关于城市轨道交通某150m大跨度连续刚构拱桥结构设计

摘 要：本文以实际工作中广州地铁某线路斜跨城市道路150m大跨度连续刚构拱桥建设为例，作为地铁项目一种新的大跨度桥梁结构，桥梁结构新颖。介绍了大桥结构设计，为同类工程提供参考。

关键词：城市轨道交通 大跨度连续刚构拱桥 结构设计

1.工程概述

广州市轨道交通某线路一期工程线路全长54.1km，其中地下线长15.6km，地上线长38.5km，设13座车站，其中地下站5座，高架站8座，换乘站2座。全线在三处斜跨路采用了主跨150m大跨度连续刚构拱的设计，桥梁跨度组合为（80+150+80）m。该桥结构新颖，桥梁主跨达150m，在轨道交通项目上为同类预应力混凝土梁桥桥型首例。全桥采用无支座刚构结构体系，建筑风格简洁明朗，满足城市轨道桥梁景观要求。桥型布置如图1所示。

2.主要设计技术标准

（1）设计使用年限：桥梁结构100年。

（2）设计活载：列车编组，初、近、远期采用6辆编组，列车采用B型车，轴重140kN。

（3）轨道类型：双线无砟轨道，短枕整体道床。

（4）行车速度：直线段设计速度为120km/h，小曲线半径段设计速度为85km/h

（5）线路：城市轨道交通线路，正线为双线，直线部分线间距4.2m，标准轨距1435mm。

（6）抗震标准：抗震设防烈度7度，地震动峰值加速度0.05g。

（7）桥下净空：跨越高速公路，快速路或主干道：不小于5.5m。

3.方案比选

在地铁线路斜跨城市道路或河渠时，根据地形及交通情况，初步设计阶段拟定了多个方案。

方案一：（40+80+150+80+40）m双塔斜拉桥；

方案二：（80+150+80）預应力混凝土连续刚构；

方案三：（80+150+80）预应力混凝土连续刚构拱桥。

方案一斜拉桥景观效果较好，但不适应地铁线路小曲线半径变化，且整体造价偏高，后期养护工作较大。对于方案二，刚构桥施工较容易，对地铁线路能满足全桥刚度大，后期养护少要求，但桥梁建筑高度过大，对道路行车视野及景观效果较差。方案三，采用斜腿拱肋支撑的设置，将拱肋以外箱梁的受力跨径减短，拓展了常规刚构桥的跨越能力，且能有效降低梁高，使梁体纤细美观。经综合比选，采用方案三。

4.桥梁结构设计

4.1 主梁设计

主梁采用（80+150+80）m预应力混凝土连续刚构拱，全长310m，采用单箱单室斜腹板箱梁截面，梁顶宽10m，。中墩顶截面梁高为2.0m，边跨墩顶截面同中跨跨中截面对称梁高均为2.5m，中墩主梁与拱肋交接处梁高为5.68m，梁高按2.5次抛物线变化。中跨主梁底板宽5.28m，梁截面腹板均按等斜率变化。

梁体采用C60混凝土。墩顶梁及边跨现浇段均采用支架现浇法，其余梁段采用挂篮悬臂浇筑法对称施工。先施工拱肋及拱顶梁段形成三角结构区域，形成“T”构，再形成“TT”构，先中间后两边依次合龙成桥。

箱梁顶板厚度30cm，除设横隔位置及墩顶处沿全桥一致。悬臂浇筑段底板厚度从跨中截面的47cm到中墩拱梁交接截面的121.2cm，按2.5次抛物线变化。合龙段箱梁底板厚度为47cm。

悬臂浇筑段腹板厚度从跨中截面的45cm按折线变化到拱梁交接处的75cm。合拢段箱梁腹板厚度为45cm。箱梁悬臂板端部厚度为25.5cm，根部厚度为45cm。

箱梁内在边墩顶、中跨跨中、拱梁交接处设置横隔板，边跨端部横隔板宽1.40m，中跨横隔板宽0.4m，拱梁交接处横隔板宽2.5m，为满足施工和管理需要，在每道横隔板均设置了人孔。整联梁从墩顶上桥，从横隔板进人孔进桥。为保持箱内通风干燥，在箱梁腹板和底板上均留有通风孔和排水孔。

4.2 桥墩、拱肋及基础设计

桥墩采用单墩设计，中墩截面尺寸为4.5m（横桥向）×3.5m（顺桥向）。边墩墩底截面尺寸为4.5m（横桥向）×0.8m（顺桥向），墩顶宽度同梁底等宽，设置相应变截面段。拱肋截面为倒梯形截面，与墩相接处为2.15m×4.5m（高×宽），与主梁相接处为2.8m×4.5m（高×宽）。

桩基础均采用钻孔灌注桩，主墩桩径为1.8m，边墩桩径为1.5m。

4.3 桥梁设计要点和难点

（1）关键技术原理（见图2）：本桥设计技术要点为调整拱肋角度α，通过五个参数：P、M1、M2、e、G，求A处弯矩变量，控制目标为拱肋受力为轴压状态或小偏心受压状态。（M1、M2—外荷载截面弯矩；e—理论角点与梁重心距离；G梁体重量；P：预应力荷载）。

（2）无支座全刚构体系：本桥设计为无支座连续刚构，边墩与主梁固结，使运营期养护方便。由于桥梁联长较长，需要考虑收缩徐变、整体升降温等荷载对边墩内力影响。为使边墩受力更为合理，一是采用薄壁墩型，桥墩壁厚0.8m（16m墩高），减弱桥墩刚度，使分配内力较小。二是在边墩顶与主梁端横隔设置后浇带，通过施工工序调整，在全桥预应力张拉完毕后，再进行墩梁固结，即释放了预应力对边墩产生的二次内力，减小了边墩恒载内力。由上措施极为有效地改善了边墩受力，实现了边墩与梁固结。

（3）曲线桥受力复杂：本桥设计处于地铁线路斜跨交通道路，位于地铁线路曲线半径上，最小桥梁曲线半径为R=500m。由于桥梁平曲线半径较小，具有典型的弯桥力学特征，与同等跨径的直梁桥相比，受力复杂，主要表现为：a）梁体的弯扭耦合作用；b）曲梁内外侧受力不均匀；c）中墩基础受力较为复杂；d）梁体曲线段的钢束张拉引起径向力作用。

5.桥梁结构计算分析

5.1 全桥静力分析

主梁梁体受力的空间效应明显，采用Midas软件进行分析，并用桥梁博士软件进行校核验算。对拱梁交接及墩梁交接处等关键受力部位采用有限元实体模型进行分析。以施工步骤来划分结构离散图，模拟施工过程及运营状态下结构受力情况。运营阶段荷载包括恒载、列车活载、预应力、基础沉降、整体升降温、温度梯度等，按规范进行最不利荷载组合。主要计算结论如下：

主梁按全预应力构件设计，运营阶段直线桥主梁截面正应力验算未出现拉应力，抗裂验算满足要求。但对于曲线梁，由于曲梁效应在拱梁交接处按杆系单元模拟，在梁截面上缘曲线外侧出现约3.1Mpa拉应力，针对该处为杆系单元模型的边界过渡点，属于典型的应力D区，进一步采用实体有限元分析，得出结论该处未出现明显拉应力，应力状态良好。其余指标如剪应力、主拉/主压应力、强度安全系数等均满足规范要求。

主桥变形刚度方面，主跨活载作用下最大竖向位移71.6mm，δ/L=1/2095<1/1000。在列车摇摆力、离心力和风力作用下，主跨横向变形17.8mm，ω/L=1/8427<1/4000。梁端竖向转角最大1.44‰rad，水平折角0.437‰rad，均满足规范要求。

5.2 桥梁抗震设计

本桥抗震计算通过常遇地震作用下的多振型反应谱分析和罕遇地震作用下的弹塑性时程分析，参考《铁路工程抗震设计规范》GB50111-2006（2009年版）对本桥进行了三阶段的抗震设防验算。主要结论有：

（1）多遇及设计地震：利用多振型反应谱分析方法进行了多遇及设计地震作用下的结构响应分析，通过计算分析，在纵、横桥向的地震作用下各构件强度满足《铁路桥涵地基和基础设计规范》TB10002.5-2005、《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》TB10002.3-2005的要求，结构的抗震性能满足规范要求。

（2）罕遇地震：考虑墩柱的非线性特性，进行了罕遇地震作用下区间桥梁的非性时程动力分析，桥墩仍处于弹性阶段，满足设计要求。

综上，本节点桥可实现小震不坏，中震可修，大震不倒的三水准设防目标。

5.3 车桥动力响应分析

建立列车—桥梁空间振动分析模型，对于全桥采用梁、板单元建模，桩基础采用空间梁元建模，采用m法考虑桩土共同作用。分析模型确定后，就可由动力学势能驻值原理及形成矩阵的“对号入座”法则，建立桥梁刚度、质量、阻尼等矩阵。对主桥进行了动力特性及列车走行性分析与计算。当单线或双线B型车分别以65～85km/h（桥梁设计速度）通过该桥时，列车乘坐舒适性性均能够达到“良好”标准以上；以95～105km/h（检算速度）通过该桥时，列车乘坐舒适性性也能够达到“良好”标准以上。在所有计算工况下，桥梁的动力响应均在容许值以内，列车竖、横向振动加速度满足限值要求，列车行车安全性满足要求

6.结语

（80+150+80）m连续刚构拱桥，具有良好的跨越能力，能很好地适应地铁线路斜跨城市道路。桥梁结构新颖，线条简洁明朗，作为城市桥梁具有良好的景观效果，全桥采用无支座刚构体系，结构设计合理，具有良好的静、动力性能。该桥型适合在城市轨道交通中推行。

参考文獻

[1] 宗昕；彭元诚；吴游宇；陈志钢，北盘江特大桥结构设计[J]；公路；2010年08期

[2] 郭健；刘世忠；孙炳楠，大跨度预应力斜腿刚构桥的结点应力分析[J]；中国公路学报；2002年01期

[3] 范立础，桥梁工程（上、下册），人民出版社，2001

作者简介：成志勇，男，工程师，湖南衡阳人，2011年毕业于石家庄铁道大学工程力学专业。