上承式鋼管混凝土拱橋設計研究

上承式鋼管混凝土拱橋設計研究

1總結(jié)1.1大壩設計標準、洪水水質(zhì)、流凌特征黃河大橋位于河口市至龍口的峽谷區(qū)。萬家寨水庫下游位于19公里處，龍口水庫上游為6.5公里處。橋梁軸線與河流方向一致。橋址處河道底寬292m,上口寬347m,常水位為5～8m,河床至軌面高為145.3m。兩岸岸坡為奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r,基本承載力為1500kPa。地震動峰值加速度為0.05g。萬家寨水庫于2002年竣工并通過國家驗收,大壩設計標準:按1/500洪水設計,設計最大泄量Q1/500=7624m3/s。龍口水庫大壩是正在建設中,其設計標準為P=1%,調(diào)洪期間設計洪水位896.26m,冬季水庫正常蓄水位898.0m。依照水文站實測資料:實測最大冰厚1.20m,流凌平均流速為3.18m/s。本段黃河常出現(xiàn)“倒開河”的現(xiàn)象。開河時下游晚于上游,水位迅猛上漲,形成凌汛洪峰。凌汛洪峰流量一般在2000m3/s,有的年份超過3000m3/s,甚至成為全年最大的洪峰流量。防洪評價的主要結(jié)論是:“……龍口水庫建成后,在凌汛期橋位河段易產(chǎn)生冰塞、冰壩?！捎跇蛭惶幒拥垒^窄,推薦采用一跨直接跨越河道方案?！?.2鋼管混凝土系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計該橋的地形、地質(zhì)條件非常適合于設置上承式拱橋,鋼管混凝土拱橋跨越能力大,是大跨橋梁發(fā)展方向之一,國內(nèi)外公路、鐵路已有多個成功的先例。利用拱肋鋼管和扣索作為拱肋混凝土灌注施工的勁性骨架,可節(jié)省模板和支架,方便施工。根據(jù)邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果,當主跨跨度選擇380m時,考慮兩岸山體溝谷的影響,主橋基礎(chǔ)位于穩(wěn)定坡角線內(nèi),因此,鋼管混凝土拱橋的跨度采用380m,交界墩高76m,如圖1所示。1-380m雙線上承式拱橋不但橋梁結(jié)構(gòu)形式與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào),避免了水中設墩易發(fā)生冰塞、冰壩的安全隱患,滿足防洪評價要求,而且其方案造價也最為節(jié)省。因此,推薦采用1-380m雙線上承式拱橋方案。2上弦拱肋的連接主跨結(jié)構(gòu)為提籃形鋼管混凝土拱,拱腳中心跨度380m,矢高76m,矢跨比為1/5,主拱拱軸線為懸鏈線,拱軸系數(shù)m=3.0。拱肋橫向內(nèi)傾7.6°,拱肋拱腳處中心距28m,拱頂中心距7.72m。拱肋采用等寬變高截面,拱肋高度在拱腳處13.5m、拱頂處7.5m,寬為6.5m。每條拱肋由4肢?1500mm的鋼管組成,橫向拱管之間由綴板連接,綴板內(nèi)灌注C50補償收縮混凝土。上下弦拱肋之間的連接形式在0～L/10范圍內(nèi)采用實腹鋼板;L/10～L/2范圍內(nèi)采用空腹。拱頂76.9m范圍內(nèi)采用混凝土∏型剛架,共分為7聯(lián)?！切蛣偧芊秶酝夤吧狭嚎绮捎?2m鐵路標準簡支T梁,橋墩采用鋼管混凝土剛架墩,墩柱在縱、橫橋向均為兩排。2.1鋼管混凝土系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計大跨度拱橋常用拱軸線為懸鏈線,矢跨比和拱軸系數(shù)是拱橋的一個特征參數(shù),直接影響拱肋受力。表1中列出了幾座鋼管混凝土拱橋的矢跨比和拱軸系數(shù)。根據(jù)線路軌面和拱腳基礎(chǔ)所在位置,鋼管拱拱肋高度采用76m,矢跨比采用1/5較為合理。大跨度拱橋拱腳部位的軸力和彎矩比拱頂及其它部位的軸力和彎矩要大得多,鋼管拱的應力由拱腳截面控制。根據(jù)拱肋內(nèi)力計算結(jié)果,當拱軸系數(shù)m取較大值時,拱腳彎矩較小,因此,本橋拱軸系數(shù)取m=3。2.2拱肋結(jié)構(gòu)形式目前,大跨度上承式和中承式拱橋拱肋常用的結(jié)構(gòu)形式有鋼箱結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)及勁性骨架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),如上海盧浦大橋,主跨為550m,主橋拱肋為鋼箱結(jié)構(gòu);萬縣長江大橋,主跨420m,拱肋為勁性骨架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);巫山長江大橋,主跨460m,拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu);北盤江鐵路大橋,主跨236m,拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。上承式拱橋拱肋結(jié)構(gòu)為主要受力構(gòu)件,其受力行為主要表現(xiàn)為承受軸向壓力。拱肋結(jié)構(gòu)形式宜選擇鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu),即鋼管混凝土結(jié)構(gòu),或勁性骨架混凝土結(jié)構(gòu)。大跨度鐵路橋梁所承受的活載大,要求的結(jié)構(gòu)剛度也大,為了減輕拱肋結(jié)構(gòu)自重、增加其承載能力和提高結(jié)構(gòu)剛度,拱肋宜采用空腹桁架結(jié)構(gòu)形式,如跨度460m的巫山長江大橋和跨度430m的湖北支井河大橋均采用鋼管混凝土桁架式拱。對于大跨徑勁性骨架混凝土拱橋,施工過程非常復雜,混凝土澆注工作面多,前后澆注混凝土的收縮徐變量也不同,澆筑質(zhì)量難以保證。鋼管混凝土拱相對于勁性骨架混凝土拱而言,具有施工方便、周期短和安全性高的特點,因此,本橋拱肋結(jié)構(gòu)形式采用鋼管混凝土拱。綜合理論計算并考慮施工方便,拱肋截面采用4管形式。2.3鋼拱肋橫傾角設計原則提籃拱拱肋中心距自拱頂至拱腳由小逐漸變大,既可以減小拱上結(jié)構(gòu)如拱頂∏型剛架和剛架墩的圬工量,還可以使結(jié)構(gòu)的橫向剛度有較大的提高,因此,本橋拱肋形式選擇提籃式。拱肋中心距及橫傾角應根據(jù)以下3個原則選取:(1)拱上結(jié)構(gòu)和拱座基礎(chǔ)圬工量最小;(2)滿足結(jié)構(gòu)橫向剛度要求;(3)滿足車橋耦合動力仿真分析中的列車運行安全性及舒適性或平穩(wěn)性指標要求。鋼管拱橫傾角取值范圍一般在6°～13°,本次設計根據(jù)拱上結(jié)構(gòu)橋墩和∏型剛架的構(gòu)造要求,對拱肋橫傾角7.6°和9.0°進行了比選。當拱肋橫傾角為7.6°、拱腳中心距為28m時,拱上結(jié)構(gòu)和拱座基礎(chǔ)圬工量最小,而且,結(jié)構(gòu)剛度及車橋耦合動力響應分析中的各項指標均滿足要求,因此,拱肋橫傾角推薦采用7.6°。2.4拱頂建筑主梁的長度和支墩頂部的支撐配置2.4.1型大跨橋結(jié)構(gòu)拱上結(jié)構(gòu)采用32m跨度時,主橋一側(cè)僅需設置4個橋墩,最高墩墩高52.58m,∏型剛架長77m,且主橋與引橋梁高相同,主橋立面造型簡潔流暢。拱上結(jié)構(gòu)采用24m跨度時,主橋一側(cè)需設置5個橋墩,最高墩墩高58.92m,∏型剛架長107.6m,且主橋與引橋梁高相差0.4m,橋墩較密,主橋立面造型顯得有些凌亂。2.4.2拱上結(jié)構(gòu)橋墩拱上橋墩墩頂位移由兩部分組成,一部分是橋墩本身的位移,另一部分是由拱肋變形引起,由于拱肋變形引起的墩頂位移較一般樁基礎(chǔ)變形引起的墩頂位移要大,拱上結(jié)構(gòu)橋墩應選取縱橫向剛度較大的結(jié)構(gòu)形式,在混凝土用量相同的情況下,柱式墩比空心墩縱向剛度大,因此,拱上結(jié)構(gòu)橋墩形式采用四柱鋼管混凝土墩。拱上結(jié)構(gòu)跨度分別采用32m及24m不同跨度時,拱肋豎向撓度、墩頂縱橫向水平位移及結(jié)構(gòu)自振頻率如表2所示。由表2可知,兩種跨度下,在拱橋的L/4處,由列車豎向靜活載所產(chǎn)生的上下?lián)隙?絕對值)之和,均滿足規(guī)范要求?；钶d作用下,拱上橋墩墩頂順橋方向的最大彈性水平位移發(fā)生在次高墩,32m跨度、24m跨度均超過簡支梁的容許位移,分別是簡支梁容許位移的1.36倍和1.44倍;兩種跨度下,梁的最大水平折角均發(fā)生在矮墩部位,32m跨度為1.33‰,滿足規(guī)范要求,24m跨度為1.67‰,大于1.5‰,不滿足規(guī)范要求;拱上橋墩縱、橫向水平剛度24m跨度較32m跨度小。2.4.3拱肋應力分析從拱上橋墩傳遞給拱肋的作用力看,32m跨度高墩的一個墩柱柱底軸向力為9369.3kN,24m跨度高墩的一個墩柱柱底軸向力為8974.1kN,雖然24m跨度由墩柱傳遞給拱肋的作用力略小,拱肋應力與32m跨度相比應相對均勻,但下部結(jié)構(gòu)24m跨度卻比32m跨度多了一個高墩,拱上結(jié)構(gòu)自重約增加15%。因此,兩種跨度對應的拱肋控制截面應力相差并不大。為了減小局部荷載對拱肋截面應力的影響,應采取拱上立柱在拱肋上的作用點盡量與腹桿交點重合,以及加大腹桿剛度使上下弦拱肋共同受力等措施。2.4.4h跨度方案比選24m與32m跨度相比,梁部及∏型剛架上部結(jié)構(gòu)總的材料用量相差不多,下部結(jié)構(gòu)由于24m跨度增加了一個高墩,與32m跨度相比混凝土用量增加999.7m3。考慮24m跨度梁的水平折角不滿足規(guī)范要求的因素,24m跨度方案較32m跨度方案造價約高100萬元。綜合研究結(jié)果,拱上結(jié)構(gòu)跨度推薦采用32m跨方案。2.5起落架支架布置根據(jù)前面的位移分析結(jié)果,拱上橋墩墩頂縱向位移較大,超過了規(guī)范規(guī)定的簡支梁墩頂位移限值。通過改變拱上橋墩支座布置方式,來改善墩頂縱向位移,并對不同支座布置形式的橋上無縫線路梁軌相對位移和軌道結(jié)構(gòu)受力進行分析研究。支座布置形式一:梁為簡支布置形式,交界墩設活動支座;支座布置形式二:最矮墩設活動支座,其余設固定支座,通過固定支座使簡支梁和較高橋墩形成框架結(jié)構(gòu)體系,以減小高墩墩頂縱向位移。2種支座布置形式如圖2所示。2.5.1拱上橋墩墩頂位移在制動力及豎向活載作用下,2種支座布置形式拱上橋墩墩頂位移如表3所示。由表3可知,這2種支座布置形式拱上橋墩墩頂縱向水平位移相差較大,支座固定布置形式優(yōu)于支座簡支布置形式。2.5.2抗推剛度分析由表4可知,這2種支座布置方式各橋墩縱向抗推剛度變化不大,高墩和次高墩雙線橋梁縱向抗推剛度均不滿足400kN/cm的要求。橋墩縱向抗推剛度影響到橋上無縫線路軌道結(jié)構(gòu)受力,如果橋上無縫線路鋼軌的應力、軌道斷縫及梁軌相對位移均滿足要求,橋墩縱向抗推剛度也可適度放寬。2.5.3無縫橋設計研究2.5.3.軌道斷縫的確定橋上無縫線路鋼軌受到列車荷載、溫度力、制動力以及伸縮附加力和撓曲附加力的作用,某些情況下還會承受斷軌力作用。橋上無縫線路附加力容許值由鋼軌的容許應力確定,軌道斷縫根據(jù)《新建鐵路橋上無縫線路設計暫行規(guī)定》確定,梁軌相對位移參照歐洲標準確定。(1)鋼軌附加拉力容許值:撓曲或伸縮附加拉力與制動拉力之和在1703.9kN內(nèi)。(2)橋上無縫線路鋼軌附加壓力容許值:撓曲或伸縮附加壓力為564.6kN;撓曲或伸縮附加壓力與制動壓力之和在982.7kN內(nèi)。(3)有砟軌道斷縫允許值80mm。(4)在制動附加力荷載工況下,在常阻力扣件范圍內(nèi),無伸縮調(diào)節(jié)器時,梁軌相對位移不得超過4mm。2.5.3.設拱上結(jié)構(gòu)方案主橋兩邊各取6孔32m混凝土簡支T梁建立模型,6孔以外設虛擬的橋臺。方案一:拱上結(jié)構(gòu)為“5孔32m簡支梁+Π形剛構(gòu)+5孔32m簡支梁”;方案二:拱上結(jié)構(gòu)為“3孔混凝土剛構(gòu)+2孔簡支梁+Π形剛構(gòu)+2孔簡支梁+3孔混凝土剛構(gòu)”?？奂坎捎贸Ｗ枇奂?不設伸縮調(diào)節(jié)器。2.5.3.內(nèi)橋上縫、下梁軌相對位移這2種布置形式中無縫線路鋼軌的伸縮力、制動力、撓曲力和斷軌力均滿足規(guī)范要求;發(fā)生斷軌時軌道斷縫滿足要求;制動力作用下梁軌相對位移滿足要求。從總體上看,方案一比方案二的橋上無縫線路附加力略小,但這2種支座布置方案均可行。綜合研究各因素,采用方案一的布置方式。2.6表1:表1拱肋結(jié)構(gòu)L/4處撓度、拱上橋墩縱橫向水平位移如表5所示。由以上計算結(jié)果可知,拱肋L/4跨度處的撓度、拱上橋墩縱橫向水平剛度、相鄰墩頂處梁的橫向水平折角等各項剛度指標均滿足規(guī)范要求。2.7鋼管拱施工過程及受力監(jiān)測拱肋應力按照施工步驟采用分步疊加法計算,根據(jù)鋼管拱應力計算需要建立了2個計算模型,模型一系對鋼管拱施工過程進行檢算,模型二系對鋼管拱形成組合截面后的受力狀況進行檢算。模型二將結(jié)構(gòu)劃分為2個施工階段,階段一為僅計拱肋自重階段,階段二為計拱上結(jié)構(gòu)、橋面二期恒載及成橋運營階段全部荷載,以便與模型一鋼管拱架設和頂升灌注混凝土施工階段產(chǎn)生的應力進行疊加。2.7.1拱肋合共享階段為了對施工過程中最不利狀態(tài)下的拱肋鋼結(jié)構(gòu)應力進行分析,應用Midas通用程序,對最大懸臂狀態(tài)施工階段及拱肋合攏階段進行了檢算。最大懸臂狀態(tài)下拱管的最大壓應力為-75.4MPa,發(fā)生在下弦L/8～L/4范圍內(nèi),最大拉應力為45.0MPa,發(fā)生在上弦L/4附近。拱肋合攏后拱管最大應力有所降低,最大壓應力為-50.9MPa,最大拉應力為39.7MPa。2.7.2灌注下弦拱肋混凝土為了分析拱肋混凝土澆筑順序?qū)Y(jié)構(gòu)各部位應力的影響,共進行了2組方案比選:(1)灌注上弦拱肋混凝土→灌注上弦綴板混凝土→灌注下弦拱肋混凝土→灌注下弦綴板混凝土,拆除扣索;(2)灌注下弦拱肋混凝土→灌注下弦綴板混凝土→灌注上弦拱肋混凝土→灌注上弦綴板混凝土,拆除扣索。采有先上弦后下弦的灌注順序,會在拱肋上弦混凝土中有一定的壓應力儲備,有利于抵消運營階段由拱腳負彎矩引起的拱腳上弦部位混凝土拉應力;采用先下弦后上弦的灌注順序,拱肋上弦混凝土中由拱肋結(jié)構(gòu)自重引起的壓應力很小,運營階段最不利荷載工況下拱腳部位的混凝土容易出現(xiàn)拉應力。經(jīng)過計算比選,拱肋混凝土的灌注順序推薦采用第一組方案,拱肋鋼管及混凝土應力均滿足規(guī)范要求。2.7.3混凝土應力分析通過對拱肋上、下弦的應力計算,主+附工況下,混凝土最大壓應力小于容許應力,為-21.84MPa,混凝土最大拉應力為4.6MPa,超過規(guī)范容許值,拱腳截面可增加配筋,按照鋼筋混凝土構(gòu)件檢算其應力和裂縫。下一階段還應結(jié)合拱軸線的研究比選和拱腳局部應力分析,研究解決主力+體系降溫荷載工況下拱肋上弦拱腳的混凝土拉應力問題。拱肋綴板應力、實腹拱肋的腹板應力、斜腹桿等桿件應力計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。2.8拱肋截面穩(wěn)定性驗算采用Midas程序建立空間模型進行穩(wěn)定性分析。在主力作用下(考慮收縮徐變),拱橋面內(nèi)穩(wěn)定安全系數(shù)為19.0,面外穩(wěn)定安全系數(shù)為25.7,根據(jù)空間計算結(jié)果選用的拱肋截面形式均滿足面內(nèi)和面外的穩(wěn)定性要求。2.9巖石地基的承載能力根據(jù)鉆探地質(zhì)資料,拱座基礎(chǔ)位于節(jié)理發(fā)育的石灰?guī)r上,地基基本承載力σ0=1000～1500kPa,采用明挖基礎(chǔ),充分發(fā)揮巖石地基的承載能力。為減少開挖,拱座基礎(chǔ)設計成臺階式,基礎(chǔ)尺寸橫向長40m,縱向長30m,高19m。2.10應和列車通過橋梁(1)車橋耦合動力分析中阻尼比按2%選取,所得計算結(jié)果略偏于安全。(2)C62貨車(v=50～80km/h)、DF11客車(v=80～140km/h)通過橋梁時的各項動力響應和列車的各項動力響應計算值均在容許值以內(nèi)。(3)C62貨車(v=50～80km/h)、DF11客車(v=80～140km/h)、通過橋梁時,脫軌系數(shù)<0.8,輪重減載率<0.6,列車行車安全性有保障。(4)DF11客車(v=80～140km/h)橋梁時,機車司機臺處橫、豎向舒適度指標均達到“良好”標準以上;車輛乘客乘坐橫、豎向平穩(wěn)性指標也均達到“良好”標準以上。(5)C62貨車(v=50～80km/h)通過橋梁時,機車司機臺處橫、豎向舒適度指標均達到“良好”標準以上;貨車車輛運行橫、豎向平穩(wěn)性指標也均達到“良好”標準以上。3纜索吊和拱肋拼裝鋼管混凝土拱橋的施工方法主要有轉(zhuǎn)體施工法和纜索吊裝法,如采用轉(zhuǎn)體