连续梁拱组合桥梁设计

连续梁拱组合桥梁设计
崔巍
摘要：以某铁路特大桥主桥(90+180+90)m下承式连续梁拱组合结构为例，对铁路连续梁拱桥的设计进行了介绍。主要介绍了连续梁拱结构的结构构造与结构静力计算，并阐述了梁拱组合结构受力行为特点。
关键词：梁拱组合，桥梁，设计
引言
连续梁拱组合桥作为一种新型的组合结构，它克服了拱桥对地基要求较高和连续梁对材料要求较高的缺点，具有动力稳定性好、结构刚度大、跨越能力大、施工方便、造型美观等显著优点，具有显著的工程实用价值。其受力特点可以概括为：粱拱共同受力，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[1]。
工程概况
某铁路桥梁跨越京杭大运河，京杭大运河现状航道等级为Ⅳ级，规划航道等级Ⅲ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45°。为了满足通航的净空要求，同时兼顾景观效果，跨京杭运河主桥桥式采用(90+180+90)m连续梁拱桥，主桥桥长380m。
结构构造
主梁构造
主梁为顶应力混凝土结构，采用单箱双室变高度箱形截面，跨中及边支点处梁高4.5 m，中支点处梁高10.0 m，梁高按圆曲线变化。主梁顶宽14.2m，中支点处局部顶宽16.5m；顶板厚0.42m，中支点处局部顶板厚1.02m，边支点处局部顶板厚0.72m；底宽l0.8m，中支点处局部底宽13.8 m；底板厚度0.40~1.05m，中支点处局部底板厚1.50m，边支点处局部底板厚0.85m。腹板采用直腹板，腹板厚分0.40m、0.55 m、0.70 m三种，中支点处局部腹板厚1.30 m，边支点处局部腹板厚0.85 m。中支点附近及跨中截面见图1。

图1主梁横截面(单位：cm)
主梁共设6道横隔板，边支点横隔板厚1.6 m，中支点横隔板厚4.0m，中孔两道中间横隔板厚0.4m，各横隔板均设进人孔。主梁于各吊杆处共设18道吊点横梁，吊点横梁高分1.5 m、1.4 m两种，横梁厚0.4m。主梁共分79个梁段，梁拱结合部0号梁段长17 m，中孔合拢梁段长3.0 m，边孔直线梁段长6.8m，其余梁段长分3.0m、3.5m、4.0m．4.5m四种。主梁除0号梁段、边孔直线粱段在支架上施上外，其余粱段均采用挂蓝悬臂浇筑。
主梁预应力
主梁设纵向、横向和竖向三向预应力筋。纵向预应力采用19~15.24mm、15~15.24mm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＝0.75，顶板和底板钢索锚下张拉控制应力=0.68。
主梁横向预应力采用5～15.24mm钢索。横向钢索采用一端张拉，张拉端和锚同端在主梁两侧交错布置。顺桥向间距一般为50cm，0号梁段不设横向预应力。横向钢索铺下张拉控制应力＝0.75。
主梁竖向预应力采用直径为32mm的高强精轧螺纹钢筋，竖向预应力筋顺桥向间距为0.5。腹板厚0.7m梁段，横桥向各腹扳布两根预应力筋；腹扳厚0.55m梁段和腹板厚0.40m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=560 kN。
拱肋构造
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1.1m，由＝20mm、24mm厚的钢板卷制而成，弦管之间用＝16mm厚钢缀板连接，拱肋弦管及缀板内填充微膨胀混凝土。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14运输节段，运输节段最大长度小于15.0m。每榀拱肋上下弦管分别设一灌注混凝土隔仓板，沿拱轴线均匀设置加劲拉筋，加劲拉筋间距为0.5m。
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500×14 mm主钢管和32根250×10 mm连接钢管组成，钢管内部不填充混凝土。
吊杆
吊杆顺桥向间距9 m，全桥共设18组双吊杆。吊杆采用PES(FD)7—61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LZM7—61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。
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8000 kN，中支点支座吨位80000kN。
结构静力计算
主梁纵向计算
(1)主梁纵向按容许出现拉应力但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1。
表1 运营阶段主梁应力、强度及抗裂性计算结果
检算项目主力组合主+附组合
上缘下缘上缘下缘
最大正应力(MPa) 13.20 15.80 15.20 16.30
最小正应力(MPa) 0.53 2.34 0.19 0.55
未计竖向预应力最大主压应力(MPa) 15.67 16.43
最大主拉应力(MPa) -1.46 -1.55
计入竖向预应力最大主压应力(MPa) 18.42 19.00
最大主拉应力(MPa) -2.57 -2.87
正截面抗裂最小安全系数 1.22 1.82 1.20 1.42
正截面抗弯强度最小安全系数 2.23 2.24 2.19 1.98
(2)在ZK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 主梁最大挠度、挠跨比
荷载工况最大竖向挠度/mm 挠跨比
边跨中中跨中边跨中中跨中
ZK活荷载作用下 -21.4 -38.6 1/4206 1/4663
ZK活荷载+0.5倍温度作用 -24.7 -51.7 1/3644 1/3481
ZK活荷载+全部温度作用 -20.1 -50.4 1/4471 1/3571
吊杆检算
在运营阶段，最不利荷载作用下，横向一组吊杆最大轴力3039 kN，最大拉应力324.0MPa，强度安全系数K=5.15。吊杆最大活载应力幅136MPa。
梁拱组合结构受力行为特点
施工阶段
因为中跨吊杆处设有横隔梁，而且中跨比边跨长3m，多一个悬浇梁段，使得悬浇过程中，不平衡弯矩很大；如果按常规连续梁先边跨、后中跨的合拢顺序，中支点处临时固结构造需承受非常大的不平衡弯矩，而且会控制基础设计，很不经济。为此，我们将边跨梁端段浇筑后，支座处脱空，成悬臂状态，待中跨合拢、中墩临时固结解除后，边支点施加顶力调整到设计高程，安装边支座，形成连续梁体系[2]。
梁部施工阶段，主梁以受弯为主，梁体内张拉有顶板束和腹板下弯束，与一般连续梁是相同的；为满足整个边跨成悬臂状态的受力需要，边跨顶板张拉了4束临时钢束，而且，边跨底板钢束在梁部施工时只张拉一部分，另外一部分等到中跨吊杆安装后张拉。中跨合拢时，体系转换引起的弯矩变化和竖向变形都比常规连续梁大，施工时采用了比较强劲的合拢临时刚接构造。连续梁体系形成后，在中跨梁顶搭设支架，吊装拱肋，梁部承受最大施工荷载。拱肋合拢后，张拉梁部起系杆作用的部分预应力钢束。随着吊杆的安装，主梁受力由纯弯构件过渡到拉弯构件，梁拱组合体系逐步形成。随后，施工桥面附属结构、线路设备等，全桥施工完成。
运营阶段
梁拱结构一期自重约80％由梁部承担，梁拱组合体系形成后，作用于梁顶的二期恒载及运营活载，通过吊杆，传递到拱肋，拱肋以受压为主，拱肋产生的水平推力由主梁承担。主梁由纯弯受力状态改为拉弯受力状态，主力组合时，跨中最大弯矩只有同等跨度连续梁结构的40％，可见，拱的存在极大改善了梁的受力，使跨中和支点梁高得以减小。
结语
本工程主桥采用连续梁拱桥，利用拱承受部分恒载及活载，有效的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。期望能为同类结构在高标准铁路建设中的应用提供借鉴。

参考文献
[1]窦建军，张海荣.京津城际(60+128+60)m连续梁拱设计简介[J].铁道标准设计，2007(2)
[2]金成棣.预应力混凝土梁拱组合桥梁一设计研究与实践[M].北京：人民交通出版社，2001