140 m双线铁路上承式劲性骨架混凝土拱桥设计

续宗宝

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

1 工程概况

某线主桥为140 m双线铁路上承式劲性骨架混凝土拱桥，该桥平面位于直线上,桥上纵坡为7.6‰,为Ⅰ级双线铁路,线间距4.6 m,设计行车速度200 km/h。桥址处地势陡峭,自然坡度35°～55°，为“V”形山间谷地,河谷深切,现为水库,河床宽50～100 m,两岸大部分基岩出露。

桥下河道与线路夹角约为90°,通航等级为Ⅵ级航道。该地区月平均最高气温27.8 ℃,月平均最低气温9.7 ℃。年平均风速0.6 m/s,各月间的风速变幅亦小,最大值与最小值之差仅0.2 m/s。桥址区山体表层为Qdl+el含砾粉质黏土,硬塑,σ0=180 kPa,厚0.5～2.0 m；下伏基岩为J3n2凝灰熔岩,弱风化(W2),σ0=1 000 kPa,灰白色,凝灰结构,裂隙发育。地震动峰值加速度为0.05g。

2 主桥设计构思

2.1 桥式选择

桥址处两岸边坡陡峭,为“V”形山间谷地,河谷深切,地质条件良好,非常适合设置能够1孔跨越山间河谷、且与周围环境相协调的上承式拱桥结构。

大跨度上承式拱桥拱肋结构为主要受力构件,其受力形式主要表现为承受轴向压力。针对铁路桥梁所承受活载大,要求结构刚度大的特点,为了减轻拱肋结构自重、增加其承载能力和提高结构刚度,拱肋宜采用桁架式钢管混凝土及箱形劲性骨架钢筋混凝土结构,两种结构形式均采用拱肋钢管作为拱肋混凝土施工的劲性骨架,可以节省支架,方便施工。此结构形式拱桥跨越能力大,是大跨度桥梁的发展方向之一,国内外公路、铁路均有多个成功的先例,表1列出了几座铁路上承式拱桥的简要情况。相对于钢管混凝土拱肋,劲性骨架钢筋混凝土拱肋具有抗扭刚度大、结构稳定性强、后期维修养护小、耐久性能好、钢材用量少、工程造价低等优点,因此本桥采用上承式劲性骨架钢筋混凝土拱桥。

表1 国内典型铁路上承式拱桥一览

2.2 全桥总体布置

根据线路轨面和拱脚基础所在位置,并综合桥址处的地质及桥下通航要求等情况,主桥跨度采用140 m,拱肋高度30.86 m,矢跨比1/4.5,基底置于W2岩层上。全桥孔跨布置为1-24 m简支T梁+1-140 m拱桥+1-32 m简支T梁。主拱圈正置,调整拱上立柱的高度来形成线路纵坡。拱上布置4联3×13.0 m桥面纵梁,交接墩设置于拱座基础上。全桥总体布置见图1。

图1 全桥总体布置(单位：cm)

3 拱桥结构设计

3.1 拱轴系数选择

拱轴系数是拱桥的重要特征参数,直接影响着拱肋截面内力的分布与大小。本设计分别按2.240、2.514为拱轴系数,进行分析计算比较拱肋在恒载作用下的拱肋内力,比较结果见表2。从表2中可以看出,拱轴系数增大,拱脚恒载弯矩偏心减小,拱顶恒载弯矩偏心增大。以拱顶、拱脚受力均衡为原则,并根据截面验算结果避免拱顶下缘受拉出现裂缝,本设计拱轴系数采用2.514。

表2 不同拱轴系数拱圈恒载内力比较

3.2 拱肋构造

3.2.1 拱肋中心距

提篮拱拱肋中心距自拱顶至拱脚由小逐渐变大,既可以减小拱上结构的圬工量,还可以使结构的横向刚度有较大的提高,因此本桥拱肋形式选择提篮式。提篮式拱肋中心距及横向倾角应根据以下原则选取：(1)拱上结构和拱座基础圬工量最小；(2)满足结构横向刚度要求；(3)满足列车运营安全性及舒适性要求。

本桥为双线桥,线间距4.6 m,桥面纵梁底板宽6.56 m；拱顶处两拱肋中心距为5.6 m,拱脚处拱肋中心距为11.4 m,拱顶内倾2.9 m,其倾角为5.37°。

3.2.2 拱肋构造

在大跨径拱桥中,为减轻恒载自重、节约材料,拱肋截面常采用变截面形式。拱肋截面除拱脚以上4.25 m为实体外余均采用变高箱形截面,顶底板厚0.5 m,腹板厚0.4 m,宽2.30 m,拱顶截面高3.2 m,拱脚截面高5.4 m,其截面高度符合立特变化,顶、底板与侧板间设0.8 m×0.4 m梗肋,拱脚以上4.25～13.75 m顶底板加厚至1 m；拱肋钢骨架由8根φ402 mm×14 mm(拱脚10 m范围采用φ402 mm×20 mm)钢管和节点板、角钢焊接成劲性骨架,缆索吊装合龙后,钢管内灌注C55微膨胀混凝土作为拱肋混凝土施工支架,施工完毕拱肋混凝土后与其一起形成劲性骨架钢筋混凝土结构。拱肋横截面构造见图2。

图2 拱肋一般截面构造(单位：mm)

拱肋至两拱脚间对应拱上立柱设置拱肋横撑,全桥共布置11道,横撑由角钢和钢管焊接而成,并外包混凝土形成箱形截面,箱高随拱肋截面高度变化。

3.3 拱上结构

拱上结构的主要作用是将桥面荷载传递到主拱肋上。腹孔的跨径不宜过大,以免使腹孔墩的集中荷载增大,对拱圈受力不利。一般不大于主拱肋跨径的1/8～1/15,本桥桥面纵梁采用4联(3×13) m钢筋混凝土箱形截面连续梁,纵梁跨径为主拱肋跨径的1/10.8。

纵梁梁高1.6 m,顶板宽9.56 m,底板宽6.56 m,顶板厚0.372 m,底板厚0.3 m,腹板厚0.5 m；纵梁采用满布支架现浇C45混凝土的施工方式,由两拱脚向拱顶对称浇筑。拱上纵梁连续梁固定支座第1、4联设置在拱座墩顶,第2、3联设在6号立柱顶。

拱上立柱采用双斜柱式,立柱横向内倾5.37°,与拱肋倾角相同；立柱顺桥向宽1.5 m,横桥向宽1.35 m,两斜柱间设厚0.4 m带孔薄板,以增大立柱的横向刚度,全桥拱肋上设置11个立柱墩。拱上立柱构造见图3,图中所示尺寸以1号立柱墩为例。

图3 拱上立柱构造(单位：cm)

3.4 拱座基础

拱座基础需承受拱肋及拱座墩传递的荷载。由于构造要求拱座基础尺寸较大,因此多采用扩大基础,地基基本承载力较弱时,需采用桩基础。本桥基底置于弱风化凝灰熔岩上,地基基本承载力σ0=1 000 kPa,拱座采用扩大基础,基础横桥向16.8 m,顺桥向18.0 m,高13.5 m,基础底部设置3层2.0 m×1.0 m错台,以增加拱座基础抗滑移能力。

4 主桥结构计算

4.1 静力计算分析

4.1.1 主要设计荷载

设计活载：中-活载,双线折减系数90%。

冲击系数计算：1+μ=1+α×6/(30+L),α=4(1-h)≤2。

恒载(结构重力)：根据材料重力密度计算，γ取26.5 kN/m3。

基础不均匀沉降：拱圈基础水平变位0.01 m,竖向变位0.005 m。

结构温度变化：①体系升降温根据当地气候条件采用升温15 ℃,降温15 ℃。

②非均匀升、降温：拱圈采用升降温±10 ℃。

4.1.2 计算模型

该桥结构形式为劲性骨架钢筋混凝土拱桥,施工工序多,结构体系形成复杂,结构受力根据施工顺序及截面参与受力情况,需建立不同的模型进行模拟。

桥面纵梁、拱上立柱与拱肋共同参与受力,主拱肋在外部荷载、材料收缩及温度变化等因素的影响下,拱肋将会产生变形,而拱上建筑也会随主拱肋的变形而变形。因此整体计算时,拱上连续梁与拱圈、拱上立柱联合计算,考虑拱圈基础变位及结构变形对拱上立柱及纵梁内力、变形的影响。桥面纵梁与立柱之间按实际自由度建立主从约束,竖向只承受压力,纵梁支点与拱上立柱变形相一致。

整体计算分3个计算模型。

(1)拱肋混凝土施工完成前,钢管骨架模拟成桁架,为钢桁架模型。

(2)钢管骨架内灌注混凝土达到设计强度,为钢管混凝土结构模型。

(3)拱肋施工完毕后,拱肋混凝土将骨架钢管及内灌混凝土包裹于拱肋之内,形成劲性骨架钢筋混凝土结构,其受力模式与型钢混凝土结构类同。

根据施工实际加载历程,对结构内力、应力和位移进行叠加。

4.1.3 主要计算结果

桥面纵梁静活载挠度0.85 mm,挠跨比1/15 294,桥面纵梁梁端转角0.28‰<2.0‰rad；均满足规范要求。

纵梁主要截面抗弯计算结果见表3，均满足规范要求。

表3 纵梁主要截面抗弯计算结果

本桥拱上立柱墩均按钢筋混凝土墩设计,11号立柱墩墩高25.35 m。对墩身进行检算后,混凝土最大压应力7.6 MPa,钢筋最大拉应力49.1 MPa,钢筋最大压应力72.7 MPa,裂缝宽度0.054 mm,均满足规范要求。

考虑纵梁及桥面荷载等因素对拱肋变形的影响,拱上立柱支撑垫石顶面需预设超高值,具体设置见表4。

表4 立柱墩顶垫石预设超高值 mm

拱肋L/4处活载位移：-0.015 6 m(向下),0.012 3 m(向上)；静活载产生的上下挠度(绝对值)之和为：0.015 6+0.012 3=0.027 9 m<140/800=0.175 m,满足规范要求。

拱肋应力见表5。

表5 拱肋主要截面计算应力 MPa

拱肋计算最大裂缝宽度0.195 mm,均满足规范要求。

4.2 动力特性分析

结构第一阶振型为梁拱面外横摆,自振频率f=1.03 Hz,周期小于1.7 s,横向刚度大；振型如图4所示。结构第二阶振型为梁拱反对称竖弯,自振频率f=1.06 Hz；振型如图5所示。计算表明拱上立柱间横联对结构横向刚度影响较明显。

图4 第1阶自振特性

图5 第2阶自振特性

4.3 屈曲模态

恒载及静活载作用下,结构线弹性屈曲第1阶模态见图6。屈曲系数为12.7。

图6 1阶弹性屈曲模态

5 主桥施工步骤

拱肋的施工方法主要有转体施工法和缆索吊装法,若采用转体法施工,拱肋外包混凝土、拱上立柱、纵梁等仍需缆索吊装设备,因此本桥采用缆索吊装法施工,节省转体设备。施工步骤如下。

(1)采用缆索吊施工钢骨架

工厂加工钢骨架后运至现场,利用缆索吊架设钢骨架及横撑钢骨架,并合龙。钢骨架合龙温度15～20 ℃。

(2)拱肋对称灌注C55微膨胀混凝土

由拱脚向拱顶对称灌注C55微膨胀混凝土,并采取措施保证钢管混凝土填充密实。混凝土应具有良好的泵送性能和微膨胀性,抵消混凝土收缩。

(3)钢管混凝土灌注、养生完毕后,在钢骨架上安装模板,绑扎钢筋,浇筑拱肋混凝土。拱桥拱肋外包混凝土采用“四环六面”法施工(图7)。

“四环”即是将拱肋截面沿拱轴分作底板、下倒角、侧板、上倒角和顶板四环,每次施工一环。下一环施工须待上一环混凝土养护一个龄期后进行。

“六面”即是将每一环沿拱轴分作6段(即6个工作面),段与段之间留50 cm间隔槽,待各段施工完毕再封槽。浇筑混凝土时,6个工作面同时施工(由拱脚向拱顶),完成该环混凝土的浇筑。

(4)施工拱上立柱。

(5)脚手架现浇桥面纵梁。

图7 拱肋“四环六面”法施工示意(单位：cm)

6 结语

目前该桥施工正在进行中,预计2年后建成通车。该桥拱肋采用劲性钢管骨架,缆索吊装合龙,挂模施工外包混凝土,较好地解决了桥下山坡陡峻、河谷水深等不利条件对施工的影响的干扰。成桥状态钢管骨架包裹于混凝土之内,后期维修养护小,且造型美观。拱肋采用提篮式箱形截面,拱肋及立柱间设置横撑,不但能够合理有效降低工程投资,适应铁路桥梁桥面宽度小的问题,且能很好地满足时速200 km铁路桥梁对纵横向刚度的要求,动力性能优越。综上,劲性骨架混凝土拱桥跨越能力强,造型美观,结构刚度大,后期维修养护小,在铁路建设上有较好的应用前景。

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