郭豐哲，郭 波，蘇國明

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 工程概況

圖1 (102+208+102)m連續(xù)剛構拱橋(單位：m)

1.1 技術標準

主要技術標準：①鐵路等級，Ⅰ級。②正線數(shù)目，雙線有砟軌道，線間距4.6 m；線路平面為直線；線路縱坡為平坡。③設計速度，客運專線250 km/h。④設計活載，ZK活載。

1.2 水文地質(zhì)

橋址區(qū)場地土具侵蝕性，化學環(huán)境作用等級為H1級，氯鹽作用等級為L1級。

1.3 通航標準

橋位處為規(guī)劃Ⅳ級通航航道。通航要求：凈寬90 m，凈高8 m。

1.4 工程地質(zhì)

1.5 地震動參數(shù)

地震動峰值加速度為0.20g，地震動反應譜特征周期分區(qū)為三區(qū)，Tg=0.45 s。

1.6 橋址氣象資料

橋位處年平均氣溫9.5 ℃，最冷月平均氣溫-6.1 ℃，最熱月平均氣溫22.4 ℃。按照對鐵路有影響的氣候分區(qū)，屬于寒冷地區(qū)。

2 結構尺寸

2.1 主梁

主梁采用C60混凝土，截面采用單箱雙室形式，主梁為變截面、變高度。結構尺寸見表1。

箱梁在每個吊點處均設置1道橫隔梁，橫隔梁寬40 cm，靠近兩中支點處的5道橫隔梁高1.6 m，跨中的10道橫隔梁高1.4 m。

表1 結構尺寸 m

主梁結構0號梁段的長度為20 m，邊跨直線段的長度為6.9 m，中跨合龍段的長度為3.0 m，其余梁段長分別為4.5，4.0，3.5，3.0 m。主梁除0號梁段、1號梁段、邊孔直線段在支架上現(xiàn)澆外，其余梁段均采用掛籃懸澆施工。典型斷面布置如圖2所示。

圖2 典型斷面布置(單位：cm)

2.2 預應力體系

主梁為三向預應力體系，設縱、橫、豎向預應力?？v向鋼束規(guī)格為19-Φj15.2 mm和15-Φj15.2 mm。主梁橫向預應力鋼束規(guī)格為5-Φj15.24 mm，縱向間距0.5 m。主梁豎向預應力筋采用φ32 mm的高強精軋螺紋鋼筋。

2.3 拱肋及橫撐

拱肋計算跨度為208 m，矢高41.6 m，矢跨比為1/5，拱軸線采用二次拋物線。拱肋截面總高度為3.4 m，采用啞鈴形鋼管混凝土。拱管直徑1.2 m，管壁厚為26 mm(拱腳附近局部加厚至30 mm)；上下拱管之間的腹腔寬度為0.80 m，壁厚為26 mm。拱管及腹腔內(nèi)部均灌注C50自密實混凝土。拱肋的中心距為13.0 m，采用桁架式橫撐，橫撐內(nèi)不灌注混凝土。橫撐間距18 m，全橋共設置10道。拱肋、橫撐及吊桿錨箱均采用Q345qE鋼材。橫撐和拱肋的截面形式如圖3所示。

圖3 橫撐和拱肋的截面形式(單位：cm)

2.4 吊桿

吊桿設置為雙吊桿形式，采用PES7-61型平行鋼絲束。吊桿上端為張拉端，且錨固于拱肋上緣，下端錨固于吊點翼緣與腹板相交處，采用箱外牛腿錨固形式。吊桿縱橋向間距為9.0 m，共設置38組雙吊桿。吊桿采用雙層HDPE保護層，并外套不銹鋼護套。

2.5 支座

邊支點橫向設置2個支座，分別為縱向活動支座和多向活動支座，支座間距為8.6 m，邊墩支座噸位采用 10 000 kN級。

2.6 主墩結構及基礎

交接墩采用薄壁空心橋墩，剛構墩墩身與梁體腹板及隔墻形成整體。剛構墩頂順橋向?qū)?.0 m，橫橋向頂寬14.6 m，壁厚1.2 m；縱橋向不放坡，橫向放坡，外壁坡度35∶1，內(nèi)壁坡度75∶1；墩底設5.0 m實體段。空心墩的結構如圖4所示。除橋墩上部6 m范圍采用C60混凝土外，剛構墩墩身其余材料為C45混凝土。兩主墩處采用24根φ220 cm鉆孔灌注樁，樁基采用C45混凝土，采用行列式布置，樁間距4.8 m。

圖4 空心墩的結構(單位：cm)

3 模型建立

本橋采用“先梁后拱”的施工方法，主要步驟：①主墩及基礎施工；②主梁采用掛籃懸臂對稱施工；③合龍邊跨；④每側邊支點壓重200 t；⑤繼續(xù)移動掛籃，施工中跨剩余懸灌段；⑥合龍中跨；⑦在梁上搭設支架，施工拱肋及橫撐，拱肋豎轉(zhuǎn)；⑧安裝并張拉吊桿；⑨施工橋面系，成橋運營。

結合結構的施工過程，采有限元計算分析軟件MIDAS及BSAS建立模型。

4 計算結果

本橋荷載組合按主力組合和主+附組合對結構進行計算[2-5]。

4.1 結構內(nèi)力

選取邊跨跨中、中支點、中跨跨中控制截面，對其主力、主+附的內(nèi)力進行計算分析，見表2。根據(jù)表2計算結果進行縱向鋼束配置，全橋共配置縱向鋼束885 t，鋼束含量52.8 kg/m3。

表2 控制截面彎矩及軸力

4.2 強度及應力

強度及抗裂性安全系數(shù)的最小值均出現(xiàn)在主梁中支點位置截面。梁體混凝土上緣最大應力和下緣最小應力的控制截面出現(xiàn)在主梁邊跨跨中位置，上緣最小應力和下緣最大應力的控制截面出現(xiàn)在主梁中支點位置截面。強度、抗裂性安全系數(shù)和梁體混凝土應力分別如表3和表4所示。

表3 強度、抗裂性安全系數(shù)

表4 梁體混凝土應力 MPa

4.3 反力及變形

4.3.1 反力

1)成橋狀態(tài)

成橋邊支點(單墩)反力如表5所示。根據(jù)表5計算結果選用 12 500 kN 級別的邊支座。

表5 成橋邊支點(單墩)反力 kN

2)施工過程

施工過程中邊支點反力如表6所示。可知，各施工階段及成橋時均未出現(xiàn)負反力，在中跨超打2個梁段后，邊支點反力出現(xiàn)了最小值。

表6 邊支點反力 kN

4.3.2 變形

1)ZK靜活載變形

梁端轉(zhuǎn)角及撓跨比如表7所示?？芍?，梁端轉(zhuǎn)角及邊中跨撓度均滿足規(guī)范要求。

表7 梁端轉(zhuǎn)角及撓跨比

2)溫度變形

溫度變形在車橋耦合結構分析中與其他荷載作用的變形予以疊加考慮。不同溫度工況作用下的拱肋和主梁變形如表8所示。

表8 溫度變形 mm

3)梁體水平撓度

在列車搖擺力、風力、溫度力作用下，梁體水平撓度為11.0 mm。

4)工后徐變

最大工后徐變?yōu)檫吙?2.8 mm，中跨-10.5 mm。

表3—表8的結果表明，結構各項計算指標均在規(guī)范容許值之內(nèi)。

4.4 拱肋截面驗算

按照TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》檢算結構強度，分別對拱肋按矩形截面進行偏心受壓構件的強度計算，計算結果見表9?？芍髁椭?附結果均滿足規(guī)范要求。

表9 拱肋截面計算結果

4.5 吊桿驗算

成橋時吊桿力總和為 27 179 kN，占中跨二期恒載總重 38 896 kN 的69.9%；在全橋布滿列車活載下，拱肋承擔的豎向列車活載 10 261 kN 占中跨范圍總豎向列車活載 26 624 kN 的38.5%。在主+附作用下，單個吊點處最大吊桿力為 4 211 kN，安全系數(shù)為3.3。在疲勞荷載作用下，吊桿的應力幅為104.9 MPa。

4.6 穩(wěn)定性分析

對結構進行穩(wěn)定性分析，結構的前五階變形均為拱的變形。結構一階穩(wěn)定系數(shù)為7.2。

4.7 自振特性

對結構進行自振特性分析，如表10所示。

表10 結構自振特性

4.8 橋墩驗算

主+附作用下，橋墩彎矩如表11所示。

表11 橋墩彎矩

橋墩縱向主筋采用雙根一束φ32。根據(jù)橋墩受力和配筋對橋墩進行驗算[4]，結果如表12所示。

表12 橋墩驗算結果 MPa

4.9 樁基驗算

樁基采用b90軟件進行計算。樁基受力計算結果如表13所示。其中，Pmax為最大樁頂荷載，[P]為單樁容許承載力。

表13 樁基受力計算結果 kN

根據(jù)樁基受力情況對樁基截面進行驗算，結果如表14所示。

表14 樁基驗算結果 MPa

4.10 車橋耦合分析

根據(jù)車橋耦合振動分析理論，運用多體動力分析軟件UM對本橋進行車橋耦合動力性能分析。軌道不平順采用德國低干擾譜，并結合TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》中250 km/h 高速鐵路有砟軌道平順性要求進行修正。結果表明，在動力分散式列車CRH2,CRH3以160～300 km/h的速度下運行時，橋梁動力性能滿足規(guī)范要求，列車的行車安全性滿足規(guī)范限值，乘坐舒適性達到“優(yōu)”。

4.11 抗震分析

1)主墩驗算

多遇地震作用下，主墩墩身的控制截面地震力如表15所示。可知，在多遇地震作用下，橋墩墩身的混凝土壓應力及鋼筋應力均能滿足規(guī)范要求。

2)樁基驗算

樁基抗震力如表16所示?？芍?，在多遇地震作用下，樁基的混凝土壓應力σc及鋼筋應力σs均能滿足規(guī)范要求。

表15 主墩控制截面地震力

表16 樁基地震力

3)結構位移延性比驗算

罕遇地震作用下，橋墩延性驗算結果如表17所示?？芍?，結構均具有足夠的延性能力，滿足規(guī)范要求。

表17 罕遇地震作用橋墩延性驗算結果

4.12 墩、梁、拱腳結合段實體分析

局部模型按照實際結構的約束條件進行模擬。梁端內(nèi)力按移動荷載作用下拱腳受力最不利工況作用下相應的內(nèi)力進行施加。通過局部實體分析可知，區(qū)段內(nèi)主梁縱、橫、豎向基本處于受壓狀態(tài)；拱腳基本處于受壓狀態(tài)，拉應力區(qū)域較小；存在局部應力集中區(qū)域，多數(shù)位于集中力作用的位置，可不予考慮。

5 設計總結

本文連續(xù)剛構拱的設計特點如下：

1)主梁最小截面的抗彎剛度為86.9 m4，拱肋面內(nèi)抗彎剛度為3.758 m4(按彈性模量比8予以折算)，梁拱抗彎剛度比為23.1，為剛性梁柔性拱結構。

2)吊桿對于主梁的提拉作用較好，表現(xiàn)為工后徐變比同跨度的梁式橋顯著降低，中跨跨中的工后徐變僅為10.5 mm，滿足規(guī)范要求。

3)橋梁采用主梁跨中5.5 m和支點13.0 m的梁高。經(jīng)計算，結構強度、應力和各項變形均滿足規(guī)范要求，且結果沒有過于富裕。

4)工后徐變會使結構變形增大，造成預應力損失，使偏心受壓構件的受壓區(qū)變形增大，撓度增加，承載力降低。本橋的計算工后徐變值滿足規(guī)范要求，在容許范圍之內(nèi)。

5)拱肋高度采用3.4 m，鋼板厚度采用26 mm，驗算結果均在規(guī)范要求之內(nèi)。

6)本橋選用空間桁架撐，一階穩(wěn)定系數(shù)為7.2。

7)本橋墩高50 m左右，考慮到橋位處的景觀及地震烈度的要求，選用了寬8 m、壁厚1.2 m的箱形截面作為本橋橋墩設計截面，計算結果滿足規(guī)范要求。

6 結語