京杭運(yùn)河特大橋連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、京杭運(yùn)河特大橋連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要：京杭運(yùn)河特大橋是寧啟鐵路復(fù)線(xiàn)電氣化改造的重要節(jié)點(diǎn)工程，跨越京杭運(yùn)河。主橋采用(65+114+65）m單線(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土拱組合結(jié)構(gòu)。主要介紹京杭運(yùn)河特大橋主橋情況，著重闡述其結(jié)構(gòu)構(gòu)造、施工方法、考慮施工階段的靜力計(jì)算分析及受力特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：連續(xù)梁鋼管拱，組合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)，靜力分析，單線(xiàn)鐵路 1 工程概況 寧啟鐵路復(fù)線(xiàn)電氣化改造京杭運(yùn)河特大橋位于揚(yáng)州市，新建橋位于既有鐵路橋南側(cè)25m左右。既有橋孔跨布置為：27-16m先張T梁+5-32m后張T梁+1-112m下承式鋼桁梁+28-32m后張T梁。為對(duì)孔布置及降低結(jié)構(gòu)高度，新建橋采用（65+1

2、14+65）m單線(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土拱組合結(jié)構(gòu)。 京杭運(yùn)河為級(jí)航道，通航凈高7.5m，最高通航水位7.13m，最低通航水位3.33m，通航凈寬90m，設(shè)計(jì)洪水位H1/1007.51m，設(shè)計(jì)流量為2107m3/s，設(shè)計(jì)流速為1.28m/s，設(shè)計(jì)橋梁線(xiàn)路中心與京杭運(yùn)河水流方向交角為2。主橋總布置圖見(jiàn)圖1。 圖1 主橋總布置圖（單位：cm） 2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) （1）線(xiàn)路等級(jí)：國(guó)鐵級(jí)。 （2）線(xiàn)路情況：有砟軌道，單線(xiàn)，直線(xiàn)。 （3）牽引種類(lèi)：電力。 （4）設(shè)計(jì)活載：“中活載”。 （5）設(shè)計(jì)行車(chē)速度： 客車(chē)200km/h，貨車(chē)120km/h。 （6）橋梁限界：通行雙層集裝箱，凈寬4.88m，

3、凈高7.96m。 （7）地震動(dòng)峰值加速度： Ag0.15g。 3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造 3.1 主梁構(gòu)造 主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用C55混凝土，全長(zhǎng)245.5m，計(jì)算跨度（65+114+65）m。主梁采用單箱單室箱形截面，中支點(diǎn)處梁高6.0m，跨中及邊支點(diǎn)處梁高3.5m，中支點(diǎn)處高跨比1/19，跨中處高跨比1/32.57。梁高按二次拋物線(xiàn)變化。主梁頂寬8.5m，底寬6.1m，中支點(diǎn)局部頂、底寬分別為10.2m和8.2m。頂板厚0.4m，中支點(diǎn)局部頂板厚0.8m；底板厚由跨中0.35m漸變至根部1.0m；腹板采用直腹板，厚度分0.40m、0.60m、0.90m三種，中支點(diǎn)局部加厚至1.95m，邊支點(diǎn)局部

4、腹板厚0.8m。 主梁在端支點(diǎn)、中支點(diǎn)處共設(shè)4道橫隔板，邊支點(diǎn)橫隔板厚1.5m，中支點(diǎn)橫隔板厚3.5m，各橫隔板均設(shè)進(jìn)人孔。主梁于各吊點(diǎn)處共設(shè)12道吊點(diǎn)橫梁，吊點(diǎn)橫梁高1.25m，厚0.35m。 主梁共劃分為55個(gè)梁段，梁拱結(jié)合部0號(hào)塊長(zhǎng)17m，中跨和邊跨合攏段長(zhǎng)均為2.0m，邊跨現(xiàn)澆段長(zhǎng)7.75m，其余梁段長(zhǎng)分別為3.5m，4.0m。主梁0號(hào)塊、邊跨現(xiàn)澆段在支架上施工，邊跨合攏段和中跨合攏段采用懸吊支架施工，其余梁段均采用掛籃懸臂澆注施工。 主橋橫斷面分別見(jiàn)圖2。 圖2 中支點(diǎn)及跨中橫斷面（單位：cm） 3.2 主梁預(yù)應(yīng)力體系 主梁設(shè)置縱向、豎向雙向預(yù)應(yīng)力?？v向預(yù)應(yīng)力筋采用1x7-15.2-

5、1860-GB/5224-2003預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)。中支點(diǎn)截面上緣共布置40束19-s15.2mm頂板束和26束16-s15.2mm腹板下彎束；邊跨底板布置14束16-s15.2mm鋼束，邊跨頂板布置2束19-s15.2mm鋼束；中跨跨中底板布置12束16-s15.2mm鋼束，中跨跨中頂板布置2束19-s15.2mm鋼束?？v向預(yù)應(yīng)力鋼束采用OVM錨具，金屬波紋管成孔，兩端張拉，錨下張拉控制應(yīng)力分1265MPa、1302MPa兩種。 豎向預(yù)應(yīng)力采用25mm高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋，型號(hào)為PSB830。順橋向間距0.5m，內(nèi)徑35mm鐵皮管成孔。腹板厚0.9m的梁段，橫橋向各腹板布置兩根25m豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋；

6、腹板厚0.6m、0.4m的梁段，橫橋向各腹板布置一根25mm豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋，豎向預(yù)應(yīng)力 均于梁頂張拉，錨下張拉控制力N=346.3kN。 3.3 拱肋 拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨度L=114m，設(shè)計(jì)矢高f22.8m，矢跨比f(wàn)/L1/5， 2拱軸線(xiàn)采用二次拋物線(xiàn)，設(shè)計(jì)拱軸方程為Y=1/142.5X+4/5X。拱肋采用等高度啞鈴形截面， 截面高度2.8m，拱肋鋼管直徑0.8m，由16mm厚的鋼板卷制而成，鋼管之間用16mm厚鋼綴板連接，拱肋鋼管及綴板采用Q345qD鋼，其內(nèi)填充C50無(wú)收縮混凝土。兩榀拱肋橫向中心距6.9m。拱肋截面見(jiàn)圖 3。 圖3 拱肋截面（單位：cm） 3.4 橫撐 全橋共

7、設(shè)置5道橫撐。橫撐采用空間桁架撐，各橫撐由45012mm主鋼管和25010mm連接鋼管組成，鋼管內(nèi)部不填混凝土。橫撐截面見(jiàn)圖 4。 圖4 橫撐截面（單位：cm） 3.5 吊桿 吊桿順橋向間距8m，全橋共設(shè)12對(duì)吊桿。吊桿采用OVM PES（FD）7-73型低應(yīng)力防腐拉索（平行鋼絲束），抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk1670MPa，Ep2.0105MPa。吊桿采用雙層HDPE護(hù)層，并外套不銹鋼護(hù)套。錨具采用LZM7-73冷鑄墩頭錨。吊桿上端穿過(guò)拱肋，錨于拱肋上緣張拉底座，下端錨于吊桿橫梁下緣固定底座。 3.6 支座 采用球形鋼支座，各支點(diǎn)橫向設(shè)2個(gè)支座，邊支點(diǎn)支座噸位5000kN，中支點(diǎn)支座噸位35000

8、kN。 4 施工方法 該橋采用“先梁后拱”施工方法，主要施工步驟為：利用掛籃懸臂澆注主梁；合攏主梁邊孔；合攏主梁中孔；在橋面搭設(shè)支架，拼裝鋼管拱肋；頂升拱肋下管、上管、腹腔內(nèi)混凝土；按指定次序張拉吊桿；施工橋面系；完成全橋施工。 5 結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算 5.1 主梁縱向計(jì)算 （1）主梁縱向按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。主梁在成橋階段及運(yùn)營(yíng)階段的正應(yīng)力見(jiàn)表1，主梁抗裂及強(qiáng)度計(jì)算見(jiàn)表2。 表1 主梁正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 項(xiàng)目 恒載應(yīng)力（MPa） 主力 正應(yīng)力最大（MPa） 正應(yīng)力最?。∕Pa） 正應(yīng)力最大（MPa） 正應(yīng)力最?。∕Pa） 邊跨跨中 上緣 下緣 中支點(diǎn)附近 上緣 下緣 中跨跨中 上緣 2.76 4.

9、26 2.40 5.41 1.25 下緣 5.47 5.53 3.33 6.39 2.46 6.00 9.08 6.48 9.25 9.47 11.25 6.99 11.72 4.29 4.67 3.91 8.77 10.50 11.93 8.39 12.09 主+附 3.26 3.99 2.51 8.40 表2 主梁抗裂及強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果 主力 主+附 最大剪應(yīng)力 （MPa） 最大主壓應(yīng)力 （MPa） 最大主拉應(yīng)力 （MPa） 抗裂安全系數(shù) 強(qiáng)度安全系數(shù) 2.87 16.74 -1.25 1.39 2.20 2.90 17.30 -1.32 1.35 2.13 由表1和表2可見(jiàn)，主梁正應(yīng)力、抗裂

10、、強(qiáng)度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。 （2）主梁位移 在中活載作用下，主梁中跨最大靜活載撓度-17.1mm，撓跨比1/6667；邊跨為-16.7mm，撓跨比1/3892。梁端豎向轉(zhuǎn)角1.00。 理論計(jì)算殘余徐變變形：中跨跨中上拱12.2mm，邊跨跨中下?lián)?.4mm。 5.2 主梁橫向計(jì)算 主梁橫向按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，根據(jù)截面位置不同，按無(wú)吊桿區(qū)和有吊桿區(qū)分別計(jì)算。無(wú)吊桿區(qū)沿縱向截取單位長(zhǎng)度的主梁梁體，簡(jiǎn)化成腹板下緣兩點(diǎn)支撐的框架計(jì)算。有吊桿區(qū)域根據(jù)吊點(diǎn)橫梁翼緣板的有效寬度，沿縱向截取相應(yīng)長(zhǎng)度的梁體，簡(jiǎn)化成腹板下緣兩點(diǎn)支承的框架，吊點(diǎn)處加豎向集中力，集中力的大小按恒載吊桿力和組合最大吊桿力分別取值。主梁橫向

11、計(jì)算荷載包括恒載、活載、溫度變化等，橫向溫度變化分日照和寒潮兩種模式考慮。 5.3 拱肋檢算 （1）運(yùn)營(yíng)階段拱肋鋼管及混凝土正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。 表3 拱肋正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 鋼管混凝土拱助 最大 最小 最大 最小 混凝土應(yīng)力（MPa） 上緣 下緣 鋼管應(yīng)力（MPa） 上緣 下緣 主力 4.39 2.71 83 132 -2.36 -1.31 -8 32 主+附 4.88 3.07 85 136 -2.85 -2.03 -11 28 （2）拱肋強(qiáng)度 拱肋極限承載力Nu，計(jì)算軸力Nj，安全系數(shù)K= Nu/Nj，主力組合時(shí)，最小安 全系數(shù)K=4.79；主+附組合時(shí)，最小安全系數(shù)K=4.53。 （3）

12、拱肋整體穩(wěn)定 縱向穩(wěn)定安全系數(shù)K=27.82，橫向穩(wěn)定安全系數(shù)K=11.63。 5.4 吊桿檢算 運(yùn)營(yíng)階段，在最不利荷載作用下，吊桿最大拉應(yīng)力268MPa，強(qiáng)度安全系數(shù)K=6.23>2.5。吊桿最大活載應(yīng)力幅142MPa。 6 結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算 采用Midas軟件建立空間計(jì)算模型，主梁、拱肋及橫撐采用空間梁?jiǎn)卧?，吊桿采用桁架單元，空間計(jì)算模型如圖5。 圖5 結(jié)構(gòu)空間計(jì)算模型 不考慮下部結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)的自振特性見(jiàn)表4。 表4 結(jié)構(gòu)自振特性計(jì)算結(jié)果（不考慮下部結(jié)構(gòu)） 振型階次 自振頻率 (Hz) 振型特性 拱一階對(duì)稱(chēng)橫彎 拱一階反對(duì)稱(chēng)橫彎 1 0.606 2 1.254 3 1.790 主梁一階豎

13、彎+拱豎彎 4 1.948 主梁二階豎彎+拱豎彎 5 2.144 6 2.261 拱二階對(duì)稱(chēng)橫彎 主梁一階橫彎 從結(jié)構(gòu)自振特性的計(jì)算結(jié)果可以看出： 橋梁的第1階振型為拱對(duì)稱(chēng)橫彎，頻率為0.606Hz；第2階振型為拱反對(duì)稱(chēng)橫彎，頻率為1.254Hz。拱肋的面外振型先出現(xiàn)，表明拱的面內(nèi)剛度大于面外剛度。 鋼管混凝土拱肋提高了橋梁的豎向剛度，使橋梁的豎彎振型的頻率較高，主梁一階豎彎振型頻率為1.790Hz。 主梁橫彎的振型出現(xiàn)較晚，一階橫彎振型的頻率為2.261Hz>55/L0.8=55/1140.8=1.244Hz，表明混凝土連續(xù)梁拱具有較大的橫向剛度，連續(xù)梁拱組合橋的橫向振動(dòng)首先表現(xiàn)為拱肋

14、的橫向振動(dòng)。 7 結(jié)論 (1) 鋼管混凝土連續(xù)梁拱橋作為一種組合結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用先梁后拱，且主梁采用懸臂澆注施工 時(shí)，主梁為主要承重結(jié)構(gòu)。拱和梁共同承受二期恒載和列車(chē)活載。 (2) 拱肋能顯著提高主梁的豎向剛度，對(duì)主梁橫向剛度的影響較小。鐵路連續(xù)梁的中支點(diǎn)截 面的高跨比一般為1/121/15，與之相比，連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)由于拱肋對(duì)主梁的加勁作用，主梁可以采用較小的高跨比（本橋高跨比1/19），從而著降低結(jié)構(gòu)高度，在線(xiàn)路標(biāo)高受限制地區(qū)，連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)具有很大優(yōu)越性。 (3) 連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)的振動(dòng)首先表現(xiàn)為拱肋的橫向振動(dòng)，由于拱肋加勁作用，橋梁豎向剛 度有顯著提高，本橋主梁一階豎向自振頻率為1.79Hz。 (4) 本橋作為較大跨度的單線(xiàn)鐵路連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)，為今后同類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)與建造提供了 一定的經(jīng)驗(yàn)。 【參考文獻(xiàn)】 1 陳寶春鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工M北京：人民交通出版社，2000 2 金成棣預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合橋梁設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐M北京：人民交通出版社，2001 3 李國(guó)豪橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)M北京：中國(guó)鐵道出版社，2003 4 吳清明復(fù)合鋼管混凝土橋梁研究與實(shí)踐M北京：人民交通出版社，2007 5