钢筋混凝土板拱结构在铁路桥梁中的应用分析.pdf

2 0 1 5年第 9期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i n g 1 5 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 5 ) 0 9 0 0 1 5 0 3 钢筋混凝 土板拱 结构在铁 路桥 梁 中的应 用分析 杨 ( 中铁第 一勘察设计院集团有限公 司， 陕西 西安7 1 0 0 4 3 ) 摘 要 ： 上承 式钢 筋混凝 土板拱适 用于地质条件 较好 的地 区， 其外形 美观 、 受力明确 、 工期短 、 成桥 快 ， 是铁路 桥 梁的发展 方 向之 一。根据桥 址的地形地 貌、 地质条件 、 水文特征 和 工程条件 ， 结合板 拱 的结构优 势 ， 桥 渡 方案选 用跨 度 4 2 m 的上承式钢 筋混凝土板拱 ， 一跨跨 越 沟谷 。应 用 Mi d a s 软件 建 立全桥有 限元模 型进 行 结构静动力特性及稳定性计算分析。分析结果表明， 该桥满足设计要 求， 板拱结构具有推广应用价值。 关键词 ： 双线铁路铁路桥 梁 钢筋混凝土板拱 应用分析 中 图分 类 号 ： U 4 4 8 3 4文献 标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 5 0 9 0 5 1工程概况 2主桥设计 某铁路线曹家河中桥为双线桥 ， 位于直线上， 坡度 1 3 0 ， I 级铁 路， 设计行车 速度 2 0 0 k m h 。桥址 位于 西秦岭高山区， 横跨曹家河中游河段。曹家河为大团 鱼河的支流之一 ， 常流水 ， 水量丰富 ， 流速较大 ， 该段河 谷 呈 “ U” 字形 ， 地 形 起伏 大 ， 相 对 高差 约 1 2 0 2 0 0 I n ， 交通 极 为不便 。河 谷 两 岸 陡 立 、 基 岩 裸 露 ， 植 被 茂 密 ， 河床内无任何水生植物。根据调查 ， 基岩片理面产状 稳定 ， 无褶皱 、 断裂等地质构造现象。地质评价结果表 明该段线路为泥石 流多发 区， 该河沟为泥石流沟。河 床 内分布大量块石 ， 最大直径可达 1 1 i n ， 大部分直径 3 0 5 0 m 2 1 桥 式选 择 钢筋混凝土板拱具有结构简单 、 受力明确 、 外形美 观和施工方便的优点 ， 整体性和横向稳定性好 ， 其施工 不需要大型吊装设备 。由于沟谷中可能落人大块碎石 影 响桥 墩安 全及 行 洪 ， 在 两岸 基 础 较 好 的地 区应 避 免 在沟谷 中设置桥墩 ， 尽量实现一跨过谷。鉴于此 ， 本工 程选用跨度 4 2 IT I 的钢筋混凝土板拱较为合适 。 2 2 全 桥 总体布 置 本桥为 跨度 4 2 i n钢 筋混 凝 土板 拱 ， 拱 肋 高度 8 4 i n ， 矢跨比为 1 5 。采用抛物线线形。桥台采用钢 筋 混凝 土箱 形桥 台 ， 桥 台顶 面 与线路 坡度 相 同 ， 箱底 置 于完整基岩与拱座基础之上 。全桥总布置见图 1 。 收稿 日期 ： 2 o l 5 0 5 - 0 6 ； 修 回日期 ： 2 0 1 5 0 8 - 0 6 作者简介 ： 杨靖 ( 1 9 7 9 一 )， 男 ， 陕西? 胃南人 ， 工程 师。 图 1 全桥总体布置 ( 单位 ： c m) 1 6 铁道建筑 3板拱结构 分析 3 1 板 拱构 造 采用板式拱肋截面 ， 厚度 1 0 m， 宽度 8 0 m。拱 轴 线采 用 二 次抛 物 线 方 程 ： Y=0 0 1 9 0 5 。 +S ， 其 中 s 为预拱 度 设 计 值 。拱 顶 处 拱 肋 与 桥 面 板 固结 ， 厚 度 1 5 6 0 m， 宽度 8 0 m， 固结 处采用 倒 角形式 。 3 2拱 上 结构 拱 上 立柱 的主 要 作 用 是 将 桥 面 荷 载 传 递 到 板 拱 上 。为避 免立柱 底 竖 向力 过 大 ， 引 起 拱肋 在 立 柱 处 承 受较大集中力， 立柱间距不宜大于拱肋跨度 的 1 6 1 1 0 。本桥 拱肋 上 每 隔 6 0 m 设 一 立柱 ， 采 用 实 腹 板 形式 ， 立柱 与桥 面板 及拱肋 之 间 固结 。 拱顶 立柱 之上 设置 8 0 m X 6 0 m 的桥 面板 ， 两端 支承于桥台上 。桥面纵梁采用等高度钢筋混凝土连续 梁 ， 实腹板 截 面 ， 梁 高 0 5 0 6 m， 梁宽 1 1 3 6 m。桥 面纵 梁 采用现 浇悬 臂式 人行 道 。纵梁 与拱 顶及立 柱之 间 固 结 ， 整体现浇 。 3 3拱座 基础 拱座 基础 就 山势设 置 ， 为楔形 截面 ， 置 于千枚 岩弱 风化层。兰州侧拱座尺寸 ： 纵 向长度 6 0 0 m， 横 向长 度 1 O 0 0 m， 高度 6 7 5 m。重庆侧拱座尺寸 ： 纵向长度 6 8 m， 横向长度 1 0 0 m， 高度 7 0 m。施工时须注意 拱座底部与 山体间台阶的设 置， 并严格控制拱肋的定 位 ， 确保拱肋的坐标和倾角准确 。 4 结构 计算 4 1 静 力计 算分 析 4 1 1 主要 设计 荷 载 1 ) 二期恒载包括人行道 、 挡砟墙 、 钢轨 、 扣件、 轨 道板 、 砂浆垫层和管线 ， 采用 1 2 1 k N m。 2 ) 收缩徐 变按 铁路 桥涵 钢 筋 混凝 土 和 预应 力 混 凝土结构设计规范 ( T B 1 0 0 0 2 3 2 0 0 5 ) 中的规定采 用 。混凝 土 平 均 加 载 龄 期 按 7 d计 ， 终 极 龄 期 按 1 5 0 0 d 计 。 3 ) 设计 活载采用 中活载 ， 拱及拱 上立柱动 力系 数 为 1+ =1+而 )_1 3 1 7 式 中 ： A 为 l临界 荷 载 系 数 ； L为 桥 跨 跨 度 ； f为 自振 频率 。 桥 面板 动力 系数为 l + - l ( b_) - 1 3 式 中 ： O t = 4 ( 1 一h ) 2 ， h为桥跨 顶上 填土厚 度 。 4 ) 列车 制动 力为 5 8 2 k N。 5 ) 拱肋 合龙 温度 采用 1 01 5 。 当地 7月平 均 气温 2 4 o C， 1月平均气温 一 2。整体升温： 2 41 0= 1 4 ， 计算 时取 2 0。整体降温 ： 一l 5 2=一1 7 ， 计 算时取 一 2 5 。桥面板 考虑非均匀升温 5 。 4 1 2 主要 计 算结 果 1 ) 拱 选 择拱 脚 、 1 立柱 处 、 2 立 柱处 、1 4拱 处 、 I I 截面和拱顶作为控制截面 ， 见图 2 。其中 ， 拱脚 、 1 4拱 处 和拱顶 截 面应 力 及 裂 缝 情 况 见 表 1 。 由表 1可 知 ， 拱脚截面受配筋控制， 其余截面内力均较小。 表 1拱肋计算结果 图 2截面位置示意 拱座计算时， 拱肋 、 桥台及拱座 自重的外力均分解 至拱 座斜 面 中心计算 ， 不 考虑对 基础 背面 地基 的影 响 。 拱座底面稳定计算参照 公路桥涵设计手册墩 台 与基 础 ( 第 2版 ) ， 计 算结 果见 表 2 。 2 ) 拱 上立 柱 1 及 2 立 柱截 面应 力均 受 主 力 控 制 ， 按 小偏 心受 压构 件计 算 ， 计算结 果 见表 3 。 表 2拱座稳定系数计算结果 3 ) 拱上 桥面板 计 算 了跨 中 、 支 点控 制 截 面 在 不 同荷 载 组 合 作 用 下 的荷 载 效应 ， 计 算 结果见 表 4 。 2 0 1 5年第 9期 杨靖 ： 钢筋混凝土板拱结构在铁路桥梁 中的应用分析 1 7 表 4 桥面板计算结果 4 2 预 拱 度的计 算 截面刚度为 0 8 E I ， 徐变应用 Mi d a s 软件计算 ， 收 缩采用升温 l 5， 降温采用 2 2。拱顶位移见表 5 。 表 5 拱顶位移 e m 荷 载工况 位移 自重 +二期恒 载 徐变 收 缩 1 2静活载 1 2降温 合计 01 5 0 26 O 77 0 09 0 57 1 8 4 4 3动力 特性 分析 设计地震动峰值加速度为 0 2 0 g， 动反应谱 特征 周 期 为 0 4 5 s 。应 用 Mi d a s 软件对 空 间结构 进 行 动 力 特 性分 析 ， 得 到结 构 前 5阶 自振 周 期 及 振 型 ， 见 表 6 。 结构第 1阶振型为梁拱 面内反对称纵 向挠曲振 动， 自 振频率为 3 8 7 9 Hz ， 周期 1 7 s 。结构第 2阶振型为 梁拱面外对称横 向挠 曲振动 ， 自振频率为 7 4 3 7 Hz ， 周 期 1 7 s 。第 1 ， 2阶振 型见 图 3 。 表 6结构 自振 特 性 4 4稳 定分 析 采用 Mi d a s 软 件 对 模 型 进行 稳 定 计 算 ， 荷 载考 虑 自重 +二期 恒载 + 静 活 载 。静 活 载加载 方式 为全 桥 均 布加 载 。 拱肋 纵 向稳定 计算 得 出 临界 荷 载 系数 为 2 8 ； 拱 肋 横 向稳 定 计 算 得 出 临 界 荷 载 系 数 为 3 5 。 可 见 ， 该 桥 纵 、 横 向稳定 性均 很好 。 ( a ) 第1 阶振型 ( b ) 第2 阶振型 图 3板拱结构振型 5 施工步骤 该桥施工采用支架现浇拱肋 ( 含拱顶实体段 ) 、 拱 顶 立柱 及桥 面板 。 施工步骤 ： 清理桥台处边坡危石并刷方 ， 加固边 坡 ， 施工拱座基础 ； 架设板拱支架 ， 施工板拱及拱顶 实体段 ； 施工拱顶立柱及桥 台； 搭设桥面板支架 ， 浇筑桥面板混凝土 ； 拆除板拱支架及桥面板支架 ， 施 工 桥 面工程 。 6 结 语 受 制 于地形 地质 条件 ， 桥址 交通 极为 不便 ， 大型设 备难 以进入施工场地 ， 大型泥石流携带 巨石对于桥渡 范围内设置的桥墩可能造成危害。设计采用一跨跨越 河 谷 的简单 板 拱 结 构 ， 对 结构 静 动 力 特性 及 稳定 性 进 行了设计计算与分析。板拱结构造型美观， 圬工量小 ， 造价低 ， 施工环节较少， 工期短 ， 成桥快 ， 具有推广价值 。 参 考 文 献 1 李亚东 桥 梁工 程概 论 M 成都 ： 西 南交 通大 学 出版 社 ， 20 01 2 范立础 桥梁工程 ： 下册 M 2版 北京 ： 人 民交 通 出版 社 ， 20l 4 3 续宗宝 1 4 0 m 双线铁路 上 承式劲性 骨架 混凝 土拱桥 设计 J 铁道标准设计 ， 2 0 1 I ( 2 ) ： 6 5 6 8 4 孙建平 ， 季 日臣 ， 徐岳震 铁路 大跨度 系杆拱桥 结构稳 定性 设计参数研究 J 铁道建筑 ， 2 0 1 1 ( 1 2 ) ： 2 6 2 8 5 陈 宝 春 钢 管混 凝 土 拱 桥 M 北 京 ： 人 民交 通 出版 社 ， 20 0 7 ( 责任 审编 郑冰)