高速铁路大跨度连续梁拱桥设计.pdf

桥粱设计高速铁路大跨度连续梁拱桥设计康小英高丽文望青(中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉4 3 0 0 6 3)摘要以京沪高速铁路镇江京杭运河特大桥主桥(9 0+1 8 0+9 0)m 下承式连续粱拱组合结构为例，对高速铁路连续粱拱桥的设计进行了介绍，主要介绍了连续梁拱结构的受力特点、计算分析成果(主桥纵向、横向、稳定等计算和0 号块局部应力计算)，并阐述了徐变变形对高速铁路的影响性分析以及结构采用的构造措施。关键词高速铁路组合结构连续梁拱设计中图分类号U 4 4 5文献标识码A文章编号1 0 0 9 4 5 3 9(2 0 0 9)增一0 0 8 9 0 51引言随着铁路提速步伐的加快和高速铁路、客运专线的不断修建，为满足高速铁路平顺性、观赏性、经、济l 生等要求，人们对铁路桥梁的设计提出了越来越高的要求。连续梁拱组合桥作为一种新型的组合结构，克服了拱桥对地基要求高和连续梁材料指数高的缺点，具有结构刚度大、动力稳定性好、跨越能力大、造型美观、施工方便等显著优点，具有明显的工程实用价值。其受力特点主要为：梁拱共同受力，主梁承受弯矩和拉力；拱肋主要承受轴压力，剪力主要由拱肋轴力的竖向分力承担，通过调整吊杆张拉力可以使主梁的受力状态处于最有利状态。从内力图来看，梁拱组合结构可以加大结构的竖向刚度，减小弯矩和剪力峰值，从而减小梁体截面高度，使结构外形更加轻巧，特别适应承受较大竖向荷载的大跨度铁路桥梁。京沪高速铁路镇江京杭运河特大桥主桥采用(9 0+1 8 0+9 0)m 下承式连续梁拱组合结构、1 8 0n l一跨跨越运河的设计，不仅满足了通航要求，也避免了在水中设置深水墩，减少了桩基、承台的施工费用和施工期对航道的影响；钢管混凝土拱肋加强了中孔的整体竖向刚度和稳定性，使中跨主梁的结构高度得以减小，从而降低了跨中桥面标高，缩短了引桥长度，显著降低了造价；从景观上来看，该桥作为京沪高速铁路上的一个亮点，拱结构的采用在视觉上给人以跌宕起伏的韵律感，桥完全与青山绿水融和在一起，显得更加宏伟和壮观。2工程概况京沪高速铁路镇江京杭运河特大桥在丹阳市黄墟镇跨越京杭大运河，京杭大运河现状航道等级为级，规划航道等级级。京杭大运河与长江相连，也是太湖流域主要的排洪河道，桥位处河道弯曲，高速铁路与河道主流交角4 5。为满足桥下通航净空要求，同时兼顾景观效果，跨京杭运河主桥桥式采用(9 0+1 8 0+9 0)m 连续梁拱桥，主桥桥长3 6 1 6 01 T I。主桥立面布置见图1。图1镇江京杭运河特特大桥主桥立面布置(单位：c m)收稿日期：2 0 0 8 0 9 0 2铁道建筑技术R A I L W A YC O N S T R U C T I O NT E C H N O L O G Y2 0 0 9i 增)万方数据桥梁设计2 1基本资料线路资料：主桥平面位于直线上，线间距5 0m，桥面纵坡G=0。水文资料：桥位处京杭大运河设计流量Q，=13 0 4m 3 s，设计流速V 1=1 9 7m s，设计水位H i=6 3 5m。通航资料：现状航道等级为级，规划航道等级级，要求通航净空为9 0i nx7 5i n，最高通航水位5 2 1m。气象资料：镇江市属北亚热带季风气候。年平均气温1 5 6，最热的7 月平均气温为2 7 7，极端最高气温4 0 2o C；最冷的1 月平均气温为2 7，极端最低气温一1 0 Io C。地震资料：主桥位于抗震设防烈度度区域，地震动峰值加速度0 1 0g，地震动反应谱特征周期为0 3 5s。2 2 技术标准铁路等级：双线高速铁路，有砟轨道。a 中支点截面设计活载：Z K 活载。设计速度：3 5 0k m h。建筑限界：按新建时速3 0 0 3 5 0 公里客运专线铁路设计暂行规定第1 0 7 条办理，净高7 2 5i n。3 结构构造3 1主梁构造主梁为预应力混凝土结构，采用单箱双室变高度箱形截面，跨中及边支点处梁高4 5m，中支点处梁高1 0 0m，梁高按圆曲线变化。主梁顶宽1 4 2I T I，中支点处局部顶宽1 6 5m；顶板厚0 4 2m，中支点处局部顶板厚1 0 21 3 1，边支点处局部顶板厚0 7 2m；底宽1 0 8n l，中支点处局部底宽1 3 8m；底板厚度0 4 0 1 0 4 9m，中支点处局部底板厚1 5 0m，边支点处局部底板厚0 8 5m。腹板采用直腹板，腹板厚分0 4 0n l、0 5 5m、0 7 0m 三种，中支点处局部腹板厚1 3 0m，边支点处局部腹板厚0 8 5m。中支点附近及跨中截面见图2。n如11晶。|Ln，l，l，nJ 葛刊l 一I h壁弋b 矧、飞卜 jr：#碓斗贮驻非是I1 2 珥5 垒Q5 垒Q 1 2 乌，b 跨中截面图2 主梁横截面(单位：c m)主梁共设6 道横隔板，边支点横隔板厚1 6m，中支点横隔板厚4 0m，中孔两道中间横隔板厚0 4I n，各横隔板均设进人孑L。主梁于各吊杆处共设1 8 道吊点横梁，吊点横梁高分1 5m、1 4m 两种，横梁厚0 4i n。主梁共分7 9 个梁段，梁拱结合部0 号梁段长1 7m，中孔合龙梁段长3 0i n，边孔直线梁段长6 8m，其余梁段长分3 0r l l、3 5i n、4 0m、4 5m 四种。主梁除0 号梁段、边孔直线梁段在支架上施工外，其余梁段均采用挂蓝悬臂浇筑，悬浇梁段最重33 7 4k N。移 道建篱技术3 2 主梁预应力主梁设纵向、横向和竖向三向预应力。纵向预应力采用1 9 1 5 2 4m m、1 5 1 5 2 4h i m 两种规格的钢索。纵向钢索均采用两端张拉，腹板钢索锚下张拉控制应力o r。=0 7 5f p k，顶板和底板钢索锚下张拉控制应力仃。=0 6 8f p k。主梁横向预应力采用5 1 5 2 4m m 钢索。横向钢索采用一端张拉，张拉端和锚固端在主梁两侧交错布置，顺桥向间距一般为5 0c m，0 号梁段不设横向预应力。横向钢索锚下张拉控制应力o r。=0 7 0f p k。R A I LW AYC O N S T R U C T I O NT E C H N O L O G Y2 0 0 9l 增1 万方数据桥粱设计主梁竖向预应力采用直径为+3 2m m 的高强精轧螺纹钢筋。竖向预应力筋顺桥向间距一般为0 5I T I，腹板厚0 7 0m 梁段，横桥向各腹板布置两根预应力筋；腹板厚0 5 5m 梁段和腹板厚0 4 0m 梁段，横桥向各腹板布置一根预应力筋。竖向预应力筋均于梁顶张拉，锚下张拉控制力N=5 6 0 9k N。3。3 拱肋构造拱肋计算跨度L=1 8 0 0I n，设计矢高f=3 6 0r l l，矢跨比L=1：5，拱轴线采用二次抛物线，设计拱轴线方程：Y=一1 2 2 5 X z+0 8 X。拱肋于拱顶设置最大0 1 2 6m 预拱度，施工矢高厂=3 2 1 2 6m，施工拱轴线方程：Y=一0 0 0 44 6 0 X 2+0 8 0 28 0 0 X。拱肋实际施工均采用施工拱轴线制作和拼装。拱肋为钢管混凝土结构，采用等高度哑铃形截面，截面高度3 1m。拱肋弦管直径批1i n，由艿=2 0m m k 2 4m m 厚的钢板卷制而成，弦管之间用6=1 6m m 厚钢缀板连接，拱肋弦管及缀板内填充微膨胀混凝土，拱肋截面见图3。两榀拱肋间横向中心距1 1 9m。图3 拱肋截面(单位：c m)拱肋钢管在工厂制作加工后，运至现场拼装，每榀拱肋划分为1 4 运输节段，运输节段最大长度小于1 5 0m。每榀拱肋上下弦管分别设一处灌注混凝土隔仓板和3 6 道加劲钢箍；腹板内设3 处灌注混凝土隔仓板，沿拱轴线均匀设置加劲拉筋，加劲拉筋间距为0 5m。3 4 横撑两榀拱肋之间共设9 道横撑，横撑均采用空间桁架撑，各横撑由4 根0 0 1 4m m 主钢管和3 2根+2 5 0X1 0m m 连接钢管组成，钢管内部不填混凝土，横撑截面见图4。r 缎啊1图4 拱撑截面(单位c m j3 5吊杆吊杆顺桥向间距9m，全桥共设1 8 组双吊杆。吊杆采用P E S(F D)7 6 1 型低应力防腐拉索(平行钢丝束)，外套复合不锈钢管，配套使用L Z M?一6 1型冷铸镦头锚。吊杆上端穿过拱肋，锚于拱肋上缘张拉底座，下端锚于吊点横梁下缘固定底座。3 6 支座采用球形支座，各支点沿横向设3 个支座，边支点支座吨位80 0 0k N，中支点支座吨位8 00 0 0k N。4 结构特点及施工方法连续梁拱组合结构将部分恒载及活载通过吊杆传至拱肋，由拱肋直接传到主梁根部，拱肋产生的水平推力由主梁承担，主梁兼有系杆的作用。本桥为刚性连续梁柔性拱组合结构，主梁采用悬灌施工，梁体自重由主梁承担，二期恒载及活载由梁、拱共同承担，主梁为本桥主要承重结构。成桥时，吊杆力总和为2 14 0 0k N，占中跨二期恒载总重(3 34 8 0k N)的6 3 9；在全桥满布列车活载下，拱肋承担的竖向列车活载，占中跨范围总竖向列车活载的3 8 4。本桥采用“先梁后拱”施工方案，以连续梁桥面为工作面，矮支架拼装拱肋钢管后，将拱肋钢管竖向转体就位，施工受力二者相互利用，充分发挥了两种结构的优点。主要施工步骤如下：铁道建筑技术R A I L W A YC O N S T R U C T I O NT E C H N O L O G Y2 0 0 9r 增J9 1 万方数据桥梁设计(1)利用挂篮悬臂浇筑主梁；(2)合龙主梁边孔，拆除临时支墩；(3)合龙主梁中孔；(4)以桥面为工作面，矮支架拼装钢管拱肋；(5)利用桥面塔架及其他设备，使钢管拱肋竖向转体就位，合龙拱顶、固结拱脚；(6)依次灌注拱肋上弦管、下弦管、缀板内混凝土；(7)按指定次序张拉吊杆，调整吊杆力；(8)施工桥面系，调整吊杆力到成桥设计索力，完成全桥施工。5 结构静力计算5 1 主梁纵向计算(1)主梁纵向按容许出现拉应力不容许开裂的预应力混凝土结构设计，运营阶段主梁应力、强度及抗裂性等计算结果见表l。表1运营阶段主梁应力、强度及抗裂性计算结果主力组合主+附组合检算项目上缘下缘上缘下缘最大正应力F。M P a1 3 2 01 5 8 01 5 2 01 6 3 0最小正应力o r。M P a0 5 32 3 4O 1 90 5 5最大主压应力口。M P a1 5 8 01 6 3 0墨=1 0，未计竖向预应力最大主拉应力矿【p M P a1 4 61 5 5最大主压应力矿。p M P a1 8 4 31 9 0 0K f=1 2，计入竖向预应力最大主拉应力”l p M P a一2 5 72 8 7正截面抗裂最小安全系数墨1 2 2】8 21 2 01 4 2正截面抗弯强度最小安全系数K2 2 32 2 42 1 91 9 8(2)在Z K 活载静力作用下和温度变化作用下，主梁最大竖向挠度和挠跨比见表2。表2 主梁最大竖向挠度、挠跨比最大竖向挠度m m挠跨比荷载工况边跨中中跨中边跨中中跨中Z K 活载静力作用下一2 1 43 8 6l 42 0 61 46 6 3Z K 活载+0 5 倍温度作用一2 4 75 1 71 36 4 4l 34 8 10 6 3 倍Z K 活载+全部温度作用一2 0 15 0 4】44 7 7l 35 7 1在Z K 活载静力作用下，梁体下挠的最大梁端转角0 9 7 o，梁体反弯的最大梁端转角0 4 7 e。成桥15 0 0d 后，主梁边跨中后期徐变下挠一1 8 4m m(为跨度的1 48 9 1)，主梁中跨中后期徐变上拱1 8 3r a m(为跨度的1 98 3 6)。5 2 主梁横向计算主梁横向分无吊杆区和有吊杆区分别计算。无吊杆区沿纵向截取单位长度的主梁梁体，简化成腹板下缘三点支撑的双孑L 框架，按刚性支撑和弹性支撑包络计算。有吊杆区沿纵向截取一定长度的主梁梁体，简化成腹板下缘三点支承的双孑L 框架，吊点铁道建筑技术处加竖向集中力，按刚性支撑和弹性支撑包络计算。主梁横向计算荷载包括恒载、活载、温度变化等，横向温度变化分日照和寒潮两种模式考虑。其温度图式见图5。0 5o C三盱习三吁00图5 横向温度计算图式5 3 拱肋检算(1)运营阶段拱肋钢管及混凝土正应力计算结果见表3。R A I LW AYC O N S T R U C T I O NT E C H N O L O G Y2 0 0 9I 增)万方数据桥梁设计表3 运营阶段拱肋钢管、混凝土正应力计算结果主力组合主+附组合拱肋正应力M P a上缘下缘上缘下缘钢管最大正应力1 0 7 o o1 3 0 0 01 0 9 0 01 3 4 0 0钢管最小正应力5 0 3 06 4 4 04 2 9 06 0 6 0混凝土最大正应力9 6 67 2 91 1 2 07 7 8混凝土最小正应力O 6 5O 1 6一O 0 6一O 9 6(2)拱肋强度根据拱肋的极限承载力。计算轴力i，确定安全系数K=1 V u 胍。主力组合时，最小安全系数K=2 2 6；主+附组合时，最小安全系数K=2 0 4。(3)拱肋整体稳定性拱肋纵向稳定安全系数K=7 6 3，拱肋横向稳定安全系数K=4 6 5。5 4 吊杆检算运营阶段，在最不利荷载作用下，横向一组吊杆最大轴力30 3 9k N，最大拉应力3 2 4 0M P a，强度安全系数K=5 1 5。吊杆最大活载应力幅1 3 6 0M P a。60 号块局部应力分析0 号块梁段区域从构造角度来看，该处不仅是拱座与梁体交界处，也是横隔板与腹板相交处，并且梁顶缘处于纵向、横向、竖向三向预应力筋的高应力区，且梁底设大吨位支座。因此该处构造复杂，是设计的关键部位。从受力角度来看，0 号块要承受拱肋与主梁传来的轴力与弯矩、支座的反力和主梁的三个方向的预应力；在横向还要承受横梁的弯矩及拱肋产生的巨大推力，使0 号块处于复杂受力状态。0 号块横隔板处梁段横向受力较为复杂，按撑杆压杆理论进行了简化计算，并据此进行配筋设计。通过局部应力计算结果表明：0 号块整体以受压为主，支座与梁体、拱肋与梁体交接处应力集中明显，设计中考虑在拱肋与梁体的连接部位，增加钢筋缓和应力集中；o 号块梁体顶缘压应力小于下缘压应力，拱座顶面未出现拉应力，说明预应力的施加是有效的。针对以上的分析结果在拱座与梁体连接处及进人孔周边均对普通钢筋和竖向预应力进行了加密。7 徐变变形与高速铁路的适应性分析徐变是指混凝土结构上荷载大小不变，但结构还会继续变形的现象。徐变会引起结构内力重分布，造成桥梁几何线形的改变，不断增加的徐变变钐 道建筑技术R A I L W A YC O N S T R U C 丁O NT E C H N O L O G Y形将影响桥梁上轨道的平顺性，不利于维修养护工作，也不利于行车安全和旅客舒适。徐变变形在很大程度上取决于混凝土性能、质量、空气的温度和湿度、构件尺寸等，其机理是非常复杂的。高速铁路桥梁可采取以下措施来尽量减小徐变变形。(1)加载龄期的选择。加载龄期过短，会导致徐变增大，现行施工规范规定加载时混凝土强度大于设计强度的8 0。对于重要结构，加载时限定在设计强度的1 0 0。(2)混凝土正应力取值。恒载作用下，混凝土应力不宜大于o 4 倍的混凝土轴心抗压强麽。一般小于0 4 倍的混凝土轴心抗压强度时为线性徐变，超过此值便会产生非线性徐变。(3)结构刚度的取值。根据线性徐变理论，徐变上拱的大小取决于施加预应力时梁体的弹性上拱量，偏低的弹性模量会引起较大的徐变上拱。因此，在施加预应力前，除了检验混凝土强度外，还应检测其弹性模量。(4)必要时应把扣件无法调整的长期变形(上拱或下挠)作为轨道附加不平顺进行车桥耦合分析检算。8 结语镇江京杭运河特大桥为京沪高速铁路重点控制工程之一，主桥采用连续梁拱桥，利用拱承受部分恒载及活载，有效地降低了主梁跨中及支点处截面高度，结合拱的造型使主桥外观优美、轻巧，横跨在京杭运河上与周围景色融为一体，相互辉映，建成后将成为京杭运河上的新亮点。参考文献1 金成棣预应力混凝土梁拱组合桥梁设计研究与实践 M 北京：人民交通出版社，2 0 0 02 陈宝春钢管混凝土拱桥实例集(一)M 北京：人民交通出版社，2 0 0 23 项海帆，姚玲森高等桥梁结构理论 M 北京：人民交通出版社，2 0 0 12 0 0 9 f 增J9 3 万方数据高速铁路大跨度连续梁拱桥设计高速铁路大跨度连续梁拱桥设计作者：康小英，高丽，文望青作者单位：中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉,430063刊名：铁道建筑技术英文刊名：RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY年，卷(期)：2009(z1)参考文献(3条)参考文献(3条)1.金成棣 预应力混凝土梁拱组合桥梁设计研究与实践 20002.陈宝春 钢管混凝土拱桥实例集(一)20023.项海帆.姚玲森 高等桥梁结构理论 2001 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.严定国.黄纳新.陈勇 无砟轨道1-80m下承式钢管混凝土拱桥设计会议论文-20082.尹超.YIN Chao 大跨度上承式钢筋混凝土箱肋拱桥设计期刊论文-华北水利水电学院学报2010,31(1)3.康小英.高丽.文望青 高速铁路大跨度连续梁拱桥设计会议论文-20084.郝海洪.梁岩.齐洪.刘立安 净跨径120m箱型肋拱桥设计期刊论文-北方交通2008(4)5.刘爱乔.Liu Aiqiao(32+108+32)m中承式无铰拱桥下部结构设计期刊论文-铁道标准设计2007(2)6.童根树.夏骏 工字形截面框架梁负弯矩区的弹性侧向稳定分析会议论文-20067.刘棠.刘念超 拱桥设计大变形理论期刊论文-长沙交通学院学报2002,18(2)8.王宝振.宋顺忱 京津城际跨北京四环(60+128+60)m连续梁-拱空间分析期刊论文-铁道标准设计2007(2)9.赵天元.Zhao Tianyuan 双流特大桥连续梁0+1号梁段施工技术期刊论文-铁道标准设计2007(8)10.娄廷会.张国林.LOU Tinghui.ZHANG Guolin 一座景观梁拱组合桥的设计期刊论文-公路工程2008,33(1)本文链接：http:/