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桥 梁 半穿式钢管混凝土拱桥设计研究 吴 文 华 ， 雷晓峰 ( 中铁第一勘察设计院集团桥梁隧道处 ，陕西西安7 1 0 0 4 3 ) 摘要： 常规的大跨度 钢管混凝 土提篮拱 桥 ， 由于拱 上立柱较 高， 导致上部结构 的纵 向与横 向刚度 大幅度 降低 ， 这 一 问题 制 约 了该桥 型在铁路桥 梁中的应用。采用半 穿式提篮拱 结构， 使 拱上 立柱 高度 降低 约 1 0 m； 同时 由于 拱 顶 1 4 0 n l范 围 内 两侧 拱 肋由混凝土梁 实现 了刚性连接 ， 每 处立柱 下拱 肋之 间也设有 刚 性横 粱， 从 而大幅度提 高 了结构整体横向刚度。 关键词 ： 铁路桥 ；钢管混凝 土拱桥 ；提 篮拱 ；设计 中图分类号： U 4 4 8 2 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 4 2 9 5 4 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 3 6 0 3 1 工程 背景 大理至瑞丽铁路是泛亚铁路 的重要组成部分， 是 我国进出印度洋的便捷通道。澜沧江大桥是该线的重 点控制性工程， 位于永平县杉 阳镇与保 山市水寨镇的 分界 处 ， 桥位 下 游 3 0 0 IT I 处是 著 名 的古霁 虹桥 。该桥 为预 留双线桥 ， 一次 建成 ， 设 计活 载为 中活载 。建桥条 件分 析如下 ( 图 1 ) 。 图 1 建 桥 条 件分 析 ( 1 ) 桥 位处河 谷狭窄 ， 两 岸 山体 险峻 陡峭 ， 线路 距 江水 面高达 2 8 0 m。 ( 2 ) 结 合 两 岸 地 形 ， 跨 越 澜 沧 江 必 须 采 用 大 于 3 2 0 m的跨径 。 ( 3 ) 大桥位 于 8度 地震 区。 ( 4 ) 交通运输 条件 较差 ， 场 地 十分 狭窄 ， 施 工条 件 极 其 困难 。 ( 5 ) 基 岩较 为完整 ， 但 有 明显 的垂 直节 理发 育 ， 适 宜修 建有 推力结 构 。 收 稿日 期： 2 0 0 9 一 O 1 0 9 2 半 穿式钢管 混凝土 拱桥方 案 的优 缺点 作者简介 ： 吴文华 ( 1 9 7 6 一) ， 男 ， 工程师 ， 2 0 0 0年 毕业 于石家庄 铁道学 院交 通土建工 程专业， 工学学士。 钢管混凝土由于钢管对混凝土的紧箍作用 ， 使混 1 - 一 一 i ii 各工况 下 I号 墩 的 “ 斜 交 弯 矩 ” 如 表 2所 示 ， 表 2中所列 “ 重 轴 在 I号 墩 ” 及 “ 重 轴在 中跨 跨 中” 均指 沿梁 体 中心线 的位置 。 表 2 1号 墩 各 工 况 下 的 “ 斜 交 弯 矩 ” k N- m 从表 2可看 出 ， 在 自重 及二 期恒 载 作 用下 ， “ 斜 交 弯矩 ” 较小 ， 这 是 因为 本 刚构 是 梁 端 正 交 的 多跨 刚 构 连续梁桥， 而自重及二期恒载沿全梁接近均布 ， 所 以沿 墩横向荷载分布较均匀。如果是单跨或梁端斜交 刚 3 6 构 ， 则荷 载分 布沿墩 横 向从 钝 角 向锐角 逐渐 减 小 。总 “ 斜 交 弯矩” 大小 应 由 自重 + 二期恒 载+ 基础相 对变位 + 活载引起 的“ 斜交 弯矩 ” 组 成 。从 表 2中可看 出 ， 工况 6、 9 、 1 l 、 l 2不控 制 设 计 ， 其 余 几 种 活载 工 况 与 恒载 工 况 、 基 础 相 对 变 位 工 况 引 起 的 “ 斜 交 弯 矩 ” 分 别 与 4 2 1 、 4 2 2中桩顶力组合作为输入 B 9 0计算程序 的 荷载。事实证明 ， “ 斜交弯矩” 对桩基配筋及桩长均有 一 定影响， 墩轴线与梁体 横向交角越 大， “ 斜交弯矩 ” 越 大 ， 设 计时不 可忽 视 。 参 考 文献 ： 1 车宇琳 ， 冯云成， 包琦玮 ， 等 桥 梁设计常用数据 手册 M 北京 ： 人 民 交 通 出版 社 ， 2 0 0 5 、 2 T B】 0 0 0 2 3 2 O O 5， 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构 设 计规范 S 3 黄 棠 ， 王效 通 ， 等 结构 设计 原 理 M 北 京 ： 中 国铁道 出 版 社 ， 1 9 8 8 4 T B 1 0 0 0 2 1 -2 0 0 5 ， 铁路桥涵设计基本规范 S 5 T B 1 0 0 0 2 5 2 O O 5 ， 铁路桥涵地基 和基础设计规范 S 6 邵旭东 ， 程翔云， 李立峰 ， 等 桥梁设 计与计算 M 北京 ： 人民交 通 出版 社 ， 2 0 0 6 铁道标准设 计R A I L W AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 0 ( 6 ) 凝土的抗压强度大大提高 ， 而且还 由脆性材料转变为 塑性材 料 ， 基本 性能 起 了质 的变化 。同时 ， 薄壁 钢管 的 承载力 决 定于 薄壁 的 局部 稳 定 ， 屈 服强 度 常 得 不 到 充 分利 用 。用作钢 管 混凝 土时 ， 内部 存在 混凝 土 ， 提高 了 薄壁 的局 部稳定 性 ， 其屈 服强 度 可 以充 分利 用 ， 且钢 管 在此应 力状 态下 钢 材 的屈 服 强 度 降 低 ， 而 塑 性 变 形 能 力增大， 更有利于钢材的充分利用 。因此 ， 钢管混凝土 抗 震性 能优 越 ， 尤 其 是在 罕遇 地震 条件 下 ， 由于 结构 的 延 性 明显 优 于常 规 混凝 土 结 构 ， 更 有 利 于 实 现 延性 设 计 的 目的 。施工 过程 中 ， 钢管 本 身既 是 承 重 骨 架 又 是 耐侧压 的模 板 ， 施 工 简 便 ， 可 有 效 缩 短工 期 、 降 低施 工 风 险及工 程造 价 。钢 管混凝 土 桥仍是 大跨 度 桥梁 设计 中 的有 力 竞争方 案之 一 。虽然 近 年来 发现 钢管 混凝 土 拱 桥存 在钢 管 内混凝 土 不 密 实 的 问 题 ， 但 通 过 改进 施 工工艺 ， 并 在 结 构 计 算 时 予 以 考 虑 ， 结 构 安 全 是 有 保 障的 。 常规 的大跨度 钢 管 混 凝 土 提 篮拱 桥 ， 由于 拱上 立 柱 较高 ， 且横 向联 结 系 的刚度 相对较 弱 ， 从而 导致 了结 构 的横 向 刚度大 幅 降低 ， 难 以满 足 列 车 运行 的 安全 性 和舒适性 的要 求 ， 这 一点 已经 为 国 内大跨 度 拱桥 实 测 振 幅大 幅度 超 限的测试 结 果所 证实 。 同时 以往拱 上建 筑 多采用 简 支梁结 构 ， 结构 的纵 向刚度较 弱 ， 对 高 烈度 区桥梁 的抗 震十分 不 利 ， 且 难 以适 应 桥 上无 缝 线 路 对 结 构 刚度 的要求 。这 些 问题制 约 了该桥 型在 铁路 桥 梁 中的应用 。 采用半穿式提篮拱结构 ， 使拱上立柱高度降低约 1 0 m； 同时 由于拱 顶 1 4 0 n l 范 围 内两 侧 拱 肋 由 混凝 土 梁 实现 了 刚性 连接 ， 每处 立 柱 下 拱 肋 之 问也 设 有 刚性 横 梁 ， 从 而 大幅度 提 高 了结 构 整 体横 向 刚度 。 结构 效 果 见 图 2 。 图 2结 构 效 果 图 上部 结构 采用 刚构 连续 梁 形 式 ， 从 而 提 高 了上 部 结 构 的纵 向抗 推 刚度 ， 以满 足铺 设无 缝线 路 的需要 ， 提 高 了拱上 建 筑 的抗 震 性能 。 铁道标准设 计R A I LW AY S T A N D A RD D E S I G N 2 0 1 0 ( 6 ) 桥 梁 3 结构 设计 3 1 总体 设计 主桥在 布置 桥 跨时 ， 根据 两岸 地质 地形 条件 、 主拱 受 力及 控 制立柱 高度 ， 确 定跨 径和 矢高 ， 在拱 座顶 面设 置 交界 墩 ， 从 而 确定 了 主桥 拱跨 为 3 6 8 I T I ， 矢 跨 比 1： 4 5 ， 拱 上桥 跨 共 1 0孑 L ， 跨 径 为 5 X 2 5 m+1 4 0 m 拱 顶 段 + 5 x 2 5 I l l ， 两 岸引桥 各 为 2 2 5 m， 引桥 与拱 上桥跨 连 成 连续 刚 构 体 系 ( 图 3 ) 。全 桥 纵 向为 平 坡 ， 横 向设 2 的人 字坡 。 图 3立 面 效 果 图 3 2拱肋 结构设 计 拱 肋为 哑铃 形钢 管混 凝土 主弦 杆和 箱形钢 腹杆组 成 的空 间桁 架 结 构 ； 拱 顶桁 高 8 m， 拱 脚 桁 高 1 2 m； 两 片拱肋拱顶 间距 1 6 m， 拱 脚 间距 2 4 1T I ； 单肋 横 向宽 4 m。每 道 拱 肋 上 、 下 弦 杆 均 为 2根 西 1 2 0 0 m m X 3 0 ( 2 4 )m m 的钢 管和 宽度 为 0 8 i n的两 块钢 板组 成 的哑 铃形 截 面 、 内灌 C 6 0混凝 土 ， 并 通 过 箱 形 截 面 腹杆 及 横 向斜杆 组成 空 间稳 定 体 系 ； 两 片拱 肋 问顺 拱 轴 方 向 设 1 0道混 凝 土横 梁及 1 8道钢 管 “ K ” 形横 撑 。 3 3拱座 结构设 计 主拱 座采 用 整体 式 钢 筋 混凝 土结 构 ， 拱 座 基 础应 置 于稳 定完整 的 弱风化 基 岩 内。 3 4箱 梁 结构设 计 桥 面主梁 均采用预应 力混凝土 连续箱 梁 ， 箱梁 与桥 墩及立 柱固结 形成 刚构 体 系 ； 箱 梁 截面 为 双箱 单室 ， 桥 面宽 1 2 m， 中支点梁 高为 4 m， 跨 中及边跨梁 端为 2 m。 3 5 拱 上立 柱和 边墩 结构 设计 拱上 立柱 为 钢 筋 混 凝 土结 构 ； 1 、 2、 3号立 柱箱 形 双柱 式立 柱 ； 4号立 柱为 板式 ， 底部 设半 径 为 8 m 的圆 弧 ； 0号 立 柱 柱 高 7 0 I T I ， 采用 单 箱 3室 截 面 ； 边 墩 为 钢 筋混 凝 土薄壁 空 心墩 。 4结构 分 析计 算 4 1 部 分 静力 结果 ( 表 1表 3) 表 1 拱肋恒载 内力结果 竖 向静 活 载 作 用 下 最 大 挠 度 5 0 5 c m， 为计 算 跨 径 的1 7 2 8 7 ， 结 构 的竖 向刚度 良好 。 3 7 桥 梁 吴文华， 雷晓峰一半穿式钢管混凝土拱桥设计研究 表 2拱肋主 力作用下 内力结果 表 3拱 肋 主 力 作 用 下应 力 结 果 MP a 周期2 5 2 5 1 7 6 5 1 2 5 9 1 2 4 1 O 9 7 4 0 9 2 8 O 7 3 9 0 5 7 2 ( 2 ) 多遇地震作用下的反应谱分析 根据设 计 资料 ， 多 遇 地 震 地 面 运 动 加 速 度 为 0 0 7 g ， I 类场地， 卓越周期为 0 2 5 S 。采用 铁路工程 抗震设 计规 范 ( G B 5 0 1 1 1 2 O 0 6 ) 的谱 曲线 对 该桥 进 行了反应谱分析。多遇地震下 ， 未考虑初始内力影响 的反 应谱分 析结果 见表 5 、 表 6 。 表 5顺 桥 向反 应 谱 分 析 ( 3 ) 罕遇地震作用下的弹塑性地震反应分析 弹塑性分析时塑性铰的设置原则和依据： 主要承重 构件梁 和拱肋 不设置塑性铰 ； 立柱和 双薄壁支 承上设置 塑性铰 。 、 由于 立柱 为空心截面 ， 其塑性 铰区 的纵 向钢筋 应按内外双层配置 ， 计算时假定配筋率为 1 0 。 在罕遇地震动作用下 ， 顺桥向和横桥向分别输入 E 1 c e n t r o 波 的南北分 量 进 行 弹 塑性 分 析 ， 可 得 到 以下 结论 ： 顺桥 向输入， 立 柱 的顶 部和底部均 已开裂且 3号立 柱 和边 墩 顶 、 底 部 屈服 ， 产 生 塑性 铰 ， 但 未达 到 破坏极 限状 态 ； 横桥 向输入 ， 立柱 只有 0号 、 1号立 柱 和边墩 底 部开裂 ； 主拱肋 中未 出现塑性 铰 。 4 3车桥耦 合分析 ( 1 ) 列 车编组 S S 9： S S 9+1 2YZ 2 5B； S S 3 ： S S 3 + 5 C 6 2重 + 5 C 6 2空 + 5 C 6 2重+ 5 C 6 2空 ； S S 3 B： S S 3+1 0 C 6 2 重 +1 0 C 6 2 空 +1 0 C 6 2 重 + 1 0 C 6 2空 ； 客客会 车： 两 速 度 为 1 4 0 k m h的 S S 9牵引 的 Y Z 2 5 B客车对 开 ； 货 货 会 车 ： 两 速 度 为 8 0 k m h的 S S 3 B 牵 引 的 C 6 2货车对 开 ； 客货 会车 ： 速度为 1 4 0 k m h的 S S 9牵 引 的 Y Z 2 5 B 客车与速度为 8 0 k m h的 S S 3 B牵引的 C 6 3货车对开。 ( 2 ) 轨道 不平顺 客车 ： 德 国低干扰谱转换的时域不平顺 ； 货车 ： 美 国五级 谱转换 的时域 不平顺 。 ( 3 ) 结 论 S S 9牵引 的 Y Z 2 5 B客 车 以 6 01 4 0 k m h通 过 桥梁时 ， 满足桥梁安全性 、 列车安全性要求， 车辆舒适 性 为优 。 S S 3牵引的 C 6 2货车以4 O8 0 k m h通过桥梁 时 ， 满足 桥 梁 安 全 性 、 列 车 安 全 性 要 求 ， 车 辆 平 稳 性 为 良。 S S 3 B牵引的 C 6 2货车以 4 08 0 k m h通过桥 梁时 ， 满足桥梁安全性 、 列车安全性要求 ， 车辆平稳性 为 良。 车桥 耦合分 析表 明 ， 列 车 运行 的安 全 性 及舒 适 度 指标 均达 到优 良标 准 。 5 结 语 采用半穿式提篮拱结构， 使拱上立柱高度降低约 1 0 I n ； 同时 由于拱 顶 1 4 0 I 1 3 范 围 内两侧 拱肋 由混凝 土 梁实现 了刚性 连接 ， 每处 立 柱 下拱 肋 之 间也 设有 刚 性 横梁， 从而大幅度提高了结构整体横 向刚度 ， 行车安全 性 和乘车舒 适度 大 幅提 高 。 上部结构采用刚构连续梁形式 ， 从而提高了上部 结构的纵向抗推刚度， 以满足铺设无缝线路的需要。 参考 文献 ： 1 赵经文 ， 王宏钰 结构有 限元分 析 M 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学 出版社 ， 1 9 8 8 2 范立础 桥梁工程 M 北京 ： 人民交通 出版社 ， 1 9 9 6 3 钟善桐 钢管混凝土结构 f M 北京 ： 清华大学出版社 ， 2 O o 3 铁道标准设 计R A I L W AY S T A N D A R D DE S I G N 2 0 1 0 ( 6 )