京杭运河特大桥连续梁拱组合结构设计

王法武

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

1 工程概况

宁启铁路复线电气化改造京杭运河特大桥位于扬州市，新建桥位于既有铁路桥南侧25 m左右。既有桥孔跨布置为:27－16 m先张T梁+5－32 m后张T梁+1－112 m下承式钢桁梁+28－32 m后张T梁。为对孔布置及降低结构高度，新建桥采用(65+114+65)m单线预应力混凝土连续梁与钢管混凝土拱组合结构。

京杭运河为Ⅱ级航道，通航净高7.5 m，最高通航水位7.13 m，最低通航水位3.33 m，通航净宽≥90 m，设计洪水位H1/100=7.51 m，设计流量为2 107 m3/s，设计流速为1.28 m/s，设计桥梁线路中心与京杭运河水流方向交角为2°。

主桥总布置见图1。

图1 主桥总布置(单位:cm)

2 主要技术标准

(1)线路等级:国铁Ⅰ级。

(2)线路情况:有砟轨道，单线，直线。

(3)牵引种类:电力。

(4)设计活载:“中－活载”。

(5)设计行车速度:客车200 km/h，货车120 km/h。

(6)地震动峰值加速度:≤0.15g。

3 结构设计

3.1 主梁构造

主梁桥面宽8.5 m，主墩顶桥面加宽至10.2 m。主梁采用单箱单室直腹板箱形断面，边跨及跨中梁高3.5 m，支点梁高6.0 m，梁高按二次抛物线变化。箱梁顶板厚0.4 m，在墩顶位置加厚至0.8 m;底板变厚度，边跨及跨中为0.35 m，主墩墩顶位置处为1.0 m，边跨墩顶位置处为0.8 m;腹板亦为变厚度，厚度分0.40 m、0.60 m、0.90 m三种，腹板厚度变化通过一个节段实现。

主梁共设置4道横隔板，边跨墩顶横隔板厚1.5 m，主跨墩顶横隔板厚3.5 m。在吊杆位置设吊杆横梁，共设12道吊点横梁，吊点横梁厚0.35 m。

主梁采用挂篮悬臂浇筑施工，节段划分主要考虑以下因素:①0号块长度应考虑拱脚构造和挂篮安装空间。②考虑工期紧张，适当加大节段长度。③吊杆中心至各梁段端部最好为一个定值，以方便施工。

主梁悬臂施工共分为13个节段。各节段长度分别为:0号节段长17 m，1号节段长3.5 m，2号～12号节段长4.0 m，合龙段长2.0 m，边跨现浇段长7.75 m。主梁横断面见图2。

图2 主梁横断面(单位:cm)

3.2 预应力布置

主梁采用纵、竖双向预应力。纵向预应力钢束在最大负弯矩区设置40束19－φs15.2 mm顶板束和26束16－φs15.2 mm腹板下弯束。中跨最大正弯矩区设置12束16－φs15.2 mm钢束，边跨最大正弯矩区设置14束16－φs15.2 mm钢束，边跨和中跨合龙段附近顶板均设置2束19－φs15.2 mm钢束。纵向预应力钢束标准抗拉强度fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，张拉控制应力 σcon=1 302 MPa。

竖向预应力筋采用φL25 mm高强度精轧螺纹钢筋，其标准强度830 MPa，锚下张拉控制力为346 kN。

3.3 拱肋

拱肋跨径114 m，理论矢高22.8 m，矢跨比为1/5，拱轴线为二次抛物线。拱肋采用钢管混凝土哑铃形截面，截面高度2.8 m，上、下弦管为φ800×16 mm钢管，腹腔由16 mm厚钢板组成，宽0.55 m。拱肋内灌注C50微膨胀混凝土。两片拱肋横向间距6.7 m。

3.4 吊杆

吊杆采用高强钢丝成品吊杆，每根吊杆采用73根φ7 mm双层镀锌高强钢丝，吊杆下端锚固于横梁底部，上端穿过拱肋锚固于拱肋上缘，吊杆于上端张拉。本桥吊杆力较小，采用单吊杆以简化设计和施工，吊杆顺桥向间距8 m，全桥共设12对吊杆。

3.5 风撑

两片拱肋之间共设置5道风撑，风撑采用钢管桁架结构，与拱肋固结。风撑钢管规格分别为φ450 mm×12 mm、φ250 mm ×10 mm。

4 施工方案

本桥主要施工步骤如下:

①施工0号节段，张拉预应力筋。安装挂篮。

②悬臂浇筑1～12号节段，张拉相应预应力筋，在施工12号节段的同时进行边跨现浇段施工。

③浇筑边跨合龙段混凝土，张拉预应力筋。

④安装中跨合龙段支架，浇筑中跨合龙段混凝土，张拉预应力筋。

⑤在桥面搭设临时支架，安装拱肋和风撑。

⑥将拱肋与临时支架脱离，依次灌注拱肋上弦管、下弦管、腹腔混凝土。

⑦安装吊杆，按设计顺序张拉吊杆。

⑧施工桥面系，调整吊杆力至设计值。

5 结构整体静力计算

5.1 结构体系分析

对于连续梁拱组合结构，梁拱刚度之比决定二者承担荷载大小。本桥梁拱刚度之比见表1。

表1 梁拱刚度之比

1/80＜E梁I梁/E拱I拱＜80，属于刚性梁刚性拱。在二期恒载q=89.3 kN/m作用下，全部吊杆力之和为3 630 kN，中跨二期恒载合计10 180 kN，拱肋承担荷载比例为3 630/10 180=35.66%。

分别建立中跨无拱肋加劲的连续梁模型(模型一)和中跨有拱肋加劲的连续梁拱模型(模型二)，考虑施工阶段，对比两种模型内力和位移。有、无拱肋加劲时主梁弯矩对比见表2。

表2 有、无拱肋加劲主梁弯矩对比 kN·m

从表2可见，当有拱肋加劲时，在列车活载作用下，边跨跨中、中跨跨中和中支点弯矩均明显减小;在恒载作用下，中跨跨中、中支点弯矩明显减小，边跨跨中弯矩略有增大。

有、无拱肋加劲时主梁列车活载位移对比见表3。

表3 有、无拱肋加劲主梁列车活载位移对比 mm

从表3可见，当有拱肋加劲时，在列车活载作用下，边跨跨中、中跨跨中位移减小，中跨跨中位移由91.9 mm减小至18.0 mm，拱肋显著提高了主梁竖向刚度。

5.2 主梁计算结果

(1)应力

主力组合下，上缘最小压应力1.09 MPa，最大压应力11.22 MPa;下缘最小压应力2.97 MPa，最大压应力13.12 MPa。主+附组合下，上缘最小压应力0.43 MPa，最大压应力12.17 MPa;下缘最小压应力2.10 MPa，最大压应力13.58 MPa。

(2)强度及抗裂

主力组合下，最小强度安全系数2.20，最小抗裂安全系数1.39，最大主拉应力1.25 MPa。

主+附组合下，最小强度安全系数2.13，最小抗裂安全系数1.35，最大主拉应力1.32 MPa。

(3)刚度

列车荷载作用下，中跨最大静活载挠度17.1 mm，挠跨比1/6 667;边跨最大静活载挠度16.7 mm，挠跨比1/3 892;梁端转角1.0‰。

5.3 拱肋计算结果

主力组合下，钢管上缘最大压应力83 MPa，最大拉应力8 MPa;下缘最大压应力132 MPa，最小压应力32 MPa。主 +附组合下，钢管上缘最大压应力85 MPa，最大拉应力11 MPa;下缘最大压应力136 MPa，最小压应力28 MPa。

主力组合下，混凝土上缘最大压应力4.39 MPa，最大拉应力2.36 MPa;下缘最大压应力2.71 MPa，最小压应力－1.31 MPa。主+附组合下，混凝土上缘最大压应力4.88 MPa，最大拉应力－2.85 MPa;下缘最大压应力3.07 MPa，最小压应力－2.03 MPa。

5.4 吊杆计算结果

主+附组合下，吊杆最大拉应力268 MPa，强度安全系数6.23＞3.0。吊杆最大活载应力幅142 MPa＜200 MPa。

6 动力特性分析

桥梁结构的自振特性是其固有特性，它是对桥梁进行抗震分析的基础，并对结构稳定有直接影响。采用Midas软件建立空间计算模型，主梁、拱肋及横撑采用空间梁单元，吊杆采用桁架单元。结构自振特性见表4。

表4 结构自振特性

从表4可见:结构第一阶频率为0.606 Hz，表现为拱肋横向弯曲振动;主梁竖向弯曲振动在第3阶出现，频率为1.79 Hz;主梁横向弯曲振动在第6阶出现，频率为2.261 Hz。

7 稳定计算

结构稳定计算与动力特性分析采用同一空间模型。计算表明:结构失稳表现为拱肋面外失稳。在自重+二期恒载+列车活载作用下，一阶失稳临界荷载系数为7.48，一阶失稳模态见图3。

图3 结构一阶失稳模态

8 结论

(1)连续梁拱组合结构可以较同等跨度连续梁显著降低建筑高度，并且主梁可以采用挂篮悬臂浇筑施工，拱肋在合龙后的桥面上进行架设，对航道干扰甚小，非常适合于跨越高等级航道。

(2)连续梁拱组合结构由于拱肋的加劲作用，主梁竖向刚度有明显提高。以本桥为例，由于拱肋的加劲，中跨跨中列车活载挠度由91.9 mm减至18.0 mm。

(3)连续梁拱组合结构失稳模态主要表现为拱肋面外失稳，本桥一阶失稳临界荷载系数为7.48。

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