铁路双线钢管混凝土拱梁组合体系桥梁设计

・桥粱・铁路双线钢管混凝土拱梁组合体系桥梁设计郭丰哲，苏国明（中铁第五勘察设计院集团有限公司桥梁院，北京１０２６００）摘要：针对钢管混凝土拱梁组合体系的特点，对某跨径为８０ｍ的铁路双线钢管混凝土拱梁组合体系桥梁的设计进行介绍，采用专业有限元软件ＭＩＤＡＳ对静力、屈曲、自振特性、桥面无车时的吊杆更换、拱的施工阶段及纵横梁配筋进行空间仿真分析，通过计算分析验证了设计的合理性，并提出相关建议。关键词：钢管混凝土；拱梁组合体系；拱桥；设计中图分类号：Ｕ４４８．２２文献标识码：Ａ文章编号：１００４—２９５４（２００８）０９—００５３—０４１概述钢管混凝土拱梁组合体系桥梁是拱桥和梁桥的结合体，集两者的优点于一身。一方面充分发挥拱式结构和钢管混凝土结构抗压性能好的特点，拱在水平力作用下主要承受压力，拱内弯矩、剪力大大减少；另一方面通过合理布置吊杆，梁的弯矩减少，恒载大部分转换成拱的轴力，适当调整吊杆张拉力，可使成桥状态梁拱受力合理、均匀。整桥外部无推力，可在软土地基上修建，而且拱挺拔的外形增加了桥梁的美观，突出了桥梁的美学效果。笔者以一座跨径为８０ｍ的下承式钢管混凝土拱梁组合体系桥梁为例来说明其设计过程及特点。２主要技术标准（１）铁路等级：Ｉ级。（２）正线数目：双线，线间距４．４ｍ。（３）设计速度：客车２００ｋｍ／ｈ，货车１２０ｋｍ／ｈ。（４）桥面宽度：挡碴墙内侧净宽８．８６ｍ，桥上人行道栏杆内净宽１５．６６ｍ，梁顶面宽１６．２０ｍ。（５）设计活载：中一活载。（５）地震动参数：地震动峰值加速度０．０５９；抗震设防烈度为６度。３结构构造特点本桥为单孔预应力混凝土系梁拱结构，属于外部静定，内部超静定结构。计算跨径Ｌ＝８０ｍ；拱轴线为二次抛物线，矢跨比∥Ｌ＝１／５，矢高１６ｉｎ。主拱概图收稿日期：２００８—０４—２３；修回日期：２００８—０５—１９作者简介：郭丰哲（１９８１一），女。工程师。２００５年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士。铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹＳＴＡＮＤＡＲＤＤＥＳＩＧＮ２００８（９）万方数据◆寸堕ｊＪ！；垫＾！！ｊ塑ＪＩ１２１丝Ｊ（ａ）主拱半立面氧Ｉ苎至墨型兰Ｊ∞主拱半平面图１主拱概图（单位：ｃｍ）对于本桥来说，拱肋截面刚度Ｅ１。＝４．６４×１０７ｋＮ・ｍ２，系梁的截面刚度为Ｅ１。＝１．５３ｘ１０８ｋＮ・ｍ２，因此，Ｅ１。／Ｅ，ａ＝３．３，属于刚性系杆刚性拱结构。主要结构构造及特点如下。（１）拱肋采用哑铃型钢管混凝土，高２．８ｍ，每个钢管外径１．０ｍ，钢管壁厚１６ｍｍ，钢管内充Ｃ５０混凝土；腹腔宽０．６０ｍ，高１．２ｍ，壁厚２０ｍｍ，腹腔内不灌注混凝土。为防止拱肋在吊装和运输过程中变形，在弦杆钢管内设置了加强构造。拱肋截面如图２所示。Ｉ！鲤Ｊ图２拱肋截面（单位ｉＣｆｆｉ）在腹腔内，为了保证腹板局部稳定，吊杆位置处设置，＃８００ｍｍｘ１４ｍｍ竖向钢管，其余位置处间隔２Ｉｎ左右设置４，５６０ｍｍｘ１０ｍｍ径向钢管。如图３所示。５３万方数据郭丰哲，苏国明一铁路双线钢管混凝土拱梁组合体系桥梁设计４．４其他施工要点施工过程中对钢管拱的制作安装精度、焊接质量、合龙状态、拱肋轴线、钢管内压注混凝土密实度、预应力施加、吊杆应力及各控制截面应力应变等进行监控，确保成桥符合设计要求。５结构仿真分析５．１计算模型全桥空间结构分析采用ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌ２００６进行。全桥共划分为２７８个节点，４５０个单元。其中梁体部分采用纵横梁体系模拟，吊杆采用桁架单元模拟。拱桥整体计算模型如图５所示。图５结构计算模型钢管混凝土作为一种复合材料，其工作性能取决于钢管的套箍作用，特别适合于轴心受压构件。在结构分析时，程序将其模拟为一种材料，具体做法是：混凝土换算为钢，将混凝土按一定的弹模比（铁路上一般取ｎ＝１０）进行面积换算，从而计算出钢管混凝土的换算截面特性。５．２计算内容（１）静力计算，包括系梁和拱肋的强度、变形以及吊杆应力等；（２）屈曲分析；（３）自振特性分析；（４）桥面无车时的吊杆更换分析；（５）对主梁进行配筋。５．３计算荷载５．３．１恒载梁体自重计算：钢材容重采用７８．５ｋＮ／ｍ３；桥面系混凝土容重采用２６ｋＮ／ｍ３；拱肋混凝土容重采用２５ｋＮ／ｍ３。二期恒载按１７９ｋＮ／ｍ计算。混凝土收缩的影响，根据《铁路桥涵设计基本规范》（ＴＢｌ０００２．１—２００５），按混凝土降低温度１０℃考虑。混凝土收缩、徐变影响按老化理论进行计算。５．３．２活载列车荷载采用中一活载。列车活载动力系数如下：・＋而％１＋半）＝铁道标准设计ＲＡ／ＬＷＡＹＳＴＡＮＤＡＲＤＤＥＳＩＧＮ２００８（９）万方数据・桥粱・－＋而‰１＋譬竽）“２５式中Ｌ——拱桥的跨度，ｍ；Ａ——计算跨度，ｍ；产．拱的矢高，ｍ。横向摇摆力取１００ｋＮ的一个集中荷载作用在最不利位置，以水平方向垂直线路中线作用于钢轨顶面。多线只计任一线上的摇摆力。空车时不考虑横向摇摆力。５．３．３附加力风力按《铁路桥涵设计基本规范》（ＴＢｌ０００２．１—２００５）第４．４．１条计算。日照温差：桥面以上拱肋与桥面以下梁体的温度差为１５℃；体系升温、降温：拱肋及系杆合龙温度按ｌＯ～１５℃考虑；体系升温按整体升温２８℃；体系降温按整体降温５２℃；两侧拱肋温差：１０℃。荷载组合对照《铁路桥涵设计基本规范》（ＴＢｌ０００２．１—２００５）进行，分为主力、主力＋附加力两种组合。５．４计算结果５．４．１系梁强度主梁按照全预应力混凝土构件设计，为防止系梁应力过大，系梁预应力随着施工荷载的增加分两次张拉。系梁各部位在运营状态下的应力如表１所示。表１系梁应力汇总ＭＰａ５．４．２结构刚度分析双线静活载下的挠度值为２８．５ｒｔｌｍ，小于Ｌ／９００＝８８．９ｍｍ。在拱桥的１／４跨度处，由列车竖向静活载所产生的上下挠度（绝对值）之和为１５．２Ｉｌｌｍ，小于计算跨度的１／８００＝１００ｍｍ。在列车横向摇摆力、风力和温度作用下，梁体的水平挠度为４．１２ｍｍ，小于或等于Ｌ／４０００＝２０ｍｍ。梁体工后徐变的上拱值为８．７ｍｍ＜２０ｍｍ。５．４．３吊杆应力考虑到吊杆的疲劳及行车振动，吊杆按照安全系数Ｋ＝３．０来进行设计，按照容许应力法，吊杆的最大应力约为５５１ＭＰａ。计算得出，在主力＋附加力作用下，吊杆的最大应５５郭丰哲，苏国明一铁路双线钢管混凝土拱梁组合体系桥梁设计・桥梁・力为５１２ＭＰａ，满足要求。吊杆最大应力幅为１４８．４ＭＰａ，满足小于２００ＭＰａ的要求。５．４．４空间稳定性分析本桥采用三维有限元程序计算，拱肋、系梁、横梁为空间梁单元，吊杆为柔性单元，桥面系仅考虑自重。分析得出：在恒载及静活载作用下，一阶线弹性屈曲系数Ｋ＝９．７３，失稳模态为拱肋同侧倾斜。５．４．５自振特性计算自振频率采用ＭＩＤＡＳ程序进行空间建模分析，考虑二期恒载的影响，前五阶自振特性如表２所示。表２拱桥前五阶自振特性自振振型与频率分析可见：第一阶振动为拱平面外的侧向振动，第三阶为主梁在面内的竖向振动；面内、面外振动基频分别为２．２２２２Ｈｚ和１．３７４６Ｈｚ。两者的比值为１．６１６７。这说明桥跨结构面外侧向振动影响略强于面内竖向振动，同时面外稳定性要弱于面内稳定性。主梁竖向基频为２．２２２２Ｈｚ，满足不小于限值‰＝２３．５８Ｌ“‘”２＝１．７６２Ｈｚ。。５．４．６横梁及小纵梁横梁计算采用西南交通大学桥梁分析软件ＢＳＡＳ进行，按完全的简支体系和考虑嵌固效应的简支体系两种体系进行计算。嵌固弯矩从整体计算的ＭＩＤＡＳ模型中进行提取。横梁的预应力配置不同，共分为端横梁、靠近支点的中间横梁、其余的中间横梁３种。小纵梁的计算采用ＭＩＤＡＳ程序进行。小纵梁为钢筋混凝土结构，以吊杆间距为一跨，选取五跨结构进行计算，提取计算后的支点及跨中弯矩，对其进行配筋。５．４．７更换吊杆在桥上无车的情况下，逐对拆换吊杆，其主梁、拱肋及拱圈的应力均满足要求。５．４．８拱的施工过程的模拟在ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌ２００６中，利用“施工阶段联合截面”的功能，钢管混凝土拱肋也可以模拟其施工过程，按照先施工空钢管，然后顶升上管混凝土，最后顶升下管混凝土的过程进行模拟，考虑弹模比的折减，经过计算，拱圈应力满足规范要求。万方数据５．４．９拱肋稳定性验算本桥在主力＋附加力作用下，设计水平推力Ｈ：，为１９１７９ｋＮ。根据《铁路桥涵设计基本规范》（ＴＢｌ０００２．１—２００５）第５．２．１３条规定，按无铰拱进行计算。拱肋的临界水平推力日。，计算公式如下比＝等式中ＥＪ，——拱截面的面内抗弯刚度；厶——拱肋的计算长度，按《铁路桥涵设计基本规范》（ＴＢｌ０００２．１—２００５）第５．２．１３条规定，厶为３１．６ｍ。由上式计算得拱肋面内失稳临界水平推力Ｎ。，＝４５５６７５ｋＮ。因此，拱肋面内稳定系数为：日。，／Ｈ。，＝４５５６７５／１９１７９＝２３．８，满足面内稳定性的要求。上述结果并未考虑吊杆对面内稳定的有利作用，如计入吊杆的作用，结果会更大，这也定性上与有限元的计算结果中前十阶内均未出现面内的失稳的结论一致。６结语综合以上对一跨径８０ｍ的铁路双线下承式简支拱桥的设计、计算等的分析，有以下的设计体会。（１）采用先梁后拱法施工跨高速公路的钢管混凝土拱桥，减少了施工时跨高速公路吊装作业，而且不影响高速公路的通行。（２）主梁分段施工，后浇段采用无收缩混凝土，可以避免其因为收缩变形而产生裂缝。钢管拱肋在系梁上拼装，更加安全可靠。（３）在腹腔内设置竖向或径向钢管，不仅可以增大拱肋的刚度，防止腹板的局部失稳，并能有效地传递剪力，而且，由上下弦钢管、竖管、缀板形成的错落有致的拱肋断面，增加了桥梁的美观。（４）拱脚部位受力复杂，应对其进行局部实体建模分析，并以计算结果来指导配筋。参考文献：［１］陈宝春．钢管混凝土拱桥施工与设计［Ｍ］．北京：人民交通出版社．１９９９．［２］贾军政，王明，马国刚，等．兰州市雁盐黄河大桥主桥的一些设计特点［Ｊ］．桥梁建设，２００３，（２）：４１—４３．［３］ＴＢｌ０００２．１—２００５．铁路桥涵设计基本规范［ｓ］．［４］ＴＢｌ０００２．３—２００５．铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［ｓ］．［５］杜士杰，宋宏祥．龙屯路立交钢管混凝土简支系杆拱桥主桥设计研究［Ｊ］．铁道标准设计，２００６（９）：５６—５９．［６］李国豪．桥梁结构振动与稳定（修订版）［Ｍ］．北京：中国铁道出版社．１９９６．ＳＴＡＮＤＡＲＤＤＥＳＩＧＮ２００８（９）铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ