渭河沟大桥115m钢筋混凝土拱桥方案设计.pdf

2 0 1 5年第 9期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 文 章编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 5 ) 0 9 - 0 0 1 1 - 0 4 渭河沟大桥 1 1 5 m 钢 筋混凝土拱桥 方案设计 已 保 辉 ( 中铁第一勘察设计 院集 团有 限公 司 ， 陕西 西安7 1 0 0 4 3 ) 摘要 ： 兰渝 线渭 河沟 大桥 跨 越 深沟 ， 根 据桥 址 处 的地质 、 地 形等 情 况 ， 拟采 用 主跨 1 1 5 I n的上 承 式钢 筋混 凝 土拱桥 。本文 先对 该桥 的拱 轴 系数 进 行 了详 细研 究 ， 并拟 定 了主 桥 的 详 细 结 构尺 寸 及 施 工 方 法 、 步 骤； 然后 ， 采用 M i d a s 软件建立有限元模型 ， 进行静力、 动力、 稳定性及施工阶段等方面的计算分析 ， 分析 结 果表 明该桥 各 项技 术指 标 均满足 相 关规 范要 求 。 关键 词 ： 双 线铁路上承 式拱桥钢 筋 混凝 土拱桥设计 中图分类号 ： U 4 4 2 5 文献标识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 5 0 9 0 4 1 工程概况 兰渝 线渭 河 沟大桥 主桥 拟用 1 1 5 m 上承 式钢 筋混 凝土拱桥 。桥 梁位于直线 上 ， 线路纵坡 1 2 8 0 ， 为 I 级双 线 电气化 铁路 ， 设 计 行 车速 度 2 0 0 k m h 。桥址 位 于甘肃省陇南市武都区枫相院乡北侧， 地形狭窄 ， 沟床 呈典型的 V字形。桥位 区域河流 两岸的陡立坡面基 岩裸 露 。 桥址 范 围地层 主 要 为 下 元 古 界 的板 岩 ， 河岸 两 侧 峭壁 广泛 出露 ， 青 灰 色 略 带灰 绿 色 ， 板 状 构 造 ， 片理 面 较发育。岩质较致密坚硬 。表层强风化 ， 风化层厚约 71 0 m， 属 级 软 石 ， or = 6 0 0 k P a ；弱 微 风 化 ， 属 级软石 ， = 8 0 0 k P a 。工程所属区域地震动峰值加 速度值为 0 2 0 g， 相当于地震基本烈度八度 ， 地震动反 应谱特 征周期为 0 4 0 s 。该地区 1月份月平均气温 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 4 - 1 6 ； 修 回日期 ： 2 0 1 5 - 0 6 2 3 作者简介 ： 姚 保辉( 1 9 7 1 一) ， 男 ， 陕西宝鸡 人 ， 高级工程师。 一 2 ； 7月 份 月 平 均 气 温 2 4 o C； 平 均 相 对 湿 度 为 6 5 0 ， 最 大季 节冻 结深 度 1 3 c m。 2主桥设计构思 2 1桥式 选择 桥址处两岸边坡陡峭 ， 沟谷呈典 型的 V字形 ， 河 谷深 切 ， 地 质 条件 良好 。渭河 沟 沟槽 内常年 流水 、 水 流 湍急 ， 分布着大量块石及碎石 ， 最大的块石直径约 4 m 左 右 ， 沟 内不 宜设 置桥 墩 。 上承式拱桥整体性及横向稳定性好 ， 在地质条件 良好的峡谷地 区， 具有不可比拟 的优势。为了减轻拱 肋结构 自重 ， 增加桥 梁抗 扭能力 ， 拱肋 可采用箱形截 面。综合考虑上述 因素及减少后期养护维修工作量等 问题 ， 本桥主桥拟用上承式钢筋混凝土拱桥桥式。 2 2全桥 总体 布置 本桥主跨为 1 1 5 m钢筋混凝土提篮拱 ， 拱肋高度 2 5 0 m， 矢跨 比为 1 4 6 。拱 中心轴线采用悬链线方 程， 拱轴系数 1 9 。全桥总布置见 图 1 。 的效果 ， 为今后类似相关工程设计 提供了很好 的借鉴 案 例 。 参 考 文 献 1 孟兮 ， 高 日， 李承根 铁路 简支梁 桥 中减震 榫 的设计及 其减 震性 能研 究 J 桥 梁建设 ， 2 0 1 4 ， 4 4 ( 3 ) ： 8 1 8 6 2 孟兮 ， 倪燕平 减震榫设计及试验研究 J 北京交通大学学 报 ， 2 0 1 3， 3 7 ( 3 ) ： 1 0 3 1 0 6 3 范立 础 ， 王志强 桥梁减隔震设计 M 北京 ： 人 民交通 出版 社 ， 2 0 0 1 4 高芒芒 客运专线铁 路简 支梁桥 减震榫 方案 动力特性 仿真 分析 R 北京 ： 中国铁道科学研究院 ， 2 0 1 1 5 邓 敏 大跨度连续 梁桥地 震反 应分 析研究 D 成都 ： 西 南 交通大学 ， 2 0 0 8 6 陈浩 减 震榫 力学 性 能及其 在桥 梁 减震 中 的应用 D 北 京 ： 北京交通大学 ， 2 0 1 0 7 曾宪海 ， 蒋金洲 高速铁路曲线地段长大连续梁桥无缝线 路 方案研究 J 铁道建筑 ， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 1 5 8 卢耀荣 无缝线路研究 与应用 M 北 京 ： 中国铁 道出版社 ， 2 00 4 ( 责任 审编孟庆伶) 2 0 1 5年第 9期 姚保辉 ： 渭河沟大桥 1 1 5 m钢筋混凝土拱桥方 案设计 1 3 考虑 到 连续梁 能增 强桥 面纵 、 横 向 的刚度 ， 行 车条 件好 ， 拱顶框架两端各采用 41 2 m的桥面纵梁 ， 桥面 纵梁采用等高度钢筋混凝土连续梁。采用单箱单室截 面 ， 箱梁高 1 8 m， 顶 板宽 l 1 3 6 m， 底板 宽 5 6 m， 跨 中腹板 厚 5 0 c m， 顶板 厚 3 0 c m， 底 板厚 3 0 e m。桥 面纵 梁 采用 现浇 悬臂 式人 行道 。每 联纵 梁 固定支 座设 在拱 顶侧 ， 其余各墩柱采用活动支座 ， 以免固定支座设置在 拱 座墩 上而 导致 拱座 墩 的尺寸 过大 。 拱顶采用框架式结构 ， 为避免其与拱圈共同受力 而使顶板产生较大的顺桥 向压力 ， 每隔 4 7 m设 1道 横 向 断缝 ； 框 架 顶板 和两 侧墙 采用 混凝 土铰 ， 以减 少拱 肋的不均匀沉降对框架产生的较大内力 。框架顶板跨 中厚采 用 3 5 c m， 框 架侧 墙厚 采用 6 0 e n l 。 3 4拱座基 础 拱座纵 向长度为 1 3 6 m， 横 向尺寸 1 5 5 m， 高度 1 7 m， 拱座基础置于板岩弱风化层。施工时 以拱肋预 埋 钢 管底部 位 置为 分 界 线分 两 次 浇 筑 ， 一 方 面 可 以 减 小结 构尺 寸降 低水 化 热 ， 另 一方 面可 以 固定 预 埋 钢 管 支架 ， 确保预埋钢管定位牢固。 4 结构计算 4 1 静力计算分析 4 1 1 主要 设 计荷 载 二期 恒载 包括 线路 设备 、 道 砟 、 挡 砟墙 、 防水 层 、 电 缆槽 、 接触 网支架 、 桥 面铺 装等 的重量。二期恒 载按 1 6 5 k N m计 算 。 收缩徐变按 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝 土结构设计规范 ( T B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5 ) 中规定采用。混 凝土平 均加载龄期 按 7 d计 ， 终极龄期 按 1 5 0 0 d 计 。 设 计 活载 采用 中 活 载 ， 验算 引桥 简 支 梁及 拱 上 结 构时， 动力系数按照 铁路桥涵设计基本规范 4 3 5 条第 3款计算 ， 1+ =1 2 8 6 。 验算主拱 圈时， 动力系数按照 铁 路桥涵设计基 本规范 4 3 5条第 4款计算 ， 1+ z=1 2 0 。 拱肋合龙温度采用 l 01 5。当地 7月平均气 温 2 4 ， 1 月平均气温 一2 o C。整体升温 l 4 ， 计算 时取 2 0 。整体降温 一1 7 ， 计算时取 一1 7。拱 上 纵梁桥 面板 考虑 非 均匀升 温 5 。 。 拱 圈基础 竖直 变位 和水 平 变位 均 为 0 0 5 m； 拱上 连续 梁 与拱 圈 、 拱 上立 柱联合 计算 ， 以考虑拱 圈 基础 变 位及结构变形对其 内力 、 变形 的影响。 4 1 2 主 要计 算 结果 拱桥 的 1 4跨度处 ， 由列车竖 向静活载所产生的 上下挠度 ( 绝对值 ) 之和为 0 0 3 2 m； 拱上连续梁结构 由列车竖 向静活载所 引起 的竖 向挠度 为 0 0 4 5 m； 拱 上连续梁结构由列车竖向静活载所引起的梁端转角为 0 0 0 0 8 4 t a d ， 均满 足规 范要 求 。 拱座计算时 ， 将拱座墩墩底力及拱肋拱脚力垂直 投 影到拱 座 最下一 层 台阶 底 面进 行 计 算 ， 不 考 虑基 础 背面地基 的影响。拱座底面滑动稳定计算参照公路桥 涵设计手册 墩 台与基 础 ( 第二 版) ， 计算结果见表 1 。基底应力及基础稳定均满足规范要求。 表 1 拱座 计算 结果 拱脚、 拱顶钢筋应力均为 1 2 0 M P a左右， 拱脚、 拱 顶混凝土应力均为 1 2 MP a左右 ， 满足规范要求。拱肋 截 面应 力及 裂缝 情况 见表 2 。 表 2 拱肋计 算结果 表 2中轴 力值 受 压 为 正 ， 弯矩 值 拱 肋 截 面 上 缘 受 拉 为 负 ， 下 缘 受拉 为正 。 1 及 8 拱 上立 柱 由于立 柱高 度为 1 7 m左右 ， 截 面 应 力 受纵 向地 震 控 制 ， 混 凝 土 应 力 为 1 3 3 MP a ， 钢 筋 应力为 2 2 3 9 M P a ， 满足规范要求。拱上连续梁 固定 支 座放 置 于 4 及 5 拱 上立 柱 上 ， 截面 应 力受 纵 向地震 控制 ， 混凝 土应 力 为 9 6 MP a ， 钢筋应 力 为 2 1 6 6 MP a ， 满足规范要求。 拱上连 续梁抗 弯 计算 结果 见 表 3 ， 均 满足 规 范 要 求 。 表 3 拱上连续梁计算结果 1 4 铁道建筑 4 2动力 计算分 析 地震 动峰 值 加 速 度 0 2 0 g ， 特 征 周 期 0 4 0 s 。采 用 Mi d a s 软 件对 空 间结 构 进 行 动 力 特 性 分 析 ， 得 出结 构前 五 阶 自振 周期 及振 型特性 见表 4 。 表 4 全 桥 振 型 4 3稳 定性 分析 结果 稳 定性 分 析 中 ， 计 算荷 载 考 虑 自重 、 二 期 恒 载 、 静 活 载 等 。静 活载 全桥 均布加 载 。 拱 肋 稳 定 性 计 算 结 果 ： 拱 肋 纵 向临 界 荷 载 系 数 3 2 3 ， 拱肋横 向临界荷载 系数 6 8 3 ， 均大于规范规定 的安全系数 5 ， 即稳定性满足要求。 5主桥施工工艺 本桥采用缆索 吊装法施工 。借助山体上设置的缆 索吊 ， 采用斜拉扣挂法完成预制拱肋的吊装 ， 然后在拱 肋 上现 浇拱 上立 柱 ， 在 拱肋 支 架 上 现 浇 桥 面纵 梁 。拱 肋施 工 图见 图 4 。 兰州 图 4拱 肋 施 工 示 意 1 ) 缆 索 吊安装 预制 拱肋 缆 索 吊的 吊塔 由施 工方 根据 现场 实际 情况及 自身 的设备状况确定 ， 视吊装方便可将扣塔设置在桥墩上， 但 需对 桥墩 进行 检算 。除 去支架 现浇 段 、 湿 接缝 、 拱 顶 合龙段 ， 每片拱肋分为 1 4个节段 吊装 ， 最大 吊重控 制 在 7 5 0 k N 。拱肋 的吊装方法采用 四点抬 吊整体吊装 、 就位 的方法 进行 。 2 ) 拱上 立柱 施工 待 拱肋 混凝 土达 到 一 定 强 度后 ， 从 两 拱 脚 向拱 顶 对称依次安装及浇筑立柱混凝土， 每组立柱混凝土需 在初凝 前一 次浇 筑 完 成 。浇 筑 盖梁 混 凝 土 时 ， 从 两 拱 脚向拱顶对称依次浇筑盖梁混凝土。 3 ) 拱顶 框架 施工 从 两 侧 向拱 顶对 称依 次在 支架 上现 浇拱顶 框架 。 4 ) 支架现浇桥面纵梁 以墩 、 立柱及拱为依托架设支架。支架按不小于 上部最大施工荷载的 1 2倍重量进行预压。待盖梁混 凝 土达 到一定 强度 后 ， 从 两 拱脚 向拱 顶 对 称依 次 在 支 架 上分 段对称 现 浇桥面 连续 梁 。 5 ) 桥 面 系施工 拆 除 支架 ， 施 工 桥 台及 引 桥 ， 现浇 安 装 伸缩 缝 、 施 工 桥面 铺装 及桥 面系 。 6 结 语 本桥采用缆索吊装预制拱肋 ， 最后施工拱上结构 ， 该方 法很好 地解 决 了跨越 深峡 谷或 深水 区 的大跨度 拱 桥 的安装施 工 。 同时 ， 拱上 立 柱 及 拱 顶框 架 的构 造 比 较新颖 ， 对 同类桥梁起到很好的借鉴参考作用。 参 考 文 献 1 陈宝春 钢管混 凝土拱 桥设计 与施工 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 0 2 陈宝春 钢管 混凝 土上 承式拱 桥 桥型 分析 J 公路 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 1 4 3 瞿 国钊 宜万铁路落步溪大桥 1 7 8 m 混凝土拱 桥设计 J 铁 道标 准设计 ， 2 0 0 5 ( 1 1 ) ： 5 7 5 9 4 宋顺忱 ， 李凤芹 朔准线黄河桥 主桥拱 上建筑结构研究 J 铁 道建筑 ， 2 0 1 2 ( 5 ) ： 4 7 5 中华人民共 和 国铁 道部 T B 1 0 0 0 2 1 2 0 0 5 铁 路桥 涵设 计基本规范 S 北京 ： 中 国铁道出版社 ， 2 0 0 5 ( 责任 审编孟庆伶)