澄江双线特大桥主桥结构设计

徐建华

(中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

1 工程概况

新建贵阳至南宁铁路客运专线是国家《中长期铁路网规划》中“八纵八横”高速铁路主通道包头至海口通道的重要组成路段[1]，线路北起贵阳北站，终至南宁东站。澄江特大桥位于贵州省河池市境内，桥长15 507.8m。大桥主桥采用(91.3+180+91.3)m拱加劲连续梁上跨兰海高速，线路夹角30 °，高速公路为双向四车道，路肩宽度25m。

主要技术标准见表1。

表1 主要技术标准

2 主桥结构设计

主桥采用(91.3+180+91.3)m拱加劲连续梁，主墩高12.5m，采用直径2.5m钻孔灌注桩，边墩基础采用直径1.25m钻孔灌注桩。主桥总布置图如图1所示。

图1 全桥总布置(单位：cm)

2.1 主梁构造

主梁设计为单箱双室变高度直腹板截面，受运梁车通行要求控制，箱梁顶宽16m，箱宽13.6m，主墩顶支点截面梁高10m，边支点截面高度4.5m，截面高度按二次抛物线变化，梁底曲线方程Y=5.5x2/772+4.5。箱梁顶板厚度55cm，腹板厚度40～83cm，底板厚度40～110cm。由于拱脚固结构造需要，0号块箱宽16.6m，两侧各加宽150cm。主梁内吊杆锚固处对应设置箱内横梁。主梁支点及跨中横断面如图2所示。

图2 主梁截面(单位：cm)

2.2 拱肋构造

拱肋计算跨度L=180m，矢高f=36m，矢跨比f/L=1∶5，拱轴线采用二次抛物线。两榀拱肋之间横向中心距为14.8m。拱肋采用哑铃形钢管混凝土截面，截面高3.0m。拱肋弦管直径1m，壁厚24mm，弦管之间用16mm厚腹板连接。弦管及腹板内均填充C50微膨胀混凝土。拱肋截面如图3所示。

图3 拱肋截面(单位：cm)

两榀拱肋之间共设9道横撑，拱顶横撑为米字形，其余10道为K字形。横撑横杆均为φ600×14mm钢管；斜杆均为φ500mm×mm钢管。拱肋上下钢管分别设置横撑，同一位置处上下横撑间设φ200×12mm钢管连接。

2.3 吊杆

全桥共设18组吊杆，顺桥向间距9m。吊杆采用GJ15-12整束挤压钢绞线拉索，为便于吊杆更换采用双吊杆体系，吊杆间距0.55m。吊杆上端穿过拱肋锚固于拱肋上缘张拉底座，在拱肋上端进行张拉；下端锚于吊点横梁下缘固定底座。

2.4 支座

采用球型钢支座，各支点沿横桥向布置 3个支座，每道腹板下设置一个支座。边支点支座吨位9 000kN，间距5.75m；中支点支座吨位85 000kN，间距 6.2m。

3 施工方法

梁部采用封闭挂篮对称悬臂浇筑，先合拢边跨，然后继续浇筑中跨不平衡节段，合龙中跨。主梁施工完毕后，准备架设钢管拱肋，钢管拱采用在小里程侧引桥及主桥边跨上搭设支架拼装成型，拱肋拼装支架如图4所示。

图4 拱肋拼装示意(单位：cm)

拱肋拼装完成后，张拉临时系杆锁定，拆除安装支架，落架至走行小车上，沿桥面预埋轨道平推至设计位置安装就位，如图5所示。

图5 拱肋顶推示意(单位：cm)

然后按照先上弦、再下弦、最后腹腔的顺序灌注拱肋混凝土。管内混凝土达设计强度后按指定次序张拉吊杆，调整吊杆力，施工桥面系，完成主桥施工。

4 静力计算分析

4.1 计算模型

主梁按全预应力混凝土结构设计，采用有限元程序MidasCivil建模。全桥共分为 1 067 个单元，其中主梁、拱肋按梁单元建模，拱肋采取钢管、管内混凝土模拟成双单元共节点的形式，考虑钢管混凝土拱肋的实际形成过程。吊杆按只受拉的桁架单元建模，全桥共计梁单元 1 031个，索单元36 个，计算模型如图6所示。

图6 计算模型

4.2 主梁计算

主梁在各种最不利荷载组合下,各控制截面应力见表2。

梁部最大主拉应力-2.87MPa，最大主压应力18.71MPa。最小抗裂安全系数1.26，主力作用下强度安全系数2.21，主+附作用下强度安全系数2.18。

表2 控制截面应力 MPa

考虑列车竖向ZK静活载与温度共同作用，中跨梁体竖向最大挠度为45.3mm，为跨度的1/3974；边跨梁体竖向最大挠度为19.6mm，为跨度的1/4658。在ZK活载静力作用下，梁端竖向转角为0.83 ‰。

轨道铺设后，预应力混凝土梁的中跨竖向残余徐变变形仅为-0.2mm；边跨竖向残余徐变变形为-12.4mm，为跨度的1/7363，满足规范要求的竖向残余徐变变形不应大于L/5000且不大于20mm[2]。

4.3 拱肋计算

拱肋钢管主力最小压应力为50.0MPa，最大压应力152.0MPa；主+附最小压应力为31.0MPa，最大压应力165.0MPa。钢管各截面均不出现拉应力。拱肋混凝土主力最大压应力6.3MPa；主+附最大压应力7.3MPa。

拱肋弹性稳定系数为5.95。拱肋轴向受压极限承载力安全系数：主力K=2.39；主+附K=2.28。

4.4 吊杆计算

主力下吊杆最大拉应力 426.8MPa，强度安全系数K=4.4。主力+附加力下吊杆最大拉应力 443.3MPa，强度安全系数K=4.2。吊杆最大活载应力幅为 170MPa。

5 结束语

拱加劲连续梁是一种梁-拱组合体系桥梁，具有竖向刚度大、承载能力高、工后徐变小等优点，特别适合应用于大跨度高速铁路桥梁，在高铁桥梁设计中得到广泛应用[3]。

结构受力方面，此种结构通常采用预应力混凝土连续梁与钢管混凝土拱肋形成组合结构，主梁除承受弯矩外，还承受轴向拉力，因此需配置足够的纵向预应力使主梁处于全受压状态。钢管混凝土拱肋主要承受轴向压力，由于钢管的套箍作用[4]，使混凝土处于三向约束状态，承载力大大提高。另一方面，混凝土填充于钢管之内，增强了钢管的稳定性，组合结构刚度也远大于钢结构，使其整体稳定性也有了极大的提高。计算结果表明，钢管混凝土拱肋对改善结构刚度，降低跨中徐变有非常显著的作用。

施工方面，连续梁采用常规的悬臂灌注工法施工，工艺十分成熟。主梁合龙后，在连续梁桥面上拼装拱肋，为拱肋施工提供了天然工作平台，采取必要防护措施后并不影响施工期间桥下交通。可综合考虑桥下公路等级、安全要求级别、现场施工条件等因素，采用在桥面原位搭设支架拼装或异位拼装、顶推就位的施工方案。

综上所述，当常规三跨连续结构跨度不能满足设计要求，需要采用更大跨度桥梁结构跨越道路或通航河流，但由于线路标高导致桥下净高受限时，拱加劲连续梁是一种比较合适的桥跨结构[5]。