杜硯江

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

系桿拱又稱為簡支梁拱組合體系。該體系有效地將梁和拱兩種結(jié)構(gòu)組合起來，共同承受荷載，充分發(fā)揮梁受彎、拱受壓的結(jié)構(gòu)特性及其組合作用，不僅能達(dá)到節(jié)省材料的目的，而且通過在系梁內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力，抵消拱肋推力，使橋墩(臺)無需承受推力。同時又由于下承式梁拱組合體系結(jié)構(gòu)大大降低了梁體建筑結(jié)構(gòu)高度，因此具有跨度大、結(jié)構(gòu)輕、美觀性、經(jīng)濟(jì)性、實用性等特點(diǎn)，在城市區(qū)域、受跨越高度限制區(qū)域被廣泛采用。但是由于系桿拱結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，施工難度大，施工工藝要求高等特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)還亟待在實踐中不斷探討和完善。

本文以某樞紐擴(kuò)能改造工程中壩大橋為例，對速度160 km/h雙線鐵路系桿拱的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計參數(shù)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)構(gòu)計算分析、施工步驟進(jìn)行了簡單的介紹。

1 工程概況

某樞紐中壩大橋位于中低山剝蝕、溶蝕地貌，河谷深切，呈“V”形，曲折蜿蜒，高程1120～1300 m，相對高差100～200 m，設(shè)計流量Q1/100=85 m3/s，隨季節(jié)變化大。河谷兩側(cè)植被茂密，以灌木為主，緩坡處多墾為耕地，陡壁處基巖大面積出露，有便道相通，交通條件較好。主橋斜跨既有雙線電氣化鐵路，斜交角度約36°(圖1、圖2)。線路小里程端為中壩滑坡，既有鐵路位于滑坡體下部以路塹通過。1977年施工開挖后曾發(fā)生多次工程滑坡及坍滑，最后以在路塹左側(cè)設(shè)置了10根抗滑樁及重力式抗滑擋墻進(jìn)行治理得以穩(wěn)定。擋墻上用片石護(hù)坡，并在塹頂及塹頂外30 m外共設(shè)排水溝兩道。既有線幾十年運(yùn)營過程中未見滑坡有明顯變形跡象。本橋正線線路軌底至既有鐵路軌頂高度15 m，小里程端橋臺位于滑體體上，對滑坡的穩(wěn)定有一定的影響。為減少擾動中壩滑坡、既鐵路抗滑樁，設(shè)計比較方案孔跨采用1×68 m預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱跨越。

圖1 橋址平面圖

圖2 橋跨總布置圖

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級:I級;

(2)設(shè)計速度:按旅客列車行車速度160 km/h條件設(shè)計;

(3)設(shè)計荷載:中－活載;

(4)正線數(shù)目:雙線;

(5)牽引類型:電力牽引;

(6)立交橋限界:

①鐵路控制建筑限界:橋梁建筑限界:橋限－2;

②橋下既有電氣化鐵路凈空7.44 m。

(7)橋位處地震動峰值加速度0.05 g，地震動反應(yīng)譜特征周期0.35 s。

3 1－68 m系桿拱設(shè)計方案

本橋為雙線大橋，位于直線，3.2‰上坡，線間距為4.2 m。主橋斜跨既有雙線電氣化鐵路，斜交角度約36°，正線線路軌底至既有鐵路軌頂高度15 m。為減少擾動中壩滑坡，跨越既鐵路路基抗滑樁和既有雙線鐵路，孔跨采用1×68 m預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱+1×24 m+4×32 m簡支梁。

3.1 主跨上部結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容

3.1.1 上部結(jié)構(gòu)

3.1.1.1 設(shè)計原則的確定

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對旅客列車運(yùn)行的舒適度、列車運(yùn)營的安全性及軌道的穩(wěn)定性的要求越來越高，因此橋梁的梁體剛度、變形、變位、自振頻率等對設(shè)計參數(shù)的選用具有重要控制作用。

(1)梁體的撓度:在雙線中－活載乘以動力系數(shù)作用下，梁體的豎向撓度不應(yīng)大于Lφ/3000=2.3 cm;在列車橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度力的作用下，梁體的水平撓度應(yīng)小于或等于梁體計算跨度的1/4000。

(2)梁端轉(zhuǎn)角:在雙線中－活載乘以動力系數(shù)作用下，梁體下?lián)系牧憾宿D(zhuǎn)角不應(yīng)大于1‰。

(3)扭轉(zhuǎn)變形:在中－活載乘以動力系數(shù)最不利位置作用下，3 m梁長的扭曲變形不應(yīng)超過3 mm。

(4)自振頻率:豎向自振頻率不應(yīng)小于限值:nφ=23.58Lφ－0.592=1．939 Hz。若滿足該要求，則不進(jìn)行車橋耦合動力分析計算。

(5)吊桿應(yīng)力:為了減小疲勞對吊桿的影響，運(yùn)營中吊桿最大應(yīng)力不超過0.33σh=551.1 MPa。

(6)施工方案及換索:梁部采用滿堂支架施工，吊桿設(shè)計時應(yīng)滿足橋上無車時換索的要求。

3.1.1.2 主要構(gòu)造尺寸

本橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計為Lp=68 m預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱，全長70 m，理論矢高13.6 m，矢跨比為1/5。拱軸線為二次拋物線:y=13.6－(34－x)2/85，系桿與拱肋的剛度比為16.57∶1，按剛性梁剛性拱計算。梁部劃分為10個節(jié)間，除端節(jié)間長9.2 m外，其余節(jié)間長6.2 m，拱肋中心距為11.4 m，凈寬10.4 m。

梁橫向為單箱三室，跨中梁高3.0 m，梁底寬12 m，梁頂寬15.5 m;梁端部加高至3.5 m?？缰邢淞喉敯搴?5 cm，底板厚為40 cm，中腹板厚度為35 cm，邊腹板厚度為60 cm，在梁端部加厚。在各吊桿位置設(shè)60 cm厚橫隔板，在箱梁端部設(shè)3.0 m端橫梁，橫隔板與端橫梁中部設(shè)有供檢查人員通過的進(jìn)人孔洞。

拱肋為鋼筋混凝土構(gòu)件，矩形空心截面，高2.0 m，拱趾處加高至3.0 m;拱肋寬1.0 m。兩拱肋之間除第一、二個節(jié)點(diǎn)為滿足橋上凈空要求不設(shè)橫撐外，其余節(jié)點(diǎn)均設(shè)鋼筋混凝土橫撐、斜撐與拱肋連接。橫撐為180 cm×80 cm矩形空心截面，在與拱肋交接處采用折線過渡，以避免角隅處應(yīng)力集中;斜撐為100×80 cm矩形空心截面，拱頂處橫撐組成兩個“K”字撐與一個“米”字撐。

3.1.1.3 吊桿

吊桿采用柔性吊桿，圓形截面，外徑9.7 cm，其構(gòu)成為PES(FD)7－109新型低應(yīng)力防腐平行鋼絲索，由109根7鍍鋅高強(qiáng)鋼絲組成，σb=1670 MPa。外套雙層HDPE護(hù)套保護(hù)層，吊桿外露部分用不銹鋼護(hù)套包裹以免意外或人為損壞。吊桿采用在拱肋頂單端張拉。采用錨具LZM(K)7－109型錨具錨固，YC200A型千斤頂張拉。

3.1.1.4 縱向、橫向及豎向預(yù)應(yīng)力束

梁部縱向預(yù)應(yīng)力束采用9－75鋼絞線，金屬波紋管成孔，外徑為87 mm。預(yù)應(yīng)力束布置在頂、底板內(nèi)，其中頂板通長束38束，底板通長束53束。為防止意外，在頂板預(yù)留2個備用孔道、底板預(yù)留2個備用孔道。縱向預(yù)應(yīng)力通長束采用兩端張拉，OVM15－9型錨具錨固，YCW250B型千斤頂張拉。梁部橫向預(yù)應(yīng)力束采用3－75和4－75鋼絞線，在頂、底板順橋方向每隔一定間距布置2層，采用OVMBM15－3(BM15－3P)、OVMBM15－4(BM15－4P)型錨具錨固，YCW100B型千斤頂單端張拉。拱趾處設(shè)豎向預(yù)應(yīng)力筋，采用25高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋，fPK=835 MPa，JLM－25型錨具錨固，35鐵皮管成孔，YC60A穿心式單作用千斤頂張拉。

3.1.2 有關(guān)設(shè)計參數(shù)選用

(1)梁體圬工重度按26.5 kN/m3，線路設(shè)備及道碴自重等(二期恒載)按167.41 kN/m考慮。

(2)混凝土收縮徐變按老化理論計算，收縮速度系數(shù)0.00625，收縮終極值0.00015，徐變增長速率0.00556，徐變終極值2.0。

(3)溫度荷載:整體升降溫按±20℃計。

(4)預(yù)應(yīng)力損失參數(shù):波紋管摩阻系數(shù)m=0.35，孔道偏差系數(shù)K=0.003，鋼束松弛預(yù)應(yīng)力損失Ds=0.025σp，錨具變形與鋼束回縮值(一端)為6 mm。

(5)鋼絞線錨下控制應(yīng)力:σcon=0.69fpk=1283.4 MPa(均不包括錨圈口摩阻損失)。

(6)25高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋，張拉控制應(yīng)力為σcon=0.76fpk=634.6 MPa，每根張拉力313 kN。

(7)活載沖擊系數(shù)1.274。

3.1.3 內(nèi)力組合

(1)主力組合:恒載+活載+預(yù)應(yīng)力+混凝土收縮和徐變;(2)主力+附加力組合;

(3)主力+制動力+整體升降溫±20℃;(4)主力+制動力+人群+整體升降溫±20℃;(5)主力+制動力+人群+頂板升降溫5℃。

3.1.4 計算內(nèi)容、方法及結(jié)果

(1)系桿拱平面整體計算:全橋劃分為69個單元，采用橋梁博士計算各施工階段和運(yùn)營階段的內(nèi)力、截面應(yīng)力及變位。施工階段，梁與拱肋應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

運(yùn)營階段在最不利荷載組合下，梁與拱肋均不出現(xiàn)拉應(yīng)力。恒載作用下梁部跨中撓度為2.97 cm(向下)，活載作用下梁部跨中撓度為1.20 cm(向下);恒載作用下拱肋跨中撓度為4.52 cm(向下)，活載作用下拱肋跨中撓度為0.20 cm(向下)。根據(jù)恒載+1/2靜活載計算并設(shè)置預(yù)拱度，梁部跨中預(yù)拱度值為2.97 cm+0.6 cm(向上)，拱肋跨中預(yù)拱度值為4.52+0.2/2 cm(向上)。

吊桿張拉順序為N2－N5－N4－N3－N1。每根吊桿初張拉力分別為 N2(800 kN)、N5(400 kN)、N4(600 kN)、N3(800 kN)、N1(900 kN);吊桿第二次張拉時索力調(diào)整為N2(1400 kN)、N5(1400 kN)、N4(1200 kN)、N3(1200 kN)、N1(900 kN)。

(2)系桿拱動力特性計算:橫向自振頻率為0.847 Hz(拱肋一階振型);豎向自振頻率為2.599 Hz(拱肋四階振型)。

(3)箱梁環(huán)框計算:箱梁橫截面按橫向環(huán)框分析內(nèi)力，配置橫向預(yù)應(yīng)力束和普通鋼筋。為減少箱體內(nèi)外溫差的影響，在箱梁邊腹板及中腹板留有通風(fēng)孔。

3.1.5 支座

支座采用TPZ－I型盆式橡膠支座，活動與固定端分別采用球形支座。

4 1－68 m系桿拱施工步驟

本橋施工采用先梁后拱法施工(圖1):(1)搭設(shè)支架，灌注箱梁混凝土;(2)張拉箱梁縱向預(yù)應(yīng)力頂板束N6及底板束N7、N9，張拉順序為 N7，N6，N9上下交替左右對稱進(jìn)行;(3)梁頂搭設(shè)支架，灌注拱肋及橫撐混凝土;(4)補(bǔ)充張拉箱梁余下縱向預(yù)應(yīng)力頂板束N6及底板束N8，張拉順序為N6，N8上下交替左右對稱進(jìn)行;上下交替左右對稱張拉橫向預(yù)應(yīng)力，張拉豎向預(yù)應(yīng)力;拆除拱肋支架;(5)按N2－N5－N4－N3－N1順序初張拉吊桿預(yù)應(yīng)力，然后使梁體脫離或拆除支架，并灌注墩臺梁底標(biāo)高以上部分;(6)再按N2－N5－N4－N3－N1順序補(bǔ)拉吊桿力至設(shè)計值，最后完成橋面系施工。

圖1 施工步驟

5 既有線滿堂支架搭設(shè)

既有電氣化鐵路接觸網(wǎng)電壓為27.5 kV，上方承力索帶有同等電壓。由于梁體上跨帶電接觸網(wǎng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)物承重架與承力索的距離小于1.0 m時，位于接觸網(wǎng)靜電感應(yīng)范圍之內(nèi)。采用傳統(tǒng)的鋼管支架、跨線桁梁與接觸網(wǎng)防電設(shè)施結(jié)合，防電設(shè)施采取支承桁梁底部掛絕緣板、承力索安裝絕緣套管、支承體系接地等防高壓電技術(shù)，形成跨既有線絕緣支架體系，支架絕緣效果好，確保了施工中的既有線行車安全和施工中的作業(yè)人員人身安全(圖2)。

圖2 跨既有線支架搭設(shè)

滿堂支架為確保梁部全長范圍內(nèi)地基承載力必須滿足所承受的全部荷載，使得滿堂支架體系不產(chǎn)生變形，不發(fā)生地基沉陷現(xiàn)象，計算除考慮梁體重量外，還考慮模板及滿堂支架重量，施工荷載(人、機(jī)、料等)，作用模板、風(fēng)力及其他可能產(chǎn)生的荷載等確定布設(shè)結(jié)構(gòu)，確保強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定滿足要求。滿堂支架搭設(shè)施工時還應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行預(yù)壓，堆載重量為各分塊重量的1.2倍，加載后48 h后無明顯沉降視為穩(wěn)定，卸載后，反彈5 mm以內(nèi)視為支架豎向剛度滿足要求。預(yù)壓的目的是收集滿堂支架、地基變形數(shù)據(jù)，作為設(shè)置支架［9］的建議，設(shè)置以下參數(shù):關(guān)閉混凝土的壓碎選項;裂縫剪力傳遞系數(shù)取為0.5;本次分析用力的控制加載，收斂準(zhǔn)則采用殘余力的2范數(shù);收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.05，以提高收斂速度;采用修正的Newton-Raphson法求解。

分析結(jié)果列于圖6。圖6中:曲線1是B－1梁試驗數(shù)據(jù);曲線2是梁B－1的模擬結(jié)果;曲線3是梁Y－1的模擬結(jié)果。

圖6 梁荷載-位移曲線

對于B－1梁，試驗曲線1和模擬曲線2之間存在一些偏差，原因主要分析假設(shè)條件與實際有出入。模擬結(jié)果和實際有出入，但仍具有一定指導(dǎo)意義。

曲線3和曲線2相比較說明預(yù)應(yīng)力約束混凝土梁Y－1的承載力略高于約束混凝土梁B－1，而跨中撓度也有所減小。

通過圖7可以看出，施加預(yù)應(yīng)力后，混凝土梁的裂縫開展得到有效抑制，進(jìn)一步說明施加預(yù)應(yīng)力以后構(gòu)件的性能有所提升。

圖7 梁裂縫開展圖(B－1左、Y－1右)

4 結(jié)論

(1)梁中的箍筋若能采取一定的構(gòu)造措施，將對其間的混凝土產(chǎn)生有效約束，改善混凝土力學(xué)性能，提高構(gòu)件的延性。

(2)受壓區(qū)混凝土成為約束混凝土后，混凝土的極限強(qiáng)度和極限應(yīng)變將會有所提升，此時可在受拉區(qū)配置更多的受拉鋼筋以提升承載力;因此，推薦使用更高的配筋率以充分發(fā)揮構(gòu)件性能。

(3)對約束混凝土梁施加預(yù)應(yīng)力后，能充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和約束混凝土的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高構(gòu)件性能。

本文存在一定的局限性和不足，針對預(yù)應(yīng)力約束混凝土梁這一全新課題有待進(jìn)一步研究。感謝貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(理工2012010)對本課題的資助。

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