青龙山特大桥空间异形刚架桥设计及优化

刘媛

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

青龙山特大桥空间异形刚架桥设计及优化

刘媛

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

空间刚架结构采用墩梁固结的构造，在竖向荷载作用下，能够利用固结端的负弯矩降低梁的跨中弯矩，从而达到减小梁高的目的。在桥下净空受限的情况下，根据刚架结构的力学特点，进行形状优化可极大地改善线路条件，更好适应地形。结合青龙山特大桥的设计，介绍了空间刚架结构的特点及不同桥式方案的选择。采用有限元方法对选取1号节段刚架进行验算，结果表明刚架各控制点参数均满足标准要求。空间异型刚架桥方案可为线路夹角小、净空受限的桥梁工程施工设计提供有益参考。

桥梁工程；空间异形刚架；方案比选；设计；优化

1 工程概况

图1 平面布置图（单位：cm）

2 结构选择

2.1 门式墩+连续梁

方案一：连续梁梁高 2.5m，门式墩盖梁高 3.5m，考虑支座后结构总高度为2.5+3.5+0.65=6.65m。

方案二：将连续梁嵌入门式墩中做成隐盖梁，结构总高度为3.5m。

上述方案设计如图2(a)和(b)所示。

图2 门式墩+连续梁方案（单位：cm）

2.2 门式刚架

刚架顶板厚度为0.9m，边墙1.0m。

图3 门式刚架方案（单位：cm）

如图 3所示，采用门式刚架，结构高度最小，可在满足桥下净空的条件下，为优化线路纵坡提供条件。

3 结构设计

3.1 空间刚架结构

Teece （1986）［11］认为协调柔性是提高企业技术创新能力的重要因素。资源的有效获取和利用是企业保持竞争优势的关键因素，协调柔性的提高可以使企业将所获取资源进行高效利用，并将其用于生产中，快速进入新市场，促进企业的技术创新能力提升。

空间刚架通过边墙与顶板的刚性连接，边墙与承台及桩基与承台的固结，形成空间无底板的空间门式刚架结构。由于采用了墩梁固结措施，提高了工程的经济性，且施工过程不发生进行体系转换。在竖向荷载作用下，利用固结端的负弯矩降低了梁的跨中弯矩，从而达到减小梁高的目的。边墙平行于既有线设置，在新线下采用了加宽设计，形成了一个异形刚架。边墙采用部分掏空设计，在既有线通车后既满足了采用需要，也满足了景观要求。

3.2 刚架结构设计

为更好地适应地形及线路的要求，刚架划分5个阶段。刚架顶面宽16～20.7m，道砟槽内侧宽4.6m，线路左侧设声屏障，右侧为栏杆，两侧人行道宽度为1.05m。1号节段线路左侧刚架设1.35～0.525m悬臂，3～5号节段线路右侧设2.1～0.525m悬臂。刚架顶板厚0.9m，顶板与与刚架边墙连接处设50×150cm的梗斜。边墙厚度为1m，高10.5m～12.5m。如图4所示。

图4 空间刚架布置（单位：cm）

4 模型计算

4.1 计算方法

刚架桥空间模型采用有限元分析软件Midas Civil进行计算，根据纵横梁传力体系，采用三维梁单元模拟刚架结构。各构件间通过刚臂链接。采用土弹簧模拟桩土的相互作用。利用虚拟梁单元建立车道，进行活载加载。选取 1号节段刚架进行验算。

4.2 模型建立

1号节段净跨度为14m～19.203m，两侧边墙纵向长度分别为29.136m，24.373m，边墙高度分别为10.5m，12.5m。在建立模型时，将刚架简化为净跨径19m，纵向长度29m的模型进行计算，得到的结果应是偏于安全的。建立的异型刚架空间有限元模型如下图5所示。

图5 刚架桥空间计算模型

4.3 计算结果分析

表1 主力作用下1号刚架控制截面配筋及应力表

表1计算结果均满足[δf]=0.2mm，[σc]=13.5 MPa， [σs]=210MPa的要求。

表2 主力+附加力作用下1号刚架控制截面配筋及应力表

表2计算结果均满足[δf]=0.24mm，[σc]=13.5 MPa，[σs]=210MPa的要求。

经计算，刚架梗斜两侧、开孔处剪应力均小于[σtp-2]=0.9MPa，可不按构造配筋。计算结果如表3所示。刚架边墙处的主拉应力均小于[σtp-2]=0.9MPa。

表3刚架顶板控制点剪应力结果

上述结果表明，异型刚架桥的各控制参数均满足设计规范要求[1-3]。

5 结论

（1）针对青龙山特大桥工程现状，为避免影响既有线运营，在青符联络线右侧(LK4+000-LK4 +830)设置施工便线，并进行了方案设计与比选，墩梁固结措施提高了工程的经济性，降低了梁的跨中弯矩，达到了减小梁高的目的；

（2）有限元计算结果表明，所选方案满足施工期间的运营线安全要求。因此在交叉角度小，桥下净空受限的条件下，采用空间刚架结构不失为一种合理的选择。

[1] TB10002.1-2005,铁路桥涵设计基本规范[S]

[2] TB10002.3-2005,铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].

[3] TB10002.4-2005,铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范[S]

[4] TB10002.5-2005,铁路桥涵地基和基础设计规范[S]

[5] TB10005-2010,铁路混凝土结构耐久性设计规范[S]

[6] 王昌鹏.京沪高速铁路北京特大桥跨西黄右线空间刚架结构分析[J].铁道标准设计,2010(3)：62-64

Design and Optimization of Special-shaped Spatial Rigid Frame in Qinglongshan Bridge

LIU Yuan
(China Railway Shanghai Design Institute Group Co.,Ltd. Shanghai 200070,China)

Mid-span moment of spatial rigid frame which adopts the fixed pier beam system is reduced as a result of the negative moment of the fixed end, so the height of the beam is decreased. With insufficient of the clearance under bridge, shape optimization taking advantage of the spatial rigid frame can improve line’s ability of adapting the restriction of geography. According to the design of Qinglongshan Bridge, structure feature of spatial rigid frame was introduced and a scheme comparison of different bridge types was performed. Finite element software Midas was sleeted to calculate the rigid frame, and the results showed that the design scheme can satisfied requirement of strength, stiffness and stability .The paper may offer some references for the similar engineering with small angle and limited clearance.

bridge construction; special-shaped spatial rigid frame; scheme comparison; design; optimization

TU7

B

1007-6344（2015）08-0094-02

刘媛(1979-)，女,汉族,河南陕县人,硕士，工程师，从事结构分析与桥梁设计研究