数目：单线。

3）速度目标值：120 km/h。

4）最小曲线半径：一般1 200 m，困难800 m。

5）限制坡度：6‰。

6）轨道形式：有砟无缝线路。

7）设计活载：中-活载。

3　结构构造

结构属刚性系梁刚性拱，计算跨径L=96m。系梁按照直梁设计，梁体按照平分中矢法布置。拱肋为钢管混凝土结构，哑铃形截面。拱轴线采用二次抛物线，计算矢高f=19.2m，矢跨比1/5。理论拱轴线方程：y=x/1.25-x2/120。横桥向设置2道拱肋，拱肋中心间距8.25m。下部结构桥墩采用圆端形桥墩，基础采用直径1.50m钻孔灌注桩。

3.1系梁构造

系梁全长99.0m，支座中心距梁端1.5m。梁体采用横向和纵向刚度较大的单箱双室变高度箱形截面，跨中梁高2.6m，支点处加高至3.0 m。箱梁顶宽11.36m、底宽8.6m，梁端及拱脚处10.5m范围内分别加宽至11.95，10.05m。顶板、底板厚均为30cm，腹板采用直腹板，边腹板厚35cm，中腹板厚30cm，边腿板与中腹板拱脚附近分别加厚至180cm。箱梁于支点处设置厚7.0m的端横梁，于各吊杆处均设置横隔墙，隔墙厚0.35m。横梁及横隔墙均设置过人孔。系梁位于曲线上，按平分中矢法布梁，其梁端采用梯形布设来解决与普通简支梁线间梁缝的宽度问题。系梁跨中截面和支点截面布置见图2。

图2　主跨横向布置（单位：m）

3.2拱肋、横撑及吊杆构造（图2）

桥面设置2道拱肋，拱肋采用外径φ1000mm、壁厚16mm的钢管混凝土哑铃形截面，上下两钢管中心距2.0m，拱肋截面全高3.0m，钢管内灌注C55补偿收缩混凝土。拱肋上下钢管之间连接缀板厚16mm，缀板间距在拱脚附近为1000mm，其余为600mm；缀板间在拱脚面至其外4.52m范围、吊杆处1.5m范围内灌注混凝土，其余均不灌注混凝土。

拱肋之间共设5道横撑、2组K撑。横撑及K撑均为空钢管组成的桁式结构。横撑上、下弦管采用外径φ800 mm、壁厚20 mm的钢管，K撑上、下弦管采用外径φ500 mm、壁厚12 mm的钢管；横撑上、下弦管之间均采用外径φ400 mm、壁厚10 mm的钢管做腹杆组成的桁架连接，K撑上、下弦管之间均采用外径φ400 mm、壁厚8 mm的钢管做腹杆组成的桁架连接。

考虑桥梁后期养护更换吊杆的安全性，吊杆纵向采用双吊杆布设。2道拱肋共设13对吊杆，第一对吊杆距离支点12.0 m，其余吊杆中心间距均为6.0 m。每处吊杆均由双根55丝φ7 mm的平行钢丝束组成，双吊杆之间纵向间距60 cm。为防止人为破坏，在距梁顶以上3 m范围内，于吊杆PE护套外，加设1.5 mm厚的不锈钢管予以防护。吊杆的张拉端位于拱肋上端。

3.3拱脚构造及支座（图2）

拱肋在拱座处截面由哑铃形变为圆端形，并伸入拱座。拱脚拱肋钢板缀条，并通过箱梁构造钢筋等与系梁形成整体，拱脚为1.6 m×5.0 m的矩形实体截面。为改善拱脚混凝土的抗拉能力，拱脚及该段系梁采用C55聚丙烯纤维混凝土。

采用球型20 000 kN钢支座，支座间距8.25 m，梁端横向布置2个支座。

4　施工方法

本桥采用先梁后拱的施工方法。即系梁按常规施工方法支架现浇施工完成后，在梁上搭设拱肋支架，在其上安装空钢管拱肋及横撑，钢管拱肋内泵送混凝土。待拱肋混凝土达到强度后安装并张拉吊杆，再拆除系梁支架及临时拱架，施工桥面等二期工程。

5　结构计算

5.1计算荷载

1）恒载：箱梁、拱肋及横撑自重，桥面二期恒载。

2）活载：中-活载，列车竖向动力作用。

3）均匀升、降温：±20℃。

4）非均匀升、降温：梁与拱肋、吊杆之间的温差分别按10，15℃计算。箱梁按顶板升温8℃考虑。

5）其他设计荷载及相关参数，按铁路桥涵设计规范［1-3］取值。

5.2结构静力计算

5.2.1系梁纵向计算

结构静力分析按施工阶段及运营阶段采用西南交大“桥梁结构分析系统BSAS”进行，预应力混凝土箱梁按照全预应力混凝土设计。计算时将2片拱肋截面合为一体，根据刚度（EA，EI）等效原则将拱肋钢管混凝土换算为同等级的混凝土，吊杆按照柔性索单元输入。平面计算模式共划分74个节点、72个单元。计算考虑拱肋钢管混凝土的收缩、徐变，分别考虑主力、主力+附加力2种荷载组合。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）要求分别对混凝土、预应力钢束的各项指标进行控制。

5.2.2系梁横向计算

系梁横向计算包括支点横梁、吊杆隔墙、横向环框3方面。横向按被支承在主梁腹板中心线下缘的箱形框架计算。根据系梁的刚度，确定中腹板下弹性支撑的刚度。由各模型计算结果配置各控制截面的上、下缘钢束。

5.2.3拱肋计算

拱肋按照钢筋混凝土结构进行强度验算，按照小偏心受压构件检算拱肋截面，计算时不考虑外包钢管的套箍作用。

5.2.4吊杆计算

根据平面模型的吊杆拉力值，吊杆安全系数应＞3.5，应力幅控制在150 MPa以内［4］。

5.3结构动力及稳定性分析

结构动力及稳定性分析采用韩国程序MIDAS进行，梁和拱均采用梁单元模拟，吊杆采用只受拉的索单元模拟，分别建立横向和纵向空间模型（因拱肋截面换算纵横向刚度不同）对拱肋的面内外屈曲稳定、整体结构自振特性进行分析。空间计算模型见图3。

图3　空间计算模型

桥梁的自振频率反映结构的刚度，影响结构的行车安全。系杆拱桥的竖向自振频率应≥23.58L-0.592=1.58 Hz，横向自振频率应≥55/L-0.8=1.43 Hz的限值（L为桥梁跨度）。结构动力分析结果见表1。

系杆拱桥的稳定性是关系其安全与经济的主要问题之一，它与强度问题有同等重要的意义［5］。目前关于拱桥稳定性的验算是个较为复杂的问题。

方法1：利用传统经验公式，用手算来完成。近似验算方法是将呈曲杆式的拱圈转换为虚拟的直杆梁，按组合压杆来计算其临界轴压力。文献［6］给出了双肋拱的临界轴向力计算公式

表1　结构模态计算结果

式中：Iy为两拱肋截面对其公共竖轴的平均惯性矩；L0为横向计算长度。

用该公式计算，横向稳定性系数为14.8。

方法2：钢管混凝土拱桥的空间稳定性分析考虑面内和面外刚度差异，分别建立空间MIDAS有限元模型，计算结果表明该桥横向面外失稳先出现，验证了此类桥梁的失稳特点，稳定性系数为30.2。

方法2的计算结果反映出拱桥空间效应对稳定性的有效作用，故稳定性系数偏大，而传统的计算方法，将空间问题转换为平面结构，其结果必然是偏小的。

5.4全桥主要检算结果（见表2）

计算结果表明，系杆拱桥各项指标满足规范限值要求。

表2　结构主要检算结果

续表2

6　结语

1）本桥在设计阶段通过大量参数分析，确定了满足规范各项指标的合理结构尺寸，节省了工程量，具有较好的经济性能。

2）分析计算表明，本桥在各种不利荷载作用下能够满足安全使用要求，结构静力、动力、屈曲空间稳定性满足规范要求，同时梁、拱组合结构具有足够的刚度。

3）本桥是新建铁路克拉玛依至塔城线的重点工程，是该线最大跨度的铁路桥梁。通过本桥的设计与修建，为今后同类型的桥梁设计积累了有益的经验。

［1］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.

［2］中华人民共和国铁道部.TB 10002.2—2005铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［3］中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［4］李杰，陈淮，江莹莹，等.钢管混凝土系杆拱桥吊杆力计算及调索方法研究［J］.铁道建筑，2014（1）：7-10.

［5］李国豪.桥梁结构稳定与振动［M］.北京：中国铁道出版社，2005.

［6］范立础.桥梁工程［M］.北京：人民交通出版社，2012.

（责任审编孟庆伶）

Design of Single Track 96 m Span Concrete-filled Steel Tube Tied Arch Bridge for Karamay-Tacheng Railway

ZHANG Xuebin
（Xinjiang Railway Survey and Design Institute Co.，Ltd.，China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Urumqi Xinjiang 830011，China）

A 96 m span concrete-filled steel tube tied arch bridge on Karamay-T acheng railway is across Karamay-T acheng expressway.In this paper，the detailing structure sizes of this bridge were introduced.A planar and a 3D finite element（FE）models of the entire bridge were built to analyze the static and dynamic performance of the girders and the arches.T he results indicate that every index of this bridge meets the requirements of the design and relevant codes.T he key is the spatial buckling stability of the arch bridge.Comparing 3D FE modeling and calculation with conventional empirical equations，the results show that the latter method is more conservative due to its lack of consideration of entire spatial effect.T his type of bridges have advantages including longer span，lower height，greater entire stiffness and higher aesthetic value.

T ied arch bridge；Concrete-filled steel tube structure；Structure size；Static and dynamic analysis；Buckling stability

U442.5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.04

1003-1995（2016）10-0013-04

2016-03-29；

2016-07-28

张学斌（1984—），男，工程师，硕士。