铁路大跨度连续刚构-拱桥组合结构设计

郭丰哲，郭 波，苏国明

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 工程概况

图1 (102+208+102)m连续刚构拱桥(单位：m)

1.1 技术标准

主要技术标准：①铁路等级，Ⅰ级。②正线数目，双线有砟轨道，线间距4.6 m；线路平面为直线；线路纵坡为平坡。③设计速度，客运专线250 km/h。④设计活载，ZK活载。

1.2 水文地质

桥址区场地土具侵蚀性，化学环境作用等级为H1级，氯盐作用等级为L1级。

1.3 通航标准

桥位处为规划Ⅳ级通航航道。通航要求：净宽90 m，净高8 m。

1.4 工程地质

1.5 地震动参数

地震动峰值加速度为0.20g，地震动反应谱特征周期分区为三区，Tg=0.45 s。

1.6 桥址气象资料

桥位处年平均气温9.5 ℃，最冷月平均气温-6.1 ℃，最热月平均气温22.4 ℃。按照对铁路有影响的气候分区，属于寒冷地区。

2 结构尺寸

2.1 主梁

主梁采用C60混凝土，截面采用单箱双室形式，主梁为变截面、变高度。结构尺寸见表1。

箱梁在每个吊点处均设置1道横隔梁，横隔梁宽40 cm，靠近两中支点处的5道横隔梁高1.6 m，跨中的10道横隔梁高1.4 m。

表1 结构尺寸 m

主梁结构0号梁段的长度为20 m，边跨直线段的长度为6.9 m，中跨合龙段的长度为3.0 m，其余梁段长分别为4.5，4.0，3.5，3.0 m。主梁除0号梁段、1号梁段、边孔直线段在支架上现浇外，其余梁段均采用挂篮悬浇施工。典型断面布置如图2所示。

图2 典型断面布置(单位：cm)

2.2 预应力体系

主梁为三向预应力体系，设纵、横、竖向预应力。纵向钢束规格为19-Φj15.2 mm和15-Φj15.2 mm。主梁横向预应力钢束规格为5-Φj15.24 mm，纵向间距0.5 m。主梁竖向预应力筋采用φ32 mm的高强精轧螺纹钢筋。

2.3 拱肋及横撑

拱肋计算跨度为208 m，矢高41.6 m，矢跨比为1/5，拱轴线采用二次抛物线。拱肋截面总高度为3.4 m，采用哑铃形钢管混凝土。拱管直径1.2 m，管壁厚为26 mm(拱脚附近局部加厚至30 mm)；上下拱管之间的腹腔宽度为0.80 m，壁厚为26 mm。拱管及腹腔内部均灌注C50自密实混凝土。拱肋的中心距为13.0 m，采用桁架式横撑，横撑内不灌注混凝土。横撑间距18 m，全桥共设置10道。拱肋、横撑及吊杆锚箱均采用Q345qE钢材。横撑和拱肋的截面形式如图3所示。

图3 横撑和拱肋的截面形式(单位：cm)

2.4 吊杆

吊杆设置为双吊杆形式，采用PES7-61型平行钢丝束。吊杆上端为张拉端，且锚固于拱肋上缘，下端锚固于吊点翼缘与腹板相交处，采用箱外牛腿锚固形式。吊杆纵桥向间距为9.0 m，共设置38组双吊杆。吊杆采用双层HDPE保护层，并外套不锈钢护套。

2.5 支座

边支点横向设置2个支座，分别为纵向活动支座和多向活动支座，支座间距为8.6 m，边墩支座吨位采用 10 000 kN级。

2.6 主墩结构及基础

交接墩采用薄壁空心桥墩，刚构墩墩身与梁体腹板及隔墙形成整体。刚构墩顶顺桥向宽8.0 m，横桥向顶宽14.6 m，壁厚1.2 m；纵桥向不放坡，横向放坡，外壁坡度35∶1，内壁坡度75∶1；墩底设5.0 m实体段。空心墩的结构如图4所示。除桥墩上部6 m范围采用C60混凝土外，刚构墩墩身其余材料为C45混凝土。两主墩处采用24根φ220 cm钻孔灌注桩，桩基采用C45混凝土，采用行列式布置，桩间距4.8 m。

图4 空心墩的结构(单位：cm)

3 模型建立

本桥采用“先梁后拱”的施工方法，主要步骤：①主墩及基础施工；②主梁采用挂篮悬臂对称施工；③合龙边跨；④每侧边支点压重200 t；⑤继续移动挂篮，施工中跨剩余悬灌段；⑥合龙中跨；⑦在梁上搭设支架，施工拱肋及横撑，拱肋竖转；⑧安装并张拉吊杆；⑨施工桥面系，成桥运营。

结合结构的施工过程，采有限元计算分析软件MIDAS及BSAS建立模型。

4 计算结果

本桥荷载组合按主力组合和主+附组合对结构进行计算[2-5]。

4.1 结构内力

选取边跨跨中、中支点、中跨跨中控制截面，对其主力、主+附的内力进行计算分析，见表2。根据表2计算结果进行纵向钢束配置，全桥共配置纵向钢束885 t，钢束含量52.8 kg/m3。

表2 控制截面弯矩及轴力

4.2 强度及应力

强度及抗裂性安全系数的最小值均出现在主梁中支点位置截面。梁体混凝土上缘最大应力和下缘最小应力的控制截面出现在主梁边跨跨中位置，上缘最小应力和下缘最大应力的控制截面出现在主梁中支点位置截面。强度、抗裂性安全系数和梁体混凝土应力分别如表3和表4所示。

表3 强度、抗裂性安全系数

表4 梁体混凝土应力 MPa

4.3 反力及变形

4.3.1 反力

1)成桥状态

成桥边支点(单墩)反力如表5所示。根据表5计算结果选用 12 500 kN 级别的边支座。

表5 成桥边支点(单墩)反力 kN

2)施工过程

施工过程中边支点反力如表6所示。可知，各施工阶段及成桥时均未出现负反力，在中跨超打2个梁段后，边支点反力出现了最小值。

表6 边支点反力 kN

4.3.2 变形

1)ZK静活载变形

梁端转角及挠跨比如表7所示。可知，梁端转角及边中跨挠度均满足规范要求。

表7 梁端转角及挠跨比

2)温度变形

温度变形在车桥耦合结构分析中与其他荷载作用的变形予以叠加考虑。不同温度工况作用下的拱肋和主梁变形如表8所示。

表8 温度变形 mm

3)梁体水平挠度

在列车摇摆力、风力、温度力作用下，梁体水平挠度为11.0 mm。

4)工后徐变

最大工后徐变为边跨-2.8 mm，中跨-10.5 mm。

表3—表8的结果表明，结构各项计算指标均在规范容许值之内。

4.4 拱肋截面验算

按照TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》检算结构强度，分别对拱肋按矩形截面进行偏心受压构件的强度计算，计算结果见表9。可知，主力和主+附结果均满足规范要求。

表9 拱肋截面计算结果

4.5 吊杆验算

成桥时吊杆力总和为 27 179 kN，占中跨二期恒载总重 38 896 kN 的69.9%；在全桥布满列车活载下，拱肋承担的竖向列车活载 10 261 kN 占中跨范围总竖向列车活载 26 624 kN 的38.5%。在主+附作用下，单个吊点处最大吊杆力为 4 211 kN，安全系数为3.3。在疲劳荷载作用下，吊杆的应力幅为104.9 MPa。

4.6 稳定性分析

对结构进行稳定性分析，结构的前五阶变形均为拱的变形。结构一阶稳定系数为7.2。

4.7 自振特性

对结构进行自振特性分析，如表10所示。

表10 结构自振特性

4.8 桥墩验算

主+附作用下，桥墩弯矩如表11所示。

表11 桥墩弯矩

桥墩纵向主筋采用双根一束φ32。根据桥墩受力和配筋对桥墩进行验算[4]，结果如表12所示。

表12 桥墩验算结果 MPa

4.9 桩基验算

桩基采用b90软件进行计算。桩基受力计算结果如表13所示。其中，Pmax为最大桩顶荷载，[P]为单桩容许承载力。

表13 桩基受力计算结果 kN

根据桩基受力情况对桩基截面进行验算，结果如表14所示。

表14 桩基验算结果 MPa

4.10 车桥耦合分析

根据车桥耦合振动分析理论，运用多体动力分析软件UM对本桥进行车桥耦合动力性能分析。轨道不平顺采用德国低干扰谱，并结合TB 10621—2014《高速铁路设计规范》中250 km/h 高速铁路有砟轨道平顺性要求进行修正。结果表明，在动力分散式列车CRH2,CRH3以160～300 km/h的速度下运行时，桥梁动力性能满足规范要求，列车的行车安全性满足规范限值，乘坐舒适性达到“优”。

4.11 抗震分析

1)主墩验算

多遇地震作用下，主墩墩身的控制截面地震力如表15所示。可知，在多遇地震作用下，桥墩墩身的混凝土压应力及钢筋应力均能满足规范要求。

2)桩基验算

桩基抗震力如表16所示。可知，在多遇地震作用下，桩基的混凝土压应力σc及钢筋应力σs均能满足规范要求。

表15 主墩控制截面地震力

表16 桩基地震力

3)结构位移延性比验算

罕遇地震作用下，桥墩延性验算结果如表17所示。可知，结构均具有足够的延性能力，满足规范要求。

表17 罕遇地震作用桥墩延性验算结果

4.12 墩、梁、拱脚结合段实体分析

局部模型按照实际结构的约束条件进行模拟。梁端内力按移动荷载作用下拱脚受力最不利工况作用下相应的内力进行施加。通过局部实体分析可知，区段内主梁纵、横、竖向基本处于受压状态；拱脚基本处于受压状态，拉应力区域较小；存在局部应力集中区域，多数位于集中力作用的位置，可不予考虑。

5 设计总结

本文连续刚构拱的设计特点如下：

1)主梁最小截面的抗弯刚度为86.9 m4，拱肋面内抗弯刚度为3.758 m4(按弹性模量比8予以折算)，梁拱抗弯刚度比为23.1，为刚性梁柔性拱结构。

2)吊杆对于主梁的提拉作用较好，表现为工后徐变比同跨度的梁式桥显著降低，中跨跨中的工后徐变仅为10.5 mm，满足规范要求。

3)桥梁采用主梁跨中5.5 m和支点13.0 m的梁高。经计算，结构强度、应力和各项变形均满足规范要求，且结果没有过于富裕。

4)工后徐变会使结构变形增大，造成预应力损失，使偏心受压构件的受压区变形增大，挠度增加，承载力降低。本桥的计算工后徐变值满足规范要求，在容许范围之内。

5)拱肋高度采用3.4 m，钢板厚度采用26 mm，验算结果均在规范要求之内。

6)本桥选用空间桁架撑，一阶稳定系数为7.2。

7)本桥墩高50 m左右，考虑到桥位处的景观及地震烈度的要求，选用了宽8 m、壁厚1.2 m的箱形截面作为本桥桥墩设计截面，计算结果满足规范要求。

6 结语