朔准线黄河桥主桥拱上建筑结构研究

2012-07-30宋顺忱李凤芹

铁道建筑 2012年5期

关键词：跨度桥墩主梁

宋顺忱，李凤芹

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

文章编号:1003-1995(2012)05-0014-04

1 工程概况

2 拱上建筑结构形式

朔准铁路黄河特大桥为朔州至准格尔新建铁路重要工程，地处晋蒙交界，位于龙口水库大坝上游6.5 km。主桥采用380 m上承式钢管混凝土提篮拱，一跨跨越黄河，主桥立面见图1。黄河桥桥梁高度受到线路纵断面高程控制，除拱肋结构需要采用较小的矢跨比之外，拱上建筑在拱顶部位也需要采用较小的高度才能有效减小拱座基础岩体开挖量，降低工程造价和基础施工难度。

本文通过拱上建筑结构形式对上承式拱桥的静动力性能、工程造价、结构耐久性、养护维修等影响因素进行研究，为改善拱上建筑与拱肋的受力行为，提高结构的静动力性能及耐久性，为大跨度上承式拱桥拱上建筑结构形式选择提供依据。

2.1 拱顶建筑形式

上承式钢管混凝土拱桥拱上建筑结构形式一般有两种类型，第一种全部采用梁式结构，第二种拱顶部位采用∏型刚架或实体板，其它部位采用梁式结构。当拱顶采用跨度为24 m的预应力混凝土简支T梁时，桥面至钢管拱上弦杆中心的最小距离为4.1 m;若在拱顶采用刚架结构，桥面至钢管拱上弦杆中心的距离则只需2.0 m，两方案所需的拱上建筑高度见图2。

由图2可知，拱顶采用刚架结构不仅可以显著降低拱顶部位拱上建筑结构的高度，减小拱座基坑深度，而且其它部位的拱上桥墩高度均可以相应减小，同时，由于与拱肋连接良好的整体性，采用刚架对钢管拱拱肋应力和墩顶位移均有所改善。因此，在拱肋矢跨比受线路高程和地形条件限制时，拱顶宜采用∏型刚架或板式结构。

图1 桥梁立面图(单位:cm)

2.2 拱上主梁跨度与梁型选择

拱上主梁跨度较大时，传递给拱肋的集中力大、拱肋应力突变值大;跨度过小，由桥墩传递给拱肋的集中力可减小，但由于拱脚部位高墩多，不仅增加了施工难度，而且增加拱上建筑结构自重，对拱肋受力同样不利。因此，拱上主梁跨度一般在20～30 m左右。经比选，当主梁的计算跨度采用24 m时，拱肋内力分布匀顺，主梁的跨度与墩高协调性好、桥梁造型美观，因此，拱上建筑主梁跨度采用24 m。

图2 拱上建筑高度(单位:cm)

主梁结构形式一般为简支T梁、连续箱梁及连续结合梁等。连续结合梁与连续箱梁相比，结构自重较小，但后期养护维修工作量大，同时拱肋变形对连续结合梁支点负弯矩区混凝土桥面板受力非常不利;因此，主梁形式仅比选简支T梁和连续箱梁，横断面形式如图2(a)和图3。两种方案结构自重基本相同，主梁对拱肋的静力性能影响不大，但在二期恒载、徐变和活载作用下，拱肋结构存在较大的竖向变形，相邻桥墩支点变形值最大相差2 cm，拱上连续梁由于拱肋变形的影响，结构受力复杂。

图3 箱梁横截面(单位:cm)

2.3 拱上墩型选择对拱肋受力的影响

受钢管混凝土拱肋结构形式控制，一般拱上桥墩需空腹采用桁架式墩，可采用的墩柱形式有钢箱墩和混凝土空心墩，见图4。

拱上桥墩对拱肋结构受力的影响重点考虑钢墩与混凝土桥墩引起的拱肋应力的变化。

图4 钢箱墩与混凝土空心墩截面(单位:cm)

拱上钢箱墩和混凝土空心墩自重相差较大，采用钢箱墩与混凝土空心墩时相应的拱肋上、下弦钢管应力见图5和图6(拱轴系数为2.5)。计算结果表明，拱上桥墩重量减轻，对拱肋局部应力调整有利，虽然上下弦最大压应力有所减小，约降低5 MPa，但效果并不显著。

图5 拱肋上弦应力

图6 拱肋下弦应力

2.4 拱上建筑对动力性能的影响

在拱肋结构形式相同的情况下，对T梁与箱梁、钢墩与混凝土空心墩等不同形式的拱上建筑进行动力性能比选，自振频率计算结果如表1所示，车桥耦合动力计算结果如表2所示。

表1 第一阶横向及竖向自振特性对比

表2 车桥动力分析列车响应最大值汇总

由表1可知，虽然简支T梁与连续箱梁相比，其横向、竖向刚度小;钢墩与混凝土桥墩相比，其重量降低较多，但由于全桥结构刚度受拱肋刚度的影响较大，而受拱上建筑刚度的影响较小，因此，各种梁型与墩型方案自振频率相差不大。

由表2可知，箱梁钢墩方案与T梁混凝土墩方案相比，脱轨系数、轮重减载率及舒适性指标均比较接近，列车通过时桥梁的各项动力响应和列车的各项动力响应均满足要求。货车运行平顺性、旅客列车乘坐舒适性均达到“良好”标准以上，可保证列车行车的安全性。

2.5 拱上建筑对施工、养护维修和工程造价的影响

主梁无论是采用先简支后连续箱梁方案，还是采用预应力混凝土T梁方案，均可采用安装拱肋的缆索吊机架设。因简支T梁为标准梁，可以厂制，且施工方法较连续梁简单，其造价较低。

钢箱墩可采用预制拼装法施工，利用缆索吊机架设，施工工期短，架设安装方便;混凝土空心墩需采用现浇法施工，模板制作复杂，施工工期较长，但混凝土桥墩较钢墩后期的养护维修工作量小，且用钢量较小，工程造价较为节省。综合考虑主梁结构对拱肋变形的适应性、对拱肋受力及动力性能、施工工期、工程造价的影响，拱上主梁宜采用简支T梁，拱上桥墩宜采用混凝土空心墩。

2.6 拱上梁支座布置及纵向力传递体系研究

拱上桥墩承受列车制动力、长钢轨纵向力、风力、支座摩阻力和地震力等纵向水平力并传递给拱肋，对拱肋的内力有较大的影响;拱上桥墩墩顶纵向位移受拱肋变形的影响较大。拱上梁支座布置及相应的纵向力传递体系研究主要是通过分析不同支座布置方案，来降低拱上高墩的纵向水平位移，同时降低纵向水平力对拱肋受力产生的不利影响。

各支座布置方案见图7。方案一为一般简支梁的支座布置方式;方案二为拱脚G1号墩设双活动支座，5号交界墩和下坡端G4号桥墩设双固定支座，使高墩的纵向力由交界墩和较矮的拱上桥墩承受;方案三为靠近拱脚第一孔简支梁两端设置固定支座，使梁与桥墩形成刚架结构，借助于交界墩减小拱上高墩的纵向力。

方案一拱脚附近的G1和G2号高墩承受制动力、纵向地震力等纵向水平力，对拱肋的受力影响明显大于其他两个方案，且拱上高墩的墩顶位移较难控制。

主力+纵向附加力工况方案二和方案三桥墩纵向弯矩见图8。从图中可以看出，方案二第一孔简支梁的制动力和地震力大部分由交界墩承受，高墩墩底纵向弯矩小于方案三，墩顶位移也小于方案三;方案三借助于刚架受力体系和交界墩的水平抗推刚度，拱上高墩在制动力、风力和地震力等瞬时荷载作用下受力得到有效降低，但刚架受力体系在温度荷载作用下，主梁的温度变形得不到释放，在主梁和桥墩中将产生较大的温度次内力，使墩底纵向弯矩显著增加，高墩墩顶位移也相应增大。

通过以上研究可知，拱上简支梁支座布置及相应的纵向力传递体系对拱上高墩的纵向水平位移控制和拱肋受力影响较大，方案二是较为合理的纵向力传递体系。