上承式钢管混凝土拱桥设计研究

上承式钢管混凝土拱桥设计研究

1总结1.1大坝设计标准、洪水水质、流凌特征黄河大桥位于河口市至龙口的峡谷区。万家寨水库下游位于19公里处，龙口水库上游为6.5公里处。桥梁轴线与河流方向一致。桥址处河道底宽292m,上口宽347m,常水位为5～8m,河床至轨面高为145.3m。两岸岸坡为奥陶系中统石灰岩,基本承载力为1500kPa。地震动峰值加速度为0.05g。万家寨水库于2002年竣工并通过国家验收,大坝设计标准:按1/500洪水设计,设计最大泄量Q1/500=7624m3/s。龙口水库大坝是正在建设中,其设计标准为P=1%,调洪期间设计洪水位896.26m,冬季水库正常蓄水位898.0m。依照水文站实测资料:实测最大冰厚1.20m,流凌平均流速为3.18m/s。本段黄河常出现“倒开河”的现象。开河时下游晚于上游,水位迅猛上涨,形成凌汛洪峰。凌汛洪峰流量一般在2000m3/s,有的年份超过3000m3/s,甚至成为全年最大的洪峰流量。防洪评价的主要结论是:“……龙口水库建成后,在凌汛期桥位河段易产生冰塞、冰坝。……由于桥位处河道较窄,推荐采用一跨直接跨越河道方案。”1.2钢管混凝土系统结构设计该桥的地形、地质条件非常适合于设置上承式拱桥,钢管混凝土拱桥跨越能力大,是大跨桥梁发展方向之一,国内外公路、铁路已有多个成功的先例。利用拱肋钢管和扣索作为拱肋混凝土灌注施工的劲性骨架,可节省模板和支架,方便施工。根据边坡稳定分析结果,当主跨跨度选择380m时,考虑两岸山体沟谷的影响,主桥基础位于稳定坡角线内,因此,钢管混凝土拱桥的跨度采用380m,交界墩高76m,如图1所示。1-380m双线上承式拱桥不但桥梁结构形式与周围环境相协调,避免了水中设墩易发生冰塞、冰坝的安全隐患,满足防洪评价要求,而且其方案造价也最为节省。因此,推荐采用1-380m双线上承式拱桥方案。2上弦拱肋的连接主跨结构为提篮形钢管混凝土拱,拱脚中心跨度380m,矢高76m,矢跨比为1/5,主拱拱轴线为悬链线,拱轴系数m=3.0。拱肋横向内倾7.6°,拱肋拱脚处中心距28m,拱顶中心距7.72m。拱肋采用等宽变高截面,拱肋高度在拱脚处13.5m、拱顶处7.5m,宽为6.5m。每条拱肋由4肢ϕ1500mm的钢管组成,横向拱管之间由缀板连接,缀板内灌注C50补偿收缩混凝土。上下弦拱肋之间的连接形式在0～L/10范围内采用实腹钢板;L/10～L/2范围内采用空腹。拱顶76.9m范围内采用混凝土∏型刚架,共分为7联。∏型刚架范围以外拱上梁跨采用32m铁路标准简支T梁,桥墩采用钢管混凝土刚架墩,墩柱在纵、横桥向均为两排。2.1钢管混凝土系统结构设计大跨度拱桥常用拱轴线为悬链线,矢跨比和拱轴系数是拱桥的一个特征参数,直接影响拱肋受力。表1中列出了几座钢管混凝土拱桥的矢跨比和拱轴系数。根据线路轨面和拱脚基础所在位置,钢管拱拱肋高度采用76m,矢跨比采用1/5较为合理。大跨度拱桥拱脚部位的轴力和弯矩比拱顶及其它部位的轴力和弯矩要大得多,钢管拱的应力由拱脚截面控制。根据拱肋内力计算结果,当拱轴系数m取较大值时,拱脚弯矩较小,因此,本桥拱轴系数取m=3。2.2拱肋结构形式目前,大跨度上承式和中承式拱桥拱肋常用的结构形式有钢箱结构、钢管混凝土结构及劲性骨架钢筋混凝土结构,如上海卢浦大桥,主跨为550m,主桥拱肋为钢箱结构;万县长江大桥,主跨420m,拱肋为劲性骨架钢筋混凝土结构;巫山长江大桥,主跨460m,拱肋为钢管混凝土结构;北盘江铁路大桥,主跨236m,拱肋为钢管混凝土结构。上承式拱桥拱肋结构为主要受力构件,其受力行为主要表现为承受轴向压力。拱肋结构形式宜选择钢与混凝土组合结构,即钢管混凝土结构,或劲性骨架混凝土结构。大跨度铁路桥梁所承受的活载大,要求的结构刚度也大,为了减轻拱肋结构自重、增加其承载能力和提高结构刚度,拱肋宜采用空腹桁架结构形式,如跨度460m的巫山长江大桥和跨度430m的湖北支井河大桥均采用钢管混凝土桁架式拱。对于大跨径劲性骨架混凝土拱桥,施工过程非常复杂,混凝土浇注工作面多,前后浇注混凝土的收缩徐变量也不同,浇筑质量难以保证。钢管混凝土拱相对于劲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点,因此,本桥拱肋结构形式采用钢管混凝土拱。综合理论计算并考虑施工方便,拱肋截面采用4管形式。2.3钢拱肋横倾角设计原则提篮拱拱肋中心距自拱顶至拱脚由小逐渐变大,既可以减小拱上结构如拱顶∏型刚架和刚架墩的圬工量,还可以使结构的横向刚度有较大的提高,因此,本桥拱肋形式选择提篮式。拱肋中心距及横倾角应根据以下3个原则选取:(1)拱上结构和拱座基础圬工量最小;(2)满足结构横向刚度要求;(3)满足车桥耦合动力仿真分析中的列车运行安全性及舒适性或平稳性指标要求。钢管拱横倾角取值范围一般在6°～13°,本次设计根据拱上结构桥墩和∏型刚架的构造要求,对拱肋横倾角7.6°和9.0°进行了比选。当拱肋横倾角为7.6°、拱脚中心距为28m时,拱上结构和拱座基础圬工量最小,而且,结构刚度及车桥耦合动力响应分析中的各项指标均满足要求,因此,拱肋横倾角推荐采用7.6°。2.4拱顶建筑主梁的长度和支墩顶部的支撑配置2.4.1型大跨桥结构拱上结构采用32m跨度时,主桥一侧仅需设置4个桥墩,最高墩墩高52.58m,∏型刚架长77m,且主桥与引桥梁高相同,主桥立面造型简洁流畅。拱上结构采用24m跨度时,主桥一侧需设置5个桥墩,最高墩墩高58.92m,∏型刚架长107.6m,且主桥与引桥梁高相差0.4m,桥墩较密,主桥立面造型显得有些凌乱。2.4.2拱上结构桥墩拱上桥墩墩顶位移由两部分组成,一部分是桥墩本身的位移,另一部分是由拱肋变形引起,由于拱肋变形引起的墩顶位移较一般桩基础变形引起的墩顶位移要大,拱上结构桥墩应选取纵横向刚度较大的结构形式,在混凝土用量相同的情况下,柱式墩比空心墩纵向刚度大,因此,拱上结构桥墩形式采用四柱钢管混凝土墩。拱上结构跨度分别采用32m及24m不同跨度时,拱肋竖向挠度、墩顶纵横向水平位移及结构自振频率如表2所示。由表2可知,两种跨度下,在拱桥的L/4处,由列车竖向静活载所产生的上下挠度(绝对值)之和,均满足规范要求。活载作用下,拱上桥墩墩顶顺桥方向的最大弹性水平位移发生在次高墩,32m跨度、24m跨度均超过简支梁的容许位移,分别是简支梁容许位移的1.36倍和1.44倍;两种跨度下,梁的最大水平折角均发生在矮墩部位,32m跨度为1.33‰,满足规范要求,24m跨度为1.67‰,大于1.5‰,不满足规范要求;拱上桥墩纵、横向水平刚度24m跨度较32m跨度小。2.4.3拱肋应力分析从拱上桥墩传递给拱肋的作用力看,32m跨度高墩的一个墩柱柱底轴向力为9369.3kN,24m跨度高墩的一个墩柱柱底轴向力为8974.1kN,虽然24m跨度由墩柱传递给拱肋的作用力略小,拱肋应力与32m跨度相比应相对均匀,但下部结构24m跨度却比32m跨度多了一个高墩,拱上结构自重约增加15%。因此,两种跨度对应的拱肋控制截面应力相差并不大。为了减小局部荷载对拱肋截面应力的影响,应采取拱上立柱在拱肋上的作用点尽量与腹杆交点重合,以及加大腹杆刚度使上下弦拱肋共同受力等措施。2.4.4h跨度方案比选24m与32m跨度相比,梁部及∏型刚架上部结构总的材料用量相差不多,下部结构由于24m跨度增加了一个高墩,与32m跨度相比混凝土用量增加999.7m3。考虑24m跨度梁的水平折角不满足规范要求的因素,24m跨度方案较32m跨度方案造价约高100万元。综合研究结果,拱上结构跨度推荐采用32m跨方案。2.5起落架支架布置根据前面的位移分析结果,拱上桥墩墩顶纵向位移较大,超过了规范规定的简支梁墩顶位移限值。通过改变拱上桥墩支座布置方式,来改善墩顶纵向位移,并对不同支座布置形式的桥上无缝线路梁轨相对位移和轨道结构受力进行分析研究。支座布置形式一:梁为简支布置形式,交界墩设活动支座;支座布置形式二:最矮墩设活动支座,其余设固定支座,通过固定支座使简支梁和较高桥墩形成框架结构体系,以减小高墩墩顶纵向位移。2种支座布置形式如图2所示。2.5.1拱上桥墩墩顶位移在制动力及竖向活载作用下,2种支座布置形式拱上桥墩墩顶位移如表3所示。由表3可知,这2种支座布置形式拱上桥墩墩顶纵向水平位移相差较大,支座固定布置形式优于支座简支布置形式。2.5.2抗推刚度分析由表4可知,这2种支座布置方式各桥墩纵向抗推刚度变化不大,高墩和次高墩双线桥梁纵向抗推刚度均不满足400kN/cm的要求。桥墩纵向抗推刚度影响到桥上无缝线路轨道结构受力,如果桥上无缝线路钢轨的应力、轨道断缝及梁轨相对位移均满足要求,桥墩纵向抗推刚度也可适度放宽。2.5.3无缝桥设计研究2.5.3.轨道断缝的确定桥上无缝线路钢轨受到列车荷载、温度力、制动力以及伸缩附加力和挠曲附加力的作用,某些情况下还会承受断轨力作用。桥上无缝线路附加力容许值由钢轨的容许应力确定,轨道断缝根据《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》确定,梁轨相对位移参照欧洲标准确定。(1)钢轨附加拉力容许值:挠曲或伸缩附加拉力与制动拉力之和在1703.9kN内。(2)桥上无缝线路钢轨附加压力容许值:挠曲或伸缩附加压力为564.6kN;挠曲或伸缩附加压力与制动压力之和在982.7kN内。(3)有砟轨道断缝允许值80mm。(4)在制动附加力荷载工况下,在常阻力扣件范围内,无伸缩调节器时,梁轨相对位移不得超过4mm。2.5.3.设拱上结构方案主桥两边各取6孔32m混凝土简支T梁建立模型,6孔以外设虚拟的桥台。方案一:拱上结构为“5孔32m简支梁+Π形刚构+5孔32m简支梁”;方案二:拱上结构为“3孔混凝土刚构+2孔简支梁+Π形刚构+2孔简支梁+3孔混凝土刚构”。扣件全部采用常阻力扣件,不设伸缩调节器。2.5.3.内桥上缝、下梁轨相对位移这2种布置形式中无缝线路钢轨的伸缩力、制动力、挠曲力和断轨力均满足规范要求;发生断轨时轨道断缝满足要求;制动力作用下梁轨相对位移满足要求。从总体上看,方案一比方案二的桥上无缝线路附加力略小,但这2种支座布置方案均可行。综合研究各因素,采用方案一的布置方式。2.6表1:表1拱肋结构L/4处挠度、拱上桥墩纵横向水平位移如表5所示。由以上计算结果可知,拱肋L/4跨度处的挠度、拱上桥墩纵横向水平刚度、相邻墩顶处梁的横向水平折角等各项刚度指标均满足规范要求。2.7钢管拱施工过程及受力监测拱肋应力按照施工步骤采用分步叠加法计算,根据钢管拱应力计算需要建立了2个计算模型,模型一系对钢管拱施工过程进行检算,模型二系对钢管拱形成组合截面后的受力状况进行检算。模型二将结构划分为2个施工阶段,阶段一为仅计拱肋自重阶段,阶段二为计拱上结构、桥面二期恒载及成桥运营阶段全部荷载,以便与模型一钢管拱架设和顶升灌注混凝土施工阶段产生的应力进行叠加。2.7.1拱肋合共享阶段为了对施工过程中最不利状态下的拱肋钢结构应力进行分析,应用Midas通用程序,对最大悬臂状态施工阶段及拱肋合拢阶段进行了检算。最大悬臂状态下拱管的最大压应力为-75.4MPa,发生在下弦L/8～L/4范围内,最大拉应力为45.0MPa,发生在上弦L/4附近。拱肋合拢后拱管最大应力有所降低,最大压应力为-50.9MPa,最大拉应力为39.7MPa。2.7.2灌注下弦拱肋混凝土为了分析拱肋混凝土浇筑顺序对结构各部位应力的影响,共进行了2组方案比选:(1)灌注上弦拱肋混凝土→灌注上弦缀板混凝土→灌注下弦拱肋混凝土→灌注下弦缀板混凝土,拆除扣索;(2)灌注下弦拱肋混凝土→灌注下弦缀板混凝土→灌注上弦拱肋混凝土→灌注上弦缀板混凝土,拆除扣索。采有先上弦后下弦的灌注顺序,会在拱肋上弦混凝土中有一定的压应力储备,有利于抵消运营阶段由拱脚负弯矩引起的拱脚上弦部位混凝土拉应力;采用先下弦后上弦的灌注顺序,拱肋上弦混凝土中由拱肋结构自重引起的压应力很小,运营阶段最不利荷载工况下拱脚部位的混凝土容易出现拉应力。经过计算比选,拱肋混凝土的灌注顺序推荐采用第一组方案,拱肋钢管及混凝土应力均满足规范要求。2.7.3混凝土应力分析通过对拱肋上、下弦的应力计算,主+附工况下,混凝土最大压应力小于容许应力,为-21.84MPa,混凝土最大拉应力为4.6MPa,超过规范容许值,拱脚截面可增加配筋,按照钢筋混凝土构件检算其应力和裂缝。下一阶段还应结合拱轴线的研究比选和拱脚局部应力分析,研究解决主力+体系降温荷载工况下拱肋上弦拱脚的混凝土拉应力问题。拱肋缀板应力、实腹拱肋的腹板应力、斜腹杆等杆件应力计算结果均满足规范要求。2.8拱肋截面稳定性验算采用Midas程序建立空间模型进行稳定性分析。在主力作用下(考虑收缩徐变),拱桥面内稳定安全系数为19.0,面外稳定安全系数为25.7,根据空间计算结果选用的拱肋截面形式均满足面内和面外的稳定性要求。2.9岩石地基的承载能力根据钻探地质资料,拱座基础位于节理发育的石灰岩上,地基基本承载力σ0=1000～1500kPa,采用明挖基础,充分发挥岩石地基的承载能力。为减少开挖,拱座基础设计成台阶式,基础尺寸横向长40m,纵向长30m,高19m。2.10应和列车通过桥梁(1)车桥耦合动力分析中阻尼比按2%选取,所得计算结果略偏于安全。(2)C62货车(v=50～80km/h)、DF11客车(v=80～140km/h)通过桥梁时的各项动力响应和列车的各项动力响应计算值均在容许值以内。(3)C62货车(v=50～80km/h)、DF11客车(v=80～140km/h)、通过桥梁时,脱轨系数<0.8,轮重减载率<0.6,列车行车安全性有保障。(4)DF11客车(v=80～140km/h)桥梁时,机车司机台处横、竖向舒适度指标均达到“良好”标准以上;车辆乘客乘坐横、竖向平稳性指标也均达到“良好”标准以上。(5)C62货车(v=50～80km/h)通过桥梁时,机车司机台处横、竖向舒适度指标均达到“良好”标准以上;货车车辆运行横、竖向平稳性指标也均达到“良好”标准以上。3缆索吊和拱肋拼装钢管混凝土拱桥的施工方法主要有转体施工法和缆索吊装法,如采用转体