兰合铁路祁家渡黄河大桥180m劲性骨架混凝土拱桥设计.pdf

5 6 8 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 第 4 6卷第 6期 2 0 1 5年 6月 V _0 l _4 6 NO 6 J u n 2 01 5 兰合铁路祁家渡黄河大桥 1 8 0 m 劲性骨架混凝土拱桥设计 易 成 ( 中铁第一勘察设计院集团有限公司 ， 7 1 0 0 4 3 ， 西安 ) 摘要：兰合铁路祁家渡黄河大桥根据桥址处的地质条件、通航要求等，采用主跨 1 8 0 m的上承式劲 生 骨架混凝土拱桥。设计中对该桥的拱轴系数进行详细研究，给出主桥的详细结构尺寸及主桥主要施工步骤 ， 在此基础上采用 Mi d a s 软件建立有限元模型进行计算分析 ，结果分析表明满足设计要求。 关键词：单线铁路；上承式拱桥 ；劲生骨架混凝土拱桥 中图分类号 ：T U 3 7 5 文献标志码 ：B 文章编号：1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 5 ) O 6 0 5 6 8 一 O 3 DES I GN OF 1 8 0 m S T I F F ENE D S KlELE ToN CONCRE TE ARCH B RI DGE OF QI J I ADU YELL OW RI VER BRI DGE OF LANZHOU- HEZUO RAI L、 7 I LY YI Che n g ( Ch i n a r a i l wa y fi r s t s u r v e y& d e s i g n i n s t i t u t e g r o u p C o ， L t d ， 7 1 0 0 4 3 ， Xi a l l ， C h i n a ) A b s t r a c t ：C o n s i d e ri n g t h e g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s a n d n a v i g a b l e r e q u i r e me n t s o f Qij i a d u Y e l l o w R i v e r Br i dg e o f La n z h o u He z u o Ra i l wa y Br i d g e l o c a t i o n d e c k t y p e s t i f f e ne d s ke l e t o n c o n c r e t e a r c h b r i dg e who s e ma i n s p a n i s 1 8 0 m l o n g wa s a d o p t e d Af t e r c a r e f u 1 r e s e a r c h o n t h e a r c h a x i s c o e m c i e n t o f t h e b r i d g e ， s t r u c t u r a l d i me ns i o n a n d ma i n c o ns t r uc t i o n p r o c e d u r e o f t h e ma i n b r i d g e we r e d e s c r i b e d i n d e t a i l s M i d a s s o f t wa r e wa s us e d t o b u i l d t h e fin i t e e l e me n t mo d e l f o r c a l c u l a t i o n a n d a n a l y s i s Th e a n a l y s i s r e s u l t s h o we d t h a t t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s a r e we l l s a t i s fie d Ke y wo r d s ： s i n g l e t r a c k r a i l wa y ；de c k t y pe a r c h b rid g e ； s t i f f e n e d s k e l e t o n c o n c r e t e a r c h b r i d g e 兰合铁路祁家渡黄河大桥为 1 8 0 m铁路上承式劲 性骨架混凝土拱桥 ，该桥位于直线上 ，平坡 ，为 I 级 单线铁路 ，设计行车速度 1 2 0 k m h 。工点位于黄河峡 谷区， 桥址处地形狭窄，黄河沟谷呈典型的 V字形。 桥位区域河流两岸的陡立坡面基岩裸露 ，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。本工点地震动峰值加速度值为 0 2 1 5 g ，相当于地震基本烈度 8 度，地震动反应谱特 征周期采用 0 4 5 S 。 1 主桥 设计构 思 1 1 桥式选择 桥址处两岸边坡陡峭， 河谷深切， 地质条件良好。 桥位处黄河淤积严重 ，水库蓄水后 ，库底淤积厚度约 为 7 0 m。故桥位处设置 1 孔上承式拱桥跨越较合适。 上承式拱桥具有整体生 和横向稳定性好，在基础 较好的峡谷地区，具有不可比拟的优势，可实现一跨 过谷。为减轻拱肋结构自重，增加拱肋承载能力和提 高结构刚度，采用箱形劲生 骨架钢筋混凝土结构，以 充分利用钢管混凝土良好的受力特性及箱型拱桥的优 点， 跨越能力强，结构刚度大，后期养护维修方便； 利用拱肋劲生 骨架施工拱肋外包混凝土及拱上结构， 可节省支架，方便施工。因此本桥采用上承式劲生 骨 架钢筋混凝土拱桥。 1 2 全桥总布置 本桥主跨为 1 8 0 m劲性骨架钢筋混凝土提篮拱 ， 拱肋高 3 7 5 m，矢跨比为 1 4 8 。拱中心轴线采用悬链 线方程，拱轴系数 2 8 。全桥孔跨布置为 2 2 4 简支箱 梁 + 1 1 8 0 劲生 骨架钢筋混凝土提篮拱 + 2 2 4 m简支箱 梁。拱顶框架两端各采用 5 1 4 5 m的桥面纵梁，桥 面纵梁采用等高度钢筋混凝土连续梁。全桥总布置图 见图 1 。 30 2 收稿 日期 ：2 0 1 5 0 3 2 9 作者简介：易成( 1 9 8 l ) ，男，四川内江人，工程师， 主要从事桥梁设 图 1 祁家渡黄河大桥总布置图 ( 单位 ： m) 计方面的研究，e ma i l ：3 4 3 3 6 6 5 8 2 q q t o m 2 0 1 5年 6月 易成 ： 兰合铁路祁家渡黄河大桥 1 8 0m劲性骨架混凝土拱桥设计 2 拱桥 结构设计 2 1拱轴 系数选择 本桥采用悬链线作为拱轴线， 拱轴系数值直接影 响主拱截面内力分布与大小，选择合理的拱轴系数， 就是尽可能降低由于荷载产生的弯矩值。本设计分别 按 2 4 3 2为拱轴系数，进行分析比较拱肋在恒载作 用下的拱肋内力，从结果可看出，拱轴系数增大，拱 脚弯矩值减小 ；拱轴系数减小 ，拱顶弯矩值减小 。以 拱肋截面内力及截面检算结果 ( 混凝土应力 ) 均衡为 原则，最终本设计拱轴系数 采用 2 8 。 2 2 拱肋构造 2 2 1拱肋 中心距 由于 稳 定性 要 求 拱 肋 中心 距 ，须 大 于 跨 度 的 1 2 0 。为缓解较窄的桥面箱梁与较宽拱肋间的矛盾， 考虑桥梁的整体美观，将两分离式拱肋设置成变间 距。拱顶处两拱肋中心距采用 5 2 m；拱脚处拱肋中 心距加宽至 l 2 5 m。因此拱肋呈倾斜布置，拱顶内倾 3 6 5 m ( 倾角为 5 5 5 9 2 7 8 。 ) 。两片分离拱肋，在拱 肋立柱处设横撑，横撑采用宽 2 0 m箱形截面，高度 随拱箱高度变化，全桥共设 1 3 道一字横撑。 2 2 2 拱肋箱形截面 单箱单室 截面 ( 拱脚 以上 3 m为实体 段 ) ，拱肋 截面宽取 2 5 m，拱顶截面高取 3 5 m，拱脚截面高取 6 0 m， 拱顶到拱脚范围内拱肋高度按立特公式变化。 拱肋箱形截面见图 2 。 2 2 3 拱 肋 劲性 骨 架 每片拱肋内的钢骨架的弦管由4 根 4 5 0 1 2 的 Q 3 4 5 q D无缝钢管组成，拱脚局部范围钢管壁厚加 厚至 2 0 m m，内灌 C 5 5 微膨胀混凝土。立面内腹杆 由2 L 1 6 0 1 0 0 1 2 角钢组焊而成，上下平纵联的 横撑由2 L 1 6 0 1 0 0 1 2 角钢组焊而成，斜杆由2 L 8 08 01 0角钢组焊而成。 2 3 拱上结构 拱上立柱的主要作用是将桥面荷载传递到主拱肋 上 ，立柱间距不宜过大 ，一般不宜大于拱肋跨 度的 1 8 1 1 5 ，以免立柱底竖向力过大，而引起拱肋在立柱 处承受较大集中力，本桥拱肋上每隔 1 4 5 m左右设 立柱 ， 拱上立柱采用双斜柱 ，实， 亡 截 面 ，14 号立柱、 71 0 号立主尺寸为 1 6 0 o 纵向) X 2 0 0 0 m r n ( 横向) ， 立柱横撑尺寸为 1 3 0 0 m m ( 宽 ) 1 O 0 0 m m ( 高) 。托盘 高 1 1 m，宽 1 8 m；顶帽高 0 5 m，宽 2 0 m。立柱 1 构 造图见图 3 。 考虑到连续梁能增强桥面纵向及横向的刚度，行 图2 拱肋箱形截面图 图3 立柱构造( 单位： m) 车条件 好 ，拱顶框架两端各 采用 5 m1 4 5 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 9 1 m，底板 宽 4 9 m，跨中腹板厚 4 0 c m，顶板厚 2 7 c m，底板厚 3 0 c 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 9 4 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 拱肋不均匀沉降对框架产生的较大内力。框架顶板跨 中厚4 0 0 m m ， 框架侧墙厚 6 0 0 m m。 2 4 拱座基础 拱座纵向长 1 4 m，横向 2 0 m，高 8 6 m，拱座基 础置于片岩弱风化层。施工时以拱肋预埋钢管底部位 置为分界线分两次浇筑， 以减小结构尺寸降低水化热， 方便固定预埋钢管支架 ，确保定位牢固。 3 结构计算 3 1 静力计算 先分析主要设计荷载，并考虑拱肋合龙温度和拱 圈基础复位等影响因素。 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 0 3 m m；拱上连续梁结构由 于列车竖向静活载所引起的竖向挠度 0 6 9 c m；由于 列车竖向静活载所引起的拱上连续梁结构梁端转角为 0 0 0 0 5 4 r 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 桥涵设计手册中墩台与基础( 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。 建筑技术 第 4 6卷第 6期 表 1 拱座计算结果 截面位置 基底应力 k P a 倾覆稳定 滑动稳定 拱座 底 7 8 3 6 4 1 3 9 2 拱脚、拱顶钢筋应力均为 1 5 0 MP a 左右，拱脚、 拱顶混凝土应力均为 1 5 MP a 左右 ，满足规范要求。 由于立柱高度为 2 4 9 m，1 号及 1 0号拱上立柱 截面应力受纵向地震控制，混凝土应力为 1 0 8 MP a ， 钢筋应力为 1 7 3 3 MP a ，满足规范要求。拱上连续梁 固定支座放置于 5号及 6号拱上立柱上 ，截面应 力受 纵向地震控制 ，混凝土应 力为 8 1 MP a ，钢筋应力为 2 2 7 9 MP a ，满足规范要求。 拱上连续梁抗弯计算结果也均满足规范要求。 3 2 动力特性分析 地震动峰加速度 0 2 1 5 g ，特征周期 O 4 5 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 2 。 表 2 全桥振型表 振型 周期 s 振 型特 L生 l 1 5 l 6 对称横向挠曲振动 2 1 2 3 9 反对称纵向挠曲振动 3 1 1 2 0 2 7 9 对称纵向挠曲振动 4 1 1 2 0 2 5 4 反对称纵向挠曲振动 5 0 9 1 8 对称竖向挠曲振动 3 3 稳 定分 析 稳定计算采用 MI D AS 软件计算 ， 荷载考虑 自重 、 二期恒载、静活载。静活载全桥均布加载。计算结果 纵横向稳定安全系数均大于 5 ， 满足规范要求。 4 主桥施工步骤 本桥采用缆索吊施工拱肋钢骨架，然后灌注钢管 混凝土、浇筑拱脚段混凝土、分环施工拱肋混凝土、 现浇拱上立柱、支架上现浇桥面纵梁。 4 1 缆索吊施工钢骨架 缆索吊车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，但需对桥墩进行验算。为安装方便，两片拱肋 钢骨架与永久横撑钢骨架在桥头分段焊接后一起吊 装，最大吊重控制在 5 5 t 。拱肋采用四点抬吊整体吊 装就位。 4 2 灌注钢管混凝土 本桥采用泵送顶升浇灌法施工。 选择合适的地泵， 由拱脚向拱顶对称灌注 C 5 5 混凝土，灌注顺序为先下 后上，先内后外，应采取措施保证钢管混凝土填充密 实。钢管混凝土养护完毕后，在钢骨架上安装模板， 绑扎钢筋。 4 3 分环浇筑外包混凝土 拱脚 3 m实体段一次对称浇筑；达到规定强度 后对称一次浇筑拱脚段约 1 0 m拱肋混凝土；达到 规定强度后再对称一次浇筑拱脚段约 1 0 1T I 拱肋混 凝土 。 4 4 分环浇筑其余拱肋外包混凝土 其余拱肋混凝土采用 “ 三环六面” 法施工。“ 三环” 即将拱肋截面沿拱轴分作底板、腹板、顶板三环，每 次施工一环 ，下一环施工须待上环混凝土养护一个 龄期后进行；“ 六面” 即将每一环沿拱轴分作六段 ( 即 六个工作面 )，段与段间留 5 0 0 m m 间隔槽 ，浇筑混 凝土时，六个工作面同时由拱脚向拱顶施工，待各段 浇筑完成且拱圈充分变形后浇筑间隔槽内混凝土，完 成该环混凝土的浇筑，然后进行下一环的浇筑。 4 5 施工拱上立柱及拱顶框架 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，每组立柱混凝土须 在初凝前一次浇筑完成，从两拱脚向拱顶对称依次浇 筑盖梁混凝土：从两侧向拱顶对称依次在支架上现浇 拱顶框架。 4 6 支架现浇桥面纵梁及桥面系 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，再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。 拆除支架 ，施 工桥台及引桥后，再现浇安装伸缩 缝 、施工桥面铺装及桥面系。 5 结束语 目前祁家渡黄河大桥正处于施工图招标阶段，预 计 5 年后建成。采用缆索吊装合龙劲f生 骨架，利用劲 性骨 架立模施 工外包混凝 土最 后施 工拱 上结构的方 法， 可很好地解决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独具 特色，可供同类桥梁借鉴参考，该桥建成后将成为我 国最大跨度的单线铁路劲生 骨架混凝土拱桥。 参考文献 【 l 】陈宝春 钢管混凝土拱桥设计与施工 【 M1 北京： 人民交通出版社 【 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 ) 3 瞿国钊， 等 宜万铁路落步溪大桥 1 7 8 m混凝土拱桥设计 J 】 l 铁道 标准设 2 0 0 5( 1 1 )