孟庙至平顶山铁路钢管混凝土拱加劲连续梁桥设计.pdf

6 世 界 桥 梁 2 O 1 6 ， 4 4 ( 1 ) 孟庙至平顶山铁路钢管混凝土拱加劲连续梁桥设计 陈 卫华 。 龙 俊 贤 ( 中铁武汉勘察设计研 究院有限公司， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 ) 摘要 ： 孟庙 至平顶 山铁 路跨 3 1 1国道特大桥主桥为 ( 3 2 +1 0 0 +3 2 )m钢管混凝土拱加劲连续梁桥 ， 平面位于 R一1 6 0 0 m的 曲线上 。主梁为预应力混凝土双纵箱梁结构 ， 纵梁间桥 面结构采 用纵 、 横梁体 系格子 梁， 纵 梁为单箱 单室截 面 ， 沿 纵 向等 宽、 变高度 ； 在 1 0 0 m 主跨上方 ， 对应于双纵梁设 2道变高度钢管混凝土拱肋加劲 ， 2道拱肋间采用空心钢管组成的 3道横撑 实现 横 向连接 ， 每道拱肋 由 2 根 钢管组成 ， 拱肋钢管及实腹段 内填筑 C 5 0 微 膨胀 混凝 土 ； 每道拱肋下设 1 3组 吊杆 ， 每组 吊杆 的纵 向 间距 为 6 m。采用有限元程序 MI DA S建立 主桥 有限元模 型 ， 进行静 、 动力特 性分析 ， 采用 ANS Y S建 立拱脚处 空间实体 模型 对拱脚处 局部 应力进行 分析 ， 分析结果表 明该桥各项静 、 动力特性 均满足要 求。 关键 词 ： 铁路桥 ； 钢管混凝土拱 ； 加劲连 续梁； 静力特性 ； 动 力特性 ； 曲线 ； 桥 梁设计 中图分类号 ： U4 4 8 2 2 ； U 4 4 2 5 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 0 6 0 4 1工程概 况 孟庙至平顶山铁路跨 3 1 1国道特大桥位于河南 省平顶山市 ， 为跨越 3 1 1国道及建设路而设 ， 建设路 与铁路斜交 4 5 2 。 ， 现状道路宽 2 8 m， 规划 6 0 m 路 面红线宽度。平顶 山市规划局要求 6 0 m红线 内不 允许建筑 物进入。由于桥台尾距离平顶 山东站仅 3 6 8 m， 受车站现有轨 面高度及线路纵坡控制 ， 该桥 线路高程受限制， 跨建设路采用 ( 3 2 +1 0 0 +3 2 )m 钢管混凝土拱加劲连续梁 ， 中孔跨建设路 ， 墩身在红 线外， 桥下净空高度为 6 9 5 m。该桥桥址段分布第 四系全新统堆积 ( Q ) 素填土、 杂填土， 第四系全新 统 冲积 ( Q： ) 粉质 黏土 、 粉 土 、 细砂 、 中砂 及 细 圆砾 土 等地层 ， 下伏第 四系上更新统冲积 ( Q ； ) 粉质黏土 、 中砂、 粗砂 、 砾砂及细圆砾土等 。桥址 区地震动峰值 加 速度 为 0 0 5 g ， 抗 震 设 防烈 度 为 6度 。 主桥 立 面布置 示 意如 图 1 所 示 。 3 2 8 5 】 0 0 0 0 3 2 8 0 图 1 主桥立面布置示意 2 主要 技术标 准 ( 1 )铁路等级 ： I级。 ( 2 )桥 上线路 ： 双 线 ， 线 间距 4 4 0 4 7 2 m； 线 路平面为曲线 ， 半径 1 6 0 0 m， 纵坡+0 0 。 ( 3 )列车设计行车速度 ： 1 2 0 k m h 。 ( 4 )设计荷载 ： 中一活载。 ( 5 )轨道结构 ： 采用 6 0 k g m重型钢轨 ， 按无缝 线路设计 ， 铺设型预应力钢筋混凝土轨枕。 ( 6 )桥面 ： 道碴桥面。 3结构 设 计 3 1 主梁 该 桥 主 梁 为预 应 力混 凝 土 双纵 箱 梁结 构 ， 纵 梁 问桥面结构采用纵、 横梁体系格子梁 ， 主梁全部采用 C 5 5 混 凝 土 。主梁 总宽 1 7 8 m， 全 长 1 6 5 2 m。纵 梁为单箱单室截面 ， 纵 向等宽度、 变高度 ， 跨中和端 部梁高为 3 0 m， 根部梁高为 6 0 m， 梁宽 3 0 m， 纵 梁顶 、 底板 、 腹 部及 两 纵 梁 间 的桥 面顶 板 厚 度 均 为 0 5 m。对应 吊杆及横梁位置， 纵梁 内部设横 隔板 ， 除 中支点 横 隔板 外 均 设 有 1 5 0 c m9 0 c m 过人 洞 。 一 般横隔板厚度为 8 0 c m， 端横隔板厚度为 1 5 0 c m， 中主墩位置实体段厚度为 7 2 0 c m。两纵梁 问的横 梁高度均为 3 0 m， 其 中一般横梁厚度为 6 0 a m， 端 横梁厚度为 1 5 0 c m， 中墩上方横梁厚度为 2 0 0 c m。 小纵梁厚度均为 5 0 c m， 高度均为 1 0 0 c m_ 1 。主梁 横 断面示 意如 图 2所示 。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 1 O 一1 2 作者简 介： 陈卫华 ( 1 9 6 8 一) ， 男 ， 高级工程师 ， 1 9 8 9年毕业于西南交通大学土木工程专业 ， 工学学士( E - ma i l ： c wh 2 2 2 7 7 s o h u c o rn) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 孟庙至平顶 山铁路钢 管混凝 土拱加劲连续梁桥设计 陈卫华 ， 龙俊 贤 7 一 4 0 0 l n 20 、 横撑( 9 0 0 m 1 6 m空心钢管) 2 。 l l ： 1 6 0： 5 2 q 9 2 5 5 2 6 9 ：3 6 q ) I ：拍 4 4 2 ， 一 4 7 0 。 I I 左线( 曲线内侧) 右线( 曲线外侧) L - 芒 一 ， 。 一 一： t = d 厂 厂。 LJ ! 1 一 L。_一 3 9 04 0 0 3 9 0 3 0 0 l 1 1 8 0 l 3 0 0 。 1 7 8 0 位 ：am 图 2主 梁 横 断 面 示 意 3 2 拱肋 在 1 0 0 m 主跨 上方 ， 对 应 于 双纵 梁 设 2道钢 管 混凝土拱肋加劲 。拱肋计 算跨度 为 1 0 0 m， 拱肋 中 心线矢跨 比为 1 5 。每道拱肋 由 2根 , d 4 0 0 mm 2 O mm 的钢管及连接钢管的腹杆构成 ， 其 中上弦钢 管矢跨比为 0 2 1 4 ， 下弦钢管矢跨比为 0 1 9 ， 均采用 二次抛物线线形。2道拱肋 间采用空心钢管组成 的 3道“ 米” 字形横撑实现横 向连接 。每组 吊杆位置设 1根箱形腹杆 ， 钢箱截面尺 寸为口8 6 0 mm1 4 0 0 mm， 腹杆长度随拱高变化 而变化。拱肋 钢管及实 腹段 内填 注 C 5 O微膨 胀混 凝 土 。 3 3 吊杆 每道拱肋下设 1 3 组 吊杆 ， 全桥共 2 6 组 ， 每组吊 杆 的纵 向间距 为 6 m， 端 吊杆 到 中墩 支 承线 距 离 为 1 4 m。每组 吊杆 由 2根 0VM G J 1 5 1 6型钢绞线 整束挤压吊杆组成 ， 每根吊杆索体 由 1 6根 7 5钢绞 线构成 ， 钢绞线 强度为 1 8 6 0 MP a 。每组 吊杆设 2 根， 在更换 吊杆时可以直接拆除其 中 1 根 ， 而不需设 临时 吊杆 。 3 4 预应 力 3 4 1 纵 向预应力 梁体纵向预应力体 内索采用高强度低松弛钢绞 线 ， f D k ： = = 1 8 6 0 MP a 。体 内纵 向预应力分 为腹板通 长束 、 顶板束、 底板束和桥面结构通长束四部分 。腹 板通长束采用 2 4束 1 5 7 1 , 5 钢索 ， 全部在主梁两端 张拉 。顶板柬布置在 中支点负弯矩 区， 采 用 4 0束 1 2 7 5钢索 ( 全桥 8 0束 ) ， 分成 4批在齿 块上张 拉。底板束采用 3 2束 1 9 7 5钢索 ， 布置在 中跨底 板上 ， 分成 6 批在齿块上张拉 。桥面板通长束采用 1 O束 1 2 7 5钢索 ， 布置在桥面板和小纵梁上， 全 部在主梁两端张拉 。纵向预应力除用以抵消梁体竖 向弯矩外 ， 还用 以抵消拱肋 的水平推力。除布置体 内纵 向预应力束外 ， 纵梁两 中支点横隔板之间设置 了 8束 3 1 7 5体外束， 以承受拱肋 推力 。体外束 采用环氧涂层 钢绞线， 锚具采用 O VMX GK1 5 3 1 型， 为可调 、 可更换式， 在桥梁的使用寿命期 内可根 据桥梁的使用情况 ， 对体外索进行二次张拉或更换。 3 4 2 横 向、 竖 向预 应力 主梁顶板沿纵向每 5 0 c m左右布置 1 束横向预 应力束， 其索型采用 4 7 5 钢绞线 ， 端、 中横( 隔) 梁 位置处索型采用 5 7 5钢绞线 ； 顶板横 向束交错单 端张拉， 一端为 P型锚 ， 浇筑混凝土 时预埋在混凝 土中。在每个 横( 梁) 隔板下部也设置 了横 向预应 力 ， 以增强主梁 的横向整体性 ， 索型为 5 7 5钢绞 线 ， 端横梁设置 1 2束 ， 中支点横梁设 置 1 6束 ， 一般 横梁设置 6束 。横梁横向束也采取交错单端张拉 。 竖向预应力采用 P S B 8 3 0预应力混凝土用螺纹 钢筋 ， 抗拉强度标准值 为 8 3 0 MP a 。中支承点拱脚 部位应力 比较复杂 ， 纵 向布置 2 1排 ， 横 向 2排 ， 共 4 2根 ( 全 桥 8 4根 ) ， 螺 纹 钢 筋 直 径 为 2 5 mm。有 吊 杆 的纵梁横 隔板横 向布置 4排 ， 纵 向布置 4排 ， 共 1 6根 ， 螺纹钢筋直径为 2 5 mm。边跨及中支点距跨 中 8 0 2 0 m 范 围内， 主梁段纵 向布置间距为 5 0 c m螺纹钢筋 ， 直径为 2 5 mm。 3 5曲线桥结构布置 为方便施工， 主梁中跨及每边跨 5 m 范围内共 I 1 0 m主梁按直线设计 ， 平分 中矢法布置， 即通过加 宽桥面结构尺寸适应铁路曲线 ， 其它边跨梁体按铁 路线路的曲线要素 ， 设计为曲梁 。 4结构 静 、 动 力特 性 4 I 静力 特性 采用有限元 程序 MI DAS建立 主桥计算 模型 ( 见图 3 ) ， 进行结构静力计算 。主梁、 拱肋、 横撑采 用空间梁单元模拟 ， 吊杆采用桁架单元模拟 。拱肋 与主梁连接采用刚臂模拟， 支座采用弹性支撑模拟 。 4 1 1 主梁 ( 1 )施工阶段顶板最大压应力 为 1 O 9 3 MP a ， 未 出现拉 应力 。 ( 2 )运营阶段顶板最大压应力为 1 2 1 l MP a ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 孟 庙至平顶山铁路钢管混凝土拱加劲连续梁桥设计 陈卫华 ， 龙俊贤 内竖向振动， 同时面外稳定性要弱于面内稳定性 ； 横 向 自振频率满足不小于 0 6 6 7 Hz 的要求； 竖向自振 频率满足不小于 1 5 4 Hz的要求 。 5 结 语 孟庙至平顶 山铁 路跨 3 l 1国道特 大桥主桥 为 ( 3 2 +1 0 0 +3 2 )m 钢管混凝土拱加劲 连续 梁桥 ， 主 梁采用预应力混凝土双纵 箱梁结构 ， 纵梁 间桥面结 构采用纵、 横梁体系格子梁 ， 减小 了主梁高度， 使桥 下通航净空满足要求 ； 主梁采用 2道钢管混凝土拱 肋加劲 ， 拱肋钢管及实腹段 内填注 C 5 0微膨胀混凝 土 ； 为方便后期养护维修的需要 ， 吊杆及水平体外预 应力索相关构造设计为可调、 可换构造。 参 考 文 献 ： 1 中铁二 院武 汉勘察设 计研究 院有限责任公 司孟平铁路 跨 3 l l国道特大桥施工 图设计 Z 武汉 ， 2 0 1 4 E 2 TB 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5 ， 铁路桥涵钢筋混凝土 和预应力混凝 土结构设计 规范E s 3 刘新根钢管混凝土拱桥拱肋吊装及注浆力学仿真分析 口 世 界桥 梁 ， 2 0 1 4 ， 4 2 ( 4 ) ： 5 9 6 3 4 冯 云成上承式预应力混凝 土刚性梁柔性拱桥静力分析 E J 世界桥 梁， 2 0 1 2 ， 4 0 ( 1 ) ： 4 7 4 9 ， 6 4 5 韩玉钢管拱桥管 内混凝 土真空辅助灌注试验及实桥 应用 J 桥梁建设 ， 2 0 1 5 ， 4 5 ( 2 ) ： 1 9 2 5 6 黄云， 张清华， 叶华文， 等钢管混凝土系杆拱桥空间 稳定性分析 J 桥梁建设 ， 2 0 1 4 ， 4 4 ( 4 ) ： 5 O 5 6 7 陈列 ， 郭建勋， 李小珍高速铁路钢系杆拱桥l- M 北 京 ： 中 国铁道 出版社 ， 2 0 1 0 De s i g n o f Co nt i n u o u s Be a m Br i d g e S t i f f e ne d b y Co n c r e t e Fi l l e d S t e e l Tu b u l a r Ar c h o n M e ng mi a o - Pi ng d i ng s h a n Ra i l wa y CHEN We i - h u a，LoNG Ju n - xi a n ( Ch i n a Ra i l wa y W u h a n l e c 0 n n a i s s a n c e a n d De s i g n I n s t i t u t e C o ，L t d ，W u h a n 4 3 0 0 7 4 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t：The ma i n br i d ge of t he Br i d ge c r os s i ng t he No 3 1 1 Na t i o na l Hi g hwa y o n t he M e n g mi a o Pi n g d i n g s h a n Ra i l wa y i s a ( 3 2 + 1 0 0+ 3 2 )m c o n t i n u o u s b e a m b r i d g e s t i f f e n e d b y c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b u l a r a r c h Th e p l a n c u r v a t u r e o f t h e b r i d g e i s 1 6 0 0 mTh e ma i n g i r d e r c o n s i s t s o f t wo l on gi t u di na l pr e s t r e s s e d c o nc r e t e bo x s t r u c t u r e s，o n whi c h t he l a t t i c e b r i dg e de c k s ys t e m t h a t i s f or me d o f l o ng i t ud i na l a n d t r a ns v e r s e be a m s r e s t s The l o ng i t ud i na 1 be a ms a d op t t he s i ng l e c e l 1 s i ng l e b ox s e c t i o n，wi t h c o ns t a nt wi dt h a nd v a r yi n g he i g ht a l o ng t he b r i d ge l e ngt hAbo ve t he 1 0 0 m 1 o n g ma i n s p a n ，j u s t o v e r t h e t wo l o n g i t u d i n a l b o x b e a m s t r u c t u r e s ，t wo v a r y i n g h e i g h t c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b u l a r a r c h r i b swe r e i n s t a l l e d，a i mi n g t o s t i f f e n t h e l o n g i t u d i n a l b o x b e a ms B e t we e n t he t wo a r c h r i b st h r e e p a i r s o f l a t e r a l b r a c i n gs m a de of vo i d s t e e l t u be s we r e a d de d t o f or m t r a n s v e r s e c o nn e c t i on Ea c h a r c h r i b c on s i s t s o f t wo s t e e l t ub e s，whi c h t o ge t he r wi t h t he s o l i d s pa n dr e l s e c t i on we r e f i l l e d wi t h C5 0 mi c r o e xp a ns i ve c o nc r e t e 1 3 pa i r s of ha ng e r s we r e t e ns i o ne d f r o m e a c h a r c h r i b，s p a c e d b y 6 m a l o n g t he b r i dg e l e n gt h Th e f i n i t e e l e m e nt p r og r a m M I DAS wa s u s e d t o e s t a bl i s h t h e f i ni t e e l e m e n t mod e l o f t he m a i n br i d g e，t o a na l yz e t h e s t a t i c a nd dy n a m i c p r op e r t i e s o f t he br i d ge The ANSYS wa s u s e d t o e s t a bl i s h t he s p a t i a l s o l i d m o d e l t o a na l y z e t h e l o c a l s t r e s s i n t he a r c h s pr i n gs Th e r e s ul t s of t h e a na l y s i s i nd i c a t e t ha t a l l t he s t a t i c a n d dy na m i c p r op e r t i e s o f t he br i d ge me e t t h e r e qu i r e me nt s Ke y wo r ds ：r a i l wa y br i d ge ；c o nc r e t e f i l l e d s t e e l t ubu l a r a r c h；s t i f f e ne d c o nt i nu ou s b e a m ；s t a t i c pr o pe r t y；d yn a mi c pr o p e r t y；c u r v e；br i d ge d e s i gn ( 编辑： 陈 雷) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m