一种新的公铁两用桥设计与建造可行性分析

庞木林, 谢肖礼, 覃石生

(广西大学 土木建筑工程学院, 南宁 530004)

0 引 言

近年来, 我国铁路和公路运输的快速发展, 对线路上桥梁的力学性能提出了越来越高的要求[1-2]。当城市人口集中区、铁路公路网稠密区需修建铁路桥和公路桥跨越障碍, 或桥梁基础工程复杂、墩台造价较高时, 为了优化城市空间布局、提高空间利用率、综合利用桥位、降低造价, 公铁两用桥[3]正越来越成为最优选择。但是目前我国大跨公铁两用桥的发展仍比较缓慢, 原因主要有: 首先, 公铁两用桥为重载桥梁[4], 其荷载密度大, 一般的桥梁结构承载能力无法满足要求[5-7]；其次, 大跨公铁两用桥材料用量多、施工难度大, 造价远高于一般桥梁[8]；再次, 公铁两用桥设计的控制因素主要是稳定性和刚度[9], 而该类桥需同时承受列车和汽车的冲击作用, 故对桥梁刚度和稳定性有着很高的要求[10-13], 随着列车速度的提高、桥梁跨径的增大, 桥梁的刚度和稳定性指标较难满足要求；最后, 随着对车桥耦合研究[14-15]的深入, 公铁两用桥的设计越来越关注动力方面的设计, 而大跨度桥梁的动力性能已越来越难满足列车高速、安全、舒适运行的需求。

长期以来, 我国的公铁两用桥均以一种桥型承担荷载, 如武汉长江大桥(梁桥)、宜宾金沙江公铁大桥(拱桥)、平潭海峡公铁两用大桥(斜拉桥)、五峰山长江大桥(悬索桥)等。梁桥和拱桥的刚度较大, 可满足公铁两用桥的需求, 但是这两种桥型的跨越能力较弱, 尤其是梁桥; 斜拉桥和悬索桥跨越能力强, 但是其柔性特征明显, 对公铁两用桥的适用亦有局限性。由此可见, 公铁两用桥仅用单一桥型修建优劣势十分明显, 如能将柔性桥与刚性桥进行组合, 则能充分发挥悬索桥承载力高、拱桥刚度大的优势, 促进公铁两用桥向前发展。在缆拱组合桥的研究方面, 谢肖礼及其研究团队[16-19]进行了基础研究, 认为缆拱组合桥是一种结构简单合理、力学性能优越的新型桥梁, 并对700和1 000 m级的缆拱桥进行了设计, 但是前期的研究均仅涉及公路桥, 由于公路桥和公铁两用桥对力学性能的需求有着很大区别, 因此, 有必要在前述研究的基础上开展重载公铁两用缆拱组合桥的设计及研究。

为满足公铁两用桥对重载与刚度的需求, 本文采用悬索桥与拱桥优势互补的理念, 提出一种承载能力高、刚度大、稳定性好的新公铁两用桥, 并以420 m主跨为例, 对新公铁两用桥进行设计和建造技术的可行性研究。

1 结构形式及力学原理

1.1 结构形式

缆拱组合桥的结构形式如图1所示, 其主要由主拱1、边拱2、主缆3、拱吊杆4、缆吊杆5、主塔6、主梁7及基础8组成。主缆锚固在边拱的拱脚区域, 主跨主拱一般内倾布置以跟主缆的空间位置错开, 横桥向共4个索面, 缆吊杆和立柱交错布置于主缆与主梁、拱肋与主梁之间。

图1 缆拱组合桥结构布置图Fig.1 Structure arrangement plan of cable-arch bridge

1.2 力学原理

缆拱组合桥以拱和缆共同承担桥面荷载, 缆既是承重构件, 又起到系杆作用; 边拱既平衡主拱水平推力, 又起到锚碇作用。这种桥型具有很高的承载能力及较好的稳定性, 且保留了拱结构刚度大的特点。在恒载及移动荷载作用下的受力分别为: 1)在恒载作用下, 边拱产生的水平推力、主缆水平张力、主拱产生的水平推力三者在数值上相等, 结构对基础不产生水平推力; 2)在移动荷载作用下, 结构将产生较小的水平推力, 其由基础平衡。

2 420 m主跨公铁两用桥设计

2.1 总体布置

420 m主跨公铁两用桥的总体布置如图2所示。

图2 420 m主跨公铁两用桥总体布置图Fig.2 Layout of highway-railway bridge with a main span of 420 m

主桥为两跨连续布置, 跨径组合为150+420+420+150=1 140 m, 上层桥面宽43 m, 设8车道, 下层桥面宽30 m, 设4线高速铁路。主缆垂度42 m(垂跨比1/12); 主拱采用钢管混凝土结构, 矢高70 m(矢跨比1/6)、拱轴系数m=1.4; 边拱采用混凝土结构, 矢高30 m(矢跨比1/5)、拱轴系数m=3.5; 主塔采用混凝土结构, 塔高93 m。

2.2 拱肋

主拱肋为钢管混凝土提篮式, 其截面为四管矩形(图3), 沿顺桥向变高等宽布置, 宽6.1 m, 拱脚高16 m, 拱顶高8 m, 拱脚处横向中心距为58 m, 拱顶处为26 m。钢管采用Q345钢材, 混凝土强度等级为C60。吊杆固定端的平联及上下弦杆内填混凝土, 其余构件均为空钢管。上弦杆管径为1.9 m, 壁厚36 mm, 含钢率8.04%; 下弦杆管径为1.9 m, 壁厚36～40 mm, 含钢率8.04%～9%。此外, 每隔28 m设置一道桁式K字型风撑, 并在拱肋与桥面系相交处设置横向约束, 以增加结构的稳定性。

图3 主拱肋截面Fig.3 Section of main arch ribs

边拱既独自承担桥面荷载, 又需充当锚碇, 为增加自重, 采用单箱多室混凝土板拱, 混凝土强度等级为C50, 箱高6 m, 全宽30.5 m, 顶板和底板厚0.6 m, 腹板厚0.5 m, 其截面如图4所示。

图4 边拱截面Fig.4 Section of side arch rib

2.3 主缆

主缆采用PPWS法进行架设, 钢丝索股抗拉强度为1 770 MPa, 直径为5 mm, 单股丝数取91; 每根主缆总股数为151束。主缆安装完成后, 需彻底清洗钢丝表面, 再手工涂抹防锈腻子, 然后用缠丝机在主缆外围缠绕退火镀锌细钢丝, 最后涂漆(图5)。

图5 单股(a)与主缆(b)断面图Fig.5 Sections of single strand(a) and main cable(b)

2.4 主塔

采用钢筋混凝土框架式主塔(图6),塔高93 m,横桥向为直立双柱式, 塔顶和桥面下设强大的横系梁以确保主塔的横向稳定性, 为减轻自重, 塔柱采用带圆倒角的箱型截面, 尺寸为10 m(横桥向)×18 m(顺桥向), 壁厚为1.2 m, 主塔所用的混凝土强度等级为C50。

图6 主塔结构尺寸Fig.6 Structural dimensions of main tower

2.5 锚碇

本桥巧妙利用边拱产生的推力平衡主缆张力, 因此锚碇主要满足抗拔需求即可, 故其尺寸较普通悬索桥小得多。本桥设重力式锚碇, 锚碇由边拱拱座与桥台合二为一构成, 前锚板尺寸为4.8 m×4.76 m, 后锚板尺寸为6.68 m×7.02 m, 为缩短锚碇顺桥向的长度, 将主缆中心线顺时针旋转15°后再进入锚室, 主缆的锚固示意图如图7所示。

图7 锚固示意图Fig.7 Layout drawing of the anchorage

2.6 主梁

采用板桁结合钢桁梁, 其截面形式如图8所示。两片主桁间距为30 m, 桁高16 m, 节间长度14 m。主梁横断面采用带副桁的直主桁形式, 主桁上弦杆高约2.1 m, 宽为1.55 m; 下弦杆高约1.65 m, 宽为1.55 m; 副桁斜撑采用工字型截面。铁路桥面系采用纵横梁体系的正交异性桥面板结构, 钢顶板厚16.5 mm, 其纵向加劲肋采用板肋, 钢桥面板上铺设550 mm厚的混凝土铁路道床。公路桥面系亦采用正交异性钢桥面板结构, 钢顶板厚16.5 mm, 下设U型加劲肋, 钢桥面板上铺设75 mm厚的沥青混凝土桥面层。

图8 主梁截面图Fig.8 Section of the main beam

3 420 m主跨公铁两用桥施工

采用缆索吊装施工, 利用斜拉扣挂合龙松索技术安装主拱肋和边拱肋, 主塔既可充当施工临时结构, 又作为成桥后承重构件, 因此可大大减小施工措施费。施工的主要步骤有: 施工下部结构, 预制主拱拱肋、边拱拱肋、主梁; 施工主塔, 安装临时塔架; 安装扣索, 悬拼边拱拱肋; 施工边拱拱上立柱; 吊装边跨主梁; 架设缆索吊装系统; 吊装主拱拱肋; 安装主拱吊杆, 施工主拱拱上立柱; 拆除扣索, 安装塔顶鞍座、猫道, 架设主缆并安装主缆吊杆; 吊装主跨主梁; 施工附属设施并拆除临时塔架。具体施工流程见图9。

图9 施工流程图Fig.9 Process of construction

4 420 m主跨公铁两用桥运营及养护

本桥采用缆拱组合的方式承担荷载, 整个结构的安全性得到提高。横桥向本桥共布置了4个索面, 因此单根吊杆的载荷较小, 吊杆的疲劳幅值亦有所降低, 故吊杆的使用寿命较一般的拱桥、斜拉桥和悬索桥长。当主拱或主缆吊杆需要更换时, 可由另一套吊杆系统支承桥面, 作业时安全性高, 且对交通影响极小。可见, 本桥型后期所需的运营养护工作量较小, 故其经济性良好。

5 有限元计算分析

利用有限元软件Midas Civil对所设计的双主跨重载公铁两用桥进行建模计算, 分析结构的静、动力特性。有限元模型如图10所示, 全桥共6 800个单元。

图10 有限元模型Fig.10 Finite element model

5.1 主要计算参数

5.1.1 材料参数 据第2节所述的设计说明建立三维模型, 全桥主要构件的截面和单元类型及其材料参数见表1。

表1 主要构件参数Table 1 Parameters of components

5.1.2 计算荷载 永久作用为一期恒载与二期恒载; 公路荷载等级为公路Ⅰ级, 按跨中挠度最大工况布置; 铁路荷载为ZK活载, 按跨中挠度最大工况布置; 汽车制动荷载取汽车荷载总重力的10%, 布置于行车道上; 在考虑火车荷载动力效应的情况下, 取火车荷载总重力的7%为火车制动力布置于铁道上; 初始温度15 ℃, 整体升温最终温度46 ℃, 整体降温最终温度-3 ℃; 支座不均匀沉降按规范容许最大高差L/3 000=140 mm设置, 其中L为跨径。各荷载组合见表2。

表2 荷载组合Table 2 Combinations of loadings

5.1.3 边界条件 边界条件设置为: 边拱拱脚、主拱拱脚、索塔塔底均为固结, 主梁端部及其与主塔横梁交接处设弹性约束。

5.2 计算结果分析

5.2.1 荷载分配及不平衡水平推力 为明确拱和缆的荷载分配关系, 了解移动荷载作用下产生的不平衡水平推力, 计算结构在荷载组合一及荷载组合二作用下的受力, 具体结果见表3。研究结果表明: 通过调整参数可使结构在恒载作用下对基础不产生水平推力, 此时主缆承担72.77%的桥面荷载; 而在恒载及移动荷载共同作用下, 结构产生的不平衡水平推力为56 478 kN, 此时主缆承担58.51%的桥面荷载。可见, 新公铁两用桥实际上是一种部分有推力体系, 但是推力较小, 可由基础直接平衡。

表3 组合一及组合二计算结果Table 3 Results of Case 1 & 2

5.2.2 结构静力特性 为了解新公铁两用桥的静力特性, 计算在各荷载组合作用下结构的受力, 具体结果见表4。研究结果表明: 1)在移动荷载作用下, 拱肋承担96%的荷载, 即绝大部分移动荷载由拱肋承担。2)移动荷载作用下主拱应力的增幅不大。在荷载组合一作用下, 主拱最大应力为23.0 MPa; 在荷载组合二作用下, 主拱最大应力为26.9 MPa, 较荷载组合一作用时增加16.95%。3)降温对主拱应力的影响大于升温。在荷载组合三作用下, 主拱最大应力为21.1 MPa, 与荷载组合一相比减小8.26%; 在荷载组合四作用下, 主拱最大应力为29.2 MPa, 与荷载组合一相比增加26.96%。4)支座不均匀沉降对主拱应力影响较大。在荷载组合五作用下, 拱肋最大应力为29.5 MPa, 与荷载组合一相比增加28.26%。5)主拱得到卸载后, 结构的安全富余度大幅提高。按荷载组合六进行结构承载能力极限状态验算时, 主拱最大应力仅为39.8 MPa, 远低于规范的限值。

表4 结构应力计算结果Table 4 Calculation results of structure stressMPa

计算新公铁两用桥在荷载组合一和组合二作用下的结构位移, 具体结果见表5。研究结果表明: 由于拱结构的存在, 主跨为420 m的新公铁两用桥具有很大的刚度。移动荷载作用下, 塔顶水平位移为12 mm, 拱顶竖向位移为32 mm, 主梁最大挠度仅为133 mm, 远小于规范的限值。可见, 本桥可满足公铁两用桥对刚度大的需求, 在实际应用中有较大优势。

表5 结构位移计算结果Table 5 Calculation results of structure displacementmm

稳定性是桥梁设计的一个重要指标, 对本桥进行线弹性稳定性分析, 计算结果见表6。研究结果表明: 本桥第一阶失稳模态为面外失稳, 结构的稳定系数为5.1, 满足规范要求。可见, 由于拱肋只需承担部分桥面荷载, 且侧向刚度较大的钢桁架主梁对拱肋起了一定的约束作用, 主跨为420 m的新公铁两用桥具有良好的稳定性。

表6 屈曲分析结果Table 6 Results of buckling analysis

5.2.3 结构自振频率 对结构的动力特性进行分析, 计算结果见表7。研究结果表明: 本桥基频为0.162 Hz, 对应的振型为面内反对称。可见, 与传统拱桥相比, 新公铁两用桥引入悬索结构后, 整桥偏于柔性, 因而结构耗能效果良好, 对抗震有利。

表7 动力特性分析结果Table 7 Results of dynamic characteristics analysis

6 结 论

本文在缆拱组合桥的研究基础上提出了一种新的公铁两用桥, 并以420 m主跨为例, 对其进行设计和建造技术的可行性研究, 得出以下结论:

(1)结构承载力很高。新公铁两用桥以缆和拱共同承担桥面荷载, 主缆的存在使拱肋大幅度卸载。在恒载作用下, 主缆承担了72.77%的桥面荷载; 在恒载及移动荷载共同作用下, 主缆承担了58.51%的桥面荷载。在承载能力极限荷载组合作用下, 主拱的最大应力仅为39.8 MPa, 具有较高的安全储备。

(2)结构刚度较大。在移动荷载作用下, 拱顶竖向位移为32 mm, 主梁最大挠度仅为133 mm, 可见, 由于拱结构的存在, 新公铁两用桥具有很大的刚度。

(3)结构稳定性好。新公铁两用桥中主缆的存在极大地减轻了拱肋的负担, 同时侧向刚度较大的钢桁架主梁对拱肋起了一定的约束作用, 从而使拱肋的稳定性大幅提高, 其稳定系数为5.1, 满足规范要求。

(4)结构动力性能良好。引入悬索结构后, 结构偏于柔性, 其基频为0.162 Hz, 说明新公铁两用桥耗能效果良好, 有利于抗震。

(5)结构拱脚处推力小, 对地质条件具有较好的适应性, 经济性良好。在恒载作用下, 通过调整矢跨比、垂跨比、拱轴系数等参数, 可利用边拱同时平衡主拱水平推力和主缆张力, 此时结构对基础不产生推力; 在移动荷载作用下, 结构的不平衡水平推力很小, 对基础要求不高。

综上所述, 新公铁两用桥具有承载力高、刚度大、动力性能和稳定性好的特点, 且对不良地质条件有着很强的适应性, 作为一种刚柔组合的桥型, 其良好的力学性能特别适用于重载公铁两用桥, 可尽早进行工程实践和推广。