拉日铁路年楚河特大桥V形刚构加拱组合结构设计

文 强

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 工程概况

拉日铁路年楚河特大桥位于日喀则车站以东约1.5 km处，为跨越年楚河而设，距日喀则市仅4 km，桥址处地势开阔、平坦，湿地遍布，风景优美。年楚河主河槽宽约110 m，桥位处设计流量Q1%=736.2 m3/s。河道两侧为较规整的干砌片石河堤，可供小型车辆通行，两岸均为湿地及耕地。线路与年楚河斜交15°。年楚河特大桥全长1 106.5 m，由于距离日喀则车站较近，线路高程受到限制，为满足河堤道路净空要求，主桥结构高度限制较严，再考虑到当地特色浓郁的自然及人文景观要求，经过初步设计阶段的技术方案比选，最终确定以(60+148+60) m V形刚构加拱组合结构跨越年楚河主河槽，两侧引桥均为32 m简支梁。年楚河主桥总体布置见图1，效果图见图2。

图1 年楚河主桥总体布置(单位：cm)

图2 年楚河主桥效果图

设计标准为单线Ⅰ级铁路，中-活载，设计速度为120 km/h客货共线。地震动峰值加速度值采用0.15g，地震动反应谱特征周期采用0.45 s，桥址主要地层为：第四系全新统冲积粉土、细砂、中砂、粗砂、砾砂、细圆砾土、粗圆砾土。

2 主桥结构构造

2.1 V构及主梁

V撑外侧斜腿与竖直面夹角为54°，内侧斜腿与竖直面夹角为42.8°，截面采用矩形实心截面，横桥向宽9.7 m，厚2 m，斜腿根部与梁底面设圆弧倒角平顺相接。V构底部至梁顶高11 m，V构底部沿横向设2个支座。

主梁采用C55混凝土，单箱单室直腹板截面，主跨跨中80 m及边跨端部24.85 m范围内梁高为3 m，V墩两斜腿支撑处理论梁高为4.6 m，梁高按1.8次抛物线变化；箱梁顶面宽10.7 m，底面宽6.8 m；箱梁顶板厚40～60 cm，底板厚40～80 cm，腹板厚50～120 cm；主梁在V构内部梁高按圆弧变化，最小梁高为3.2 m；翼缘悬臂端部厚20 cm，根部厚60 cm。主梁在V撑斜腿顶部设2 m厚横隔板，共4道。主梁中跨标准截面见图3，V构部分外立面见图4。

图3 主梁中跨标准截面(单位：cm)

图4 V构部分外立面(单位：cm)

主梁采用纵、横、竖三向预应力体系。由于主梁采用支架现浇法施工，梁段较长，为防止预应力损失过多，纵向腹板束采用连接器分段张拉，除腹板束采用27-φ15.24 mm低松弛预应力钢绞线外，其余顶、底板束均采用19-φ15.24 mm低松弛预应力钢绞线。箱梁横向预应力采用 5-φ15.24 mm低松弛预应力钢绞线，间距50 cm，单端交错张拉。竖向预应力采用精轧螺纹钢筋。

2.2 拱肋

拱肋采用1.8次抛物线，计算跨度134 m，矢高39.3 m，矢跨比f/L≈1/3.4，两榀拱肋横向间距7.6 m，采用变高度哑铃形截面，内填C55微膨胀混凝土，拱肋钢管外径为1.2 m，壁厚20 mm，拱脚处上下弦管中心间距1.97 m，拱顶处上下弦管中心间距4.0 m。腹板采用厚度22 mm的钢板，间距80 cm。拱肋中心线方程为：y=0.020 299x1.8(m)，拱肋中心最高点距桥面36 m。 缀板间除拱脚面以外2 m范围及吊杆纵向1.5 m范围灌注混凝土外其余均不灌注混凝土。两榀拱肋间共设7道横撑，拱顶处设1道 “I”字形撑，其余6道为“K”字形撑，横撑均为空钢管组成的桁式结构。拱顶处拱肋截面见图5。

图5 拱顶处拱肋截面(单位：mm)

2.3 吊杆

2.4 桥墩及基础

V构下部设支座，支承于承台加台上，承台尺寸为12.5 m×17.25 m×4 m(纵×横×高)，主墩设12根φ1.8 m钻孔灌注桩。

3 主桥结构分析

3.1 静力分析

采用有限元软件进行计算，主梁及拱肋、横撑均采用梁单元模拟，吊杆采用杆单元[1]，建立空间有限元模型，计算参数取值如下。

自重：按结构实际尺寸及材料容重取值；二期恒载：90 kN/m；活载：中-活载，动力系数按铁路规范计算，取1.07；混凝土收缩徐变：主梁混凝土按铁路桥规(TB10002.3—2005)的规定，并结合公路规范(JTG D62—2004)计算收缩徐变系数，预应力加载龄期按14 d，环境相对湿度按70%考虑，管内混凝土的收缩按照环境降温考虑；管内混凝土徐变计算较复杂，且目前各国规范对这一问题有不同的认识，本桥拱肋按照换算截面计算，对拱肋混凝土徐变简化处理为将拱肋混凝土强度容许值乘以折减系数[2，12]；基础不均匀沉降按相对位移1 cm考虑；温度变化作用：体系均匀升降温参考当地的气象资料，按±20 ℃考虑，非均匀温度变化简化按箱梁顶板升温5 ℃考虑[9，10]。

3.1.1 主梁静力检算

分别对主梁施工阶段及运营阶段的应力、强度、抗裂性及变形进行检算，计算结果如下。

(1)主力作用下：运营阶段主梁截面最大压应力为13.28 MPa，最小压应力为2.0 MPa；最小强度安全系数为2.23；最大主压应力为10.9 MPa，最大主压应力为1.47 MPa；上下缘最小抗裂安全系数分别为1.46、1.64，各项指标均满足规范要求。

(2)主力+附加力作用下，主梁截面最大压应力为13.77 MPa，最小压应力为1.1 MPa；最小强度安全系数为2.04；最大主压应力为11.35 MPa，最大主压应力为1.66 MPa；上下缘最小抗裂安全系数分别为1.39、1.55，各项指标均满足规范要求。

(3)在净活载作用下，中跨最大挠度2.2 cm，边跨最大挠度1.84 cm，挠跨比满足规范要求。

城乡规划是一项基础性的工作，它对城市的建设和运行发挥着至关重要的作用，目前，城乡地理空间布局仍然是城乡规划所关注的重点，因此，城乡规划的顺利开展离不开测绘数据的支撑和保障。对海量数据进行快速的采集、存储、加工、解析、价值提取以及集成展示是测绘地理大数据最核心的价值，我们可以把测绘地理大数据比作成城乡规划工作的一种矿产资源，它为城乡规划业务带来了新的分析手段。总的来看，测绘地理大数据条件下的城乡规划具有以下特点：

3.1.2 拱肋静力检算

钢管混凝土拱肋采用换算截面，算得钢管及管内混凝土应力见表1。

表1 拱肋钢管及混凝土应力(受压为正) MPa

从表1可以看出，拱肋均处于受压状态，应力满足规范要求。

对结构在主力作用下的屈曲模态进行了分析，一阶失稳模态为主拱横向失稳，安全系数为10.2。

3.1.3 吊杆检算

主力作用下吊杆应力最大值为338.5 MPa，强度安全系数最小为4.9，活载应力幅最大为79.5 MPa。

3.1.4 V撑底部局部应力分析

本桥V撑不对称，底部构造复杂，上部结构荷载通过V撑两肢向下传递于交汇处，且支座反力较大，在V撑两肢内力与支座反力共同作用下，V撑底部受力极为复杂，平面单元难以真实的模拟实际结构，采用三维实体单元对V构局部进行模拟，计算模型如图6所示。

图6 V构底部有限元实体模型

设计中以计算结果为参考，对V构底部纵横向均设预应力粗钢筋，且加强普通钢筋及构造措施，保证结构的局部安全。

3.2 动力分析

3.2.1 自振特性

对主桥建立有限元模型，梁体及拱肋均采用梁单元模拟，吊杆采用杆单元，计算处主桥前5阶振型见表2。

表2 主桥前5阶振型特点及自振周期

3.2.2 结构抗震

根据桥址处地质勘察资料，桥址处地震动峰值加速度为0.15g(相当于地震基本设防烈度Ⅶ度)，反应谱特征周期为0.40 s，结构抗震主要检算制动墩的桩基，按《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006)，分别计算恒载与纵、横向水平地震作用的组合[7]。根据计算结果，桩基受主力控制。

3.2.3 车桥耦合动力仿真分析

建立车-线-桥空间有限元模型，考虑桩基与土层的相互作用，对该桥在普通旅客列车(SS8机车)和C70货车作用下的车桥空间耦合振动进行了分析，结果表明：在普通旅客列车(SS8机车)以速度80～140 km/h范围通过年楚河大桥时，竖向和横向舒适性均达到“优”或“良”；在C70货车以速度60～120 km/h范围通过年楚河大桥时，竖向和横向平稳性均达到“优”或“良”[5]。

4 主桥施工步骤

主桥采用先梁后拱施工顺序[8]。V形刚构采用支架现浇方案，共分7个梁段，分段浇筑；主梁合龙后利用桥面作为临时工作面，搭建拱肋拼装支架及工作平台，吊装拱肋节段；按设计要求调整拱肋高程及线型，保证拱肋安装精度；由拱脚向拱顶对称灌注拱肋钢管内混凝土；待管内混凝土达到设计要求后，安装吊杆，并按设计吨位对称张拉吊杆；拆除支架，施工桥面附属结构。

5 结语

V形刚构加拱组合结构，将大跨预应力混凝土V形连续刚构和拱桥2种体系有机的结合在一起。梁拱共同受力，一方面，通过拱及吊杆对跨中的加强作用，可减少V构梁高和边跨跨度，改善了组合结构体系整体长期变形和受力状态；另一方面， V构改善了吊杆的应力幅及拱的抗疲劳性能，增强了结构的稳定性[3]。V形刚构加拱组合结构具有二者的优点，既能满足此处特殊的景观要求，又能在结构上合理的满足实用功能，也为铁路大跨桥梁结构提供了一种新型的桥型结构。

[1] 王鹏宇，刘振标.广珠铁路虎跳门特大桥主桥连续刚构拱设计[J].铁道标准设计，2011(8):43-56．

[2] 陈宝春. 钢管混凝土拱桥[M].北京：人民交通出版社，2007．

[3] 郑健.中国高速铁路桥梁[M].北京：高等教育出版社，2008．

[4] 铁道部工程设计鉴定中心.2000～2010中国铁路大桥资料选编[Z].北京：铁道部工程设计鉴定中心，2011．

[5] 西南交通大学桥梁结构振动研究室. 新建铁路拉萨至日喀则线年楚河大桥车桥耦合动力仿真分析报告[R].成都：西南交通大学桥梁结构振动研究室，2011．

[6] 铁道部第一勘测设计院，兰州铁道学院. 涵洞与拱桥[M].北京：中国铁道出版社，1994．

[7] 中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50111—2006 铁路工程抗震设计规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

[8] 孙潮，陈宝春，陈友杰.钢管混凝土拱桥转体施工方法[J].工程力学，2001(S)：515-519.

[9] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.3—2005 铁路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[10] 中华人民共和国交通部.JTG D62—2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[11] 陈宝春. 钢管混凝土拱桥设计与施工[M].北京：人民交通出版社，1999．

[12] 陈宝春，黄卿维.600 m跨径混凝土拱桥的试设计研究[J].中外公路，2006(1)：80-82．