洮河大桥主桥桥式方案研究.pdf

年 月第 期（总）铁 道 工 程 学 报 （）收稿日期：作者简介：易成，年出生，男，高级工程师。文章编号：（）洮河大桥主桥桥式方案研究易成（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安）摘要：研究目的：洮河大桥为兰合铁路的控制性工程，大桥位于高烈度地震高山峡谷区，峡谷呈典型的“”字形，峡谷两岸坡面陡立，基岩裸露，桥梁方案需结合地形条件、地质条件、施工条件、结构安全、景观效果、工程造价等因素综合考虑研究。根据通航要求、地形条件和景观效果等确定采用主跨 的钢筋混凝土拱桥方案，进而对钢筋混凝土箱形板拱采用劲性骨架法施工和钢筋混凝土 形拱桥采用悬臂浇筑法施工分别进行研究分析，确定钢筋混凝土箱形板拱和钢筋混凝土 形拱桥构造尺寸，并计算拱肋应力、刚度、稳定性、动力特性及拱座应力是否满足规范要求。研究结论：（）通过对洮河大桥主桥两个拱桥方案进行综合比较，拱肋应力、刚度、稳定性、动力特性及拱座应力均满足规范要求；（）钢筋混凝土板拱采用劲性骨架法施工很好地解决了施工中刚度和稳定性的问题，施工经验丰富，技术成熟，安全性好，为国内拱桥普遍使用的施工方法；（）本文研究对高烈度地震区、高山峡谷区的大跨度拱桥设计具有借鉴意义。关键词：铁路桥梁；箱形板拱；形拱；劲性骨架；悬臂浇筑中图分类号：文献标识码：（，）：，：（），（），（）：；工程概况新建兰州至合作铁路为国铁级客货共线铁路，设计时速 ，全线位于甘肃省境内，行经兰州市、临夏回族自治州和甘南藏族自治州，地处甘肃南部黄土高原与青藏高原的过渡地带。线路总体呈南北走向，自兰新铁路西固城站西端引出，经西固区柳泉镇岸门村，向南穿越草坪山、雾宿山至永靖县；跨越洮河通过刘家峡水库库区，至东乡县河滩镇转入大夏河宽谷区；溯河谷南行经临夏市至土门关，进入甘南藏族自治州大夏河峡谷区；沿峡谷西侧敷设至夏河县唐尕昂乡引入西宁至成都铁路唐尕昂站，线路全长。洮河大桥位于洮河峡谷区，桥位处地形狭窄，沟谷呈典型的“”字形，沟谷两岸坡面陡立，基岩裸露，自然坡度，部分地段近于直立，地面高程 ，地表植被稀少。陡立的岸坡顶部为黄土缓陵地貌，坡面顺直，多成狭长的黄土梁地貌及坡顶浑圆的黄土茆地貌形态，局部发育有黄土冲沟，冲沟宽浅、坡面陡立。桥址区地质主要为泥质粉土、坡积碎石土、闪长岩等，不良地质主要为危岩、落石与地震液化。根据兰合铁路地震安全性评价报告，年超越概率 的地震动峰值加速度为 ，地震动加速度反应谱特征周期为，类场地，抗震设计参数如表 所示。表 场地水平向地震动参数超越概率 年 年 年 总体设计 控制因素 桥位处洮河水面宽度约 ，正常设计水位 ，校核水位 （年一遇），根据永靖县关于兰州至合作铁路洮河大桥河段通航技术标准的复函，最高水位时通航净空要求大于 ，不设水中墩，小里程侧拱脚处稳定边坡水平夹角为，大里程侧拱脚处稳定边坡水平夹角为。综合考虑桥址处地形、地质条件、线路高度、河道及沟谷宽度，并综合考虑环保要求，避免水中设墩，洮河大桥主跨拟定为不小于 。桥式方案对于主跨 以上的桥梁，可供选择的桥式方案主要有矮塔斜拉桥、连续钢桁梁桥、钢筋混凝土拱桥、预应力混凝土连续梁 钢桁组合桥等桥式方案。结合桥址处的地形、地质、通航等条件，确定桥式方案为上承式钢筋混凝土拱桥，全桥效果如图 所示。图 上承式钢筋混凝土桥效果图 桥梁跨度洮河大桥两侧均与隧道相接，桥位处沟谷自然边坡陡峭，影响桥梁主跨跨度及全桥孔跨布置的主要因素为大里程侧拱脚稳定性及刷方量大小。分别研究了主跨跨度、拱桥以及 不对称拱四种方案，并结合引桥孔跨布置及拱上结构形式进行综合比选，推荐桥梁跨度为 。比选结果如表 所示。表 桥梁孔跨比较表孔跨方案主跨 主跨 主跨 主跨 不对称拱拱座基础稳定性拱座基础位于岸坡稳定线以外部分较多拱座基础位于岸坡稳定线以内拱座基础位于岸坡稳定线以内拱座基础位于岸坡稳定线以外部分较少刷方量 施工难易度难度较小难度较小难度较小难度较大景观效果景观效果较好景观效果较好景观效果较好景观效果较差综合评价拱脚刷方量较小，拱座基础稳定性差拱座基础稳定性好，拱脚刷方量较大拱座基础稳定性好，拱脚刷方量最大拱脚刷方量最小，结构受力复杂且施工难度大，拱座基础横向稳定性差，景观效果较差第 期易 成：洮河大桥主桥桥式方案研究 拱肋形式根据近年来已建成的铁路大跨度钢筋混凝土拱桥的统计结果，采取的拱肋形式主要有箱形板拱、提篮式肋拱、平行式肋拱、形肋拱 ，。计算结果表明：除面内稳定性外，拱肋应力、抗震性能、拱肋混凝土用量等，形肋拱和箱形板拱均优于提篮式肋拱，故拱肋采用 形拱和箱形板拱。施工方法混凝土拱桥的常用施工方法主要有劲性骨架法、悬臂浇筑法、悬臂拼装法以及组合施工方法。主拱跨度为 ，两种拱肋形式均可采用悬臂浇筑施工方案及劲性骨架施工方案，本次设计分别按箱形板拱采用劲性骨架法进行施工阶段分析，形肋拱采用悬臂浇筑法进行施工阶段分析。桥梁方案设计 板拱方案 拱肋构造主跨采用跨度为 的钢筋混凝土拱，矢高，矢跨比为 ，拱轴线为悬链线，拱轴系数取，拱肋采用单箱三室等高、等宽箱形截面，截面高度为 ，宽度为 。拱脚以上 为实体段，空心段拱肋顶、底板厚 ，腹板厚 ，顶、底板处设 的倒角。劲性骨架截面两边室宽 ，中室宽 ，高 ，全断面由 根 的 无缝钢管组成，拱脚局部范围钢管壁厚加厚至 ，内灌 微膨胀混凝土。立面内腹杆由 的角钢组焊而成，上下平纵联的横撑由 的角钢组焊而成。劲性骨架断面如图 所示。图 拱肋劲性骨架截面（单位：）拱上立柱拱肋上每隔 设一立柱，箱形板拱拱上立柱采用整体板式立柱，其中、号柱全高 ，由于纵向刚度控制，采用外尺寸为 （纵向）（横向）矩形实体截面，、号柱柱全高 ，采用尺寸为（纵向）（横向）矩形实体截面，、号柱处采用顶帽直接立于拱肋上。拱上连续梁拱顶连续梁采用 的等高预应力混凝土连续梁。采用单箱单室截面，梁高 ，顶板宽 ，跨中腹板厚，顶板厚，底板厚。梁体在拱上墩处设置横隔墙，厚度 。支座横向间距为 ，在中墩处设置固定支座，其余墩处设置活动支座。梁体设计采用纵、竖双向预应力体系，纵向按全预应力构件设计。纵向预应力采用钢绞线，竖向采用预应力混凝土用螺纹钢筋。拱上连续梁标准断面如图 所示。ffff 图 拱上连续梁截面（单位：）拱座墩及基础拱座墩采用矩形截面空心墩，墩高 。桥墩纵向、横向的外侧坡度均为 ，内侧坡度 。墩顶纵向 ，横向 ，顶帽设计为纵向宽 ，横桥向 矩形截面。拱座基础采用整体式扩大基础，基底及背面均埋置在稳定边坡线内。扩大基础纵向尺寸 ，小里程侧高度 ，大里程侧高度 ，横向宽度箱形板拱为 ，为减少大里程侧拱座基础刷方，拱座基础顶设 高垂直开挖现浇段。主要计算结果建立 有限元计算分析模型，对桥梁结构进行静力和动力分析。有限元模型如图 所示。图 计算模型（一）拱肋顶位移及主梁转角根据规范要求，对主梁梁端转角进行检算，在列车竖向静活载作用下，拱上连续梁梁端最大竖向转铁 道 工 程 学 报 年 月角为 ，引桥连续梁梁端最大竖向转角为 ，满足 的要求。拱肋顶竖向位移如表 所示。表 拱肋顶竖向位移（一）（单位：）位置静活载降温静活载 降温 静活载 降温最不利情况挠跨比计算值竖向挠度允许值挠跨比允许值拱顶 拱肋内力及应力主力作用下拱肋最大轴力为 ，位于拱脚位置；最大负弯矩为 ，位于拱脚位置附近；最大正弯矩为 ，位于 拱位置附近。主力作用下拱肋上缘最大应力为 ，位于 号立柱处；下缘最大应力为 ，位于拱脚附近，均小于规范限值 ，上下缘均无拉应力。稳定性分析计算得面内稳定系数为 ，大于；由 计算面内稳定性系数为，面外稳定性系数为 ，均大于弹性稳定性系数，故满足规范要求。动力特性一阶梁拱正对称横弯周期为 ，二阶拱纵飘周期为 ，三阶梁拱反对称横弯周期为 。拱座基础应力主力作用下，方向主应力为 ，方向主应力为 ，方向主应力为 。最大压应力位于拱脚，拱座压应力较小，最大约 。拱座采用 混凝土，混凝土容许的压应力为 ，满足要求。拱方案 拱肋构造主跨采用跨度为 的钢筋混凝土拱，矢高，矢跨比为 ，拱轴线为悬链线，拱轴系数取。拱肋平面为 形，拱脚至拱顶 范围内由两肢单箱单室拱肋组成，拱顶 范围内采用单箱三室等宽变高箱形截面，拱脚处两肋中心距为 ，单肋宽 ，拱顶拱肋全宽 。拱肋沿纵高度由拱脚 变化至拱顶 ，按李特公式变化。拱脚以上 为实体段，空心段拱肋顶、底板厚 ，腹板厚 ，顶、底板处设 的倒角。全桥共设 道“一”字拱肋横撑，设在拱肋、号立柱处，横撑采用宽 箱形截面，高度随拱箱高度变化，拱肋平面布置如图 所示。/图 拱肋平面（单位：）拱上立柱拱肋上每隔 设一立柱，形肋拱分叉段、号拱上立柱采用双斜柱，其中、号柱全高，由于纵向刚度控制，采用外尺寸为 （纵向）（横向）矩形实体截面，、号柱柱全高，采用尺寸为 （纵向）（横向）矩形实体截面，、号柱处采用顶帽直接立于拱肋上。拱座墩及基础拱座墩尺寸与板拱的拱座墩一致，拱座基础采用整体式扩大基础，扩大基础纵向尺寸 ，小里程侧高度 ，大里程侧高度 ，横向宽度为 。其余尺寸与板拱一致。主要计算结果建立 有限元计算分析模型，对桥梁结构进行静力和动力分析。有限元模型如图 所示。图 计算模型（二）拱肋顶位移及主梁转角根据规范要求对主梁梁端转角进行检算，在列车竖向静活载作用下，拱上连续梁梁端最大竖向转角为，引桥连续梁梁端最大竖向转角为 ，满足 的要求。拱肋顶竖向位移如表 所示。拱肋内力及应力主力作用下拱肋最大轴力为 ，位于 拱交叉处；最大负弯矩为 ，位于拱脚位置附近；最大正弯矩为 ，位于 拱交叉第 期易 成：洮河大桥主桥桥式方案研究表 拱肋顶竖向位移（二）（单位：）位置静活载降温静活载 降温 静活载 降温最不利情况挠跨比计算值竖向挠度允许值挠跨比允许值拱顶 处附近。主力作用下拱肋上缘最大应力为，位于 号立柱处；下缘最大应力为 ，位于拱脚附近，均小于规范限值 ，上下缘均无拉应力。稳定性分析计算得面内稳定系数为 ；由 计算面内稳定性系数为 ，面外稳定性系数为；均大于弹性稳定性系数，故满足规范要求。动力特性一阶梁拱正对称横弯周期为 ，二阶拱纵飘周期为 ，三阶梁拱反对称横弯周期为 。拱座基础应力主力作用下，方向主应力为 ，方向主应力为 ，方向主应力为 。最大压应力位于拱脚，拱座压应力较小，最大约 。拱座采用 混凝土，混凝土容许的压应力为 ，满足要求。方案比选本次研究从施工难易程度、经济指标、施工工期、养护维修等方面对洮河大桥桥式方案进行综合比选，最终确定主桥方案为 钢筋混凝土板拱，主拱采用劲性骨架法施工。具体比选结果如表 所示。表 桥梁方案比选表拱肋形式板拱方案 拱方案通航防洪满足要求满足要求施工方法劲性骨架悬臂浇筑施工难易度施工工艺成熟施工难度大施工工期 个月 个月景观效果景观效果好景观效果好经济指标 万 万 结论通过对洮河大桥主桥两个拱桥方案进行综合比较，两个方案均可满足条件，且方案安全可行。结合桥址处的建设条件，推荐钢筋混凝土板拱采用劲性骨架法施工，采用劲性骨架很好地解决了施工中刚度和稳定性的问题，施工经验丰富，技术成熟，安全性好，为国内拱桥普遍使用的施工方法。本文研究对高烈度地震区、高山峡谷区的大跨度拱桥设计具有借鉴意义。参考文献：中铁第一勘察设计院集团有限公司 兰合铁路洮河大桥工程地质勘察报告 西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，：，铁路桥涵设计规范，铁路桥涵混凝土结构设计规范，闫岩 高速铁路大跨度中承式钢桁拱桥设计研究 铁道建筑，（）：，（）：武电坤，杨兴，冯鹏程 超大跨径上承式钢管混凝土拱桥设计 中外公路，（）：，（）：宁远思 大跨度上承式铁路拱桥优化设计与建设管理作用分析 铁道科学与工程学报，（）：，（）：涂杨志 跨度 铁路悬浇上承式钢筋混凝土拱桥设计与分析 铁道标准设计，（）：，（）：张翔，张立兴 中承式钢管砼拱桥设计 公路与汽运，（）：，（）：王志，梅新咏，苏杨 大跨双层公铁两用钢箱拱桥设计关键技术 铁道标准设计，（）：，（）：铁 道 工 程 学 报 年 月 周继 山区峡谷大跨度铁路桥梁方案设计研究 交通科技，（）：，（）：秦定松 形提篮式钢筋混凝土拱桥劲性骨架安装施工技术 工程建设与设计，（）：，（）：骆龙飞 大跨悬浇钢筋混凝土拱桥施工关键技术解析 交通世界，（）：，（）：（编辑 吕 洁）（上接第 页 ）参考文献：翟婉明，赵春发 现代轨道交通工程科技前沿与挑战 西南交通大学学报，（）：，（）：张威，李明，姬云平，等 青海门源 地震典型隧道破坏特征分析与启示 地震工程学报，（）：，（）：刘威，胡光常，麻丁一，等 铁路既有线平面自动重构方法研究 高速铁路技术，（）：，（）：李伟，周雨，王杰，等 基于点线一致的既有铁路线路纵断面自动重构方法 铁道科学与工程学报，（）：，（）：李伟，张振亚，赵璐，等 基于 混合算法的既有铁路平面线形自动重构 铁道工程学报，（）：，（）：杨建勋 基于形变分析的高速铁路震后线路修复拟合研究 铁道标准设计，：，：刘也，任叶飞，王大任，等 年青海门源地震引起的兰新高铁硫磺沟大桥地表同震位移研究 中国铁道科学，（）：，（）：时瑾，孙征南，孙宪夫，等 现行 高铁线路技术条件运营 高速列车适应性研究 铁道科学与工程学报，（）：，（）：（编辑 吕 洁）第 期易 成：洮河大桥主桥桥式方案研究