随着现代路桥工程的快速发展, 大跨度简支拱桥结构日益增多。简支拱桥属于压弯结构, 具有抗压承载力高、柔韧性较好、动力稳定性好、施工简便、工期较短等优点^[1]。

大跨度简支拱桥的拱肋截面往往是空间变截面形状的钢管混凝土组合体系^[2], 混凝土拱桥结构比较笨重, 这些因素均导致简支拱桥支架体系施工复杂^[3]。为保证大跨度简支拱桥的正常使用寿命, 桥梁研究者针对拱桥的设计、施工及材料等方面进行一系列探究。本文结合实际工程, 提出144m跨简支拱桥的设计方案, 并运用Midas-civil有限元软件^[4], 建立简支拱桥计算模型, 经验算证明144m简支拱桥支架体系设计的合理性。

潍坊至莱西高速铁路 (简称潍莱高铁) 东接青荣城际铁路和荣莱高铁, 西连济青高铁, 是Ⅲ型板式双线无砟轨道, 设计时速350km/h, 是山东省内“三横”快速铁路网的“中部通道”。

跨海青铁路特大桥承建起止里程DK57+132.6—DK59+989.08, 桥长2 856.48m。该桥于DK58+128.49处跨荣潍高速公路, 线路与高速公路斜交, 交角为149.42°, 跨越形式采用钢管混凝土简支拱结构。

跨海青铁路特大桥简支拱, 桥梁全长144m, 该拱桥为潍莱铁路全线最大跨径, 为全线控制性工程之一。跨荣潍高速144m简支拱的BIM建模效果如图1所示。

简支拱桥中上部结构采用简支拱, 下部基础均采用钻孔桩基础, 矩形承台。简支拱采用先梁后拱法施工, 计算跨度144m, 拱肋矢跨比为1∶5, 拱肋立面投影矢高28.52m, 拱肋采用二次抛物线线形, 钢结构材质采用Q345qE钢材。

拱肋在横桥向内倾8°呈提篮式, 采用尼尔森吊杆体系。拱顶处两拱肋中心距为8.884m, 拱肋截面采用空间变截面哑铃形钢管混凝土组合体系, 截面高度4m, 钢管直径1.3m, 壁厚20mm, 两钢管之间采用厚20mm的腹板连接, 拱管内灌注C55补偿收缩混凝土。拱肋之间设置1道一字撑和6道K撑, 一字撑采用外径1.5m的圆形钢管, 斜撑采用外径0.9m的圆形钢管, 横撑钢管内均不填充混凝土。

系梁梁端为实心矩形截面, 宽19.3m, 高3.0m, 两端实心段各长8.5m;普通段为单箱三室截面, 宽18.5m, 高3.0m, 长131m;箱梁顶板厚35cm, 梁端局部加厚至85cm;底板厚35cm, 梁端局部加厚至85cm;横向四腹板, 厚35cm, 梁端局部加厚至135cm;吊点处设横梁, 横梁厚40～60cm。

全桥共32对吊杆, 组成尼尔森体系。在吊杆平面内, 吊杆水平夹角在50.8°～73.1°, 横桥向水平夹角为82°;吊杆间距8m, 两交叉吊杆之间横向中心距为341mm, 吊杆均采用127根直径为0.7cm的高强低松弛镀锌平行钢丝束, 索体采用PES (FD) 低应力防腐索体;吊杆张拉端设置于拱肋端, 吊杆内设置磁通量传感器以便对施工过程及后期吊杆应力进行长期监测。

144m简支拱桥系梁施工采用梁柱式支架施工方案, 钢管立柱在高度上不同, 其中跨高速公路段支架高度最高为8m, 高速公路外侧支架高度最高为12.5m。简支拱支架基础采用条形基础, 根据设计与施工要求, 全桥范围内共布置14排钢管立柱, 其中1, 14号立柱位于327, 328号承台基础上;在承台施工时预埋700mm×700mm×16mm钢板, 其余钢管立柱基础位于换填级配碎石+C30钢筋混凝土的条形基础上。钢管立柱均采用φ529mm×10mm的螺旋焊管, 钢管顶端用20mm厚的钢板焊接封口, 底部与预埋的定位钢板焊接牢固。钢管柱顶端安装砂筒, 便于施工完毕后支架拆除。

主横梁采用双拼I56a, 紧贴立柱中心线布置;横梁之上设置纵梁, 纵梁采用贝雷梁, 桥位处跨荣潍高速公路范围内垂直布置116组贝雷片, 在高速公路外侧顺桥向布设贝雷片, 同跨越高速公路处的贝雷片采用异型贝雷片过渡;为增大贝雷梁部横向刚度, 使贝雷梁均匀受力, 纵梁之上设置I12分配梁, 间距0.6m, 长20m。分配梁之上设置10cm×10cm方木。支架材料除贝雷片采用16Mn钢材外, 其余材料均为Q235钢材。

横向立柱之间要设置剪刀撑及横撑, 采用∟75×75焊接安装, 剪刀撑高3m, 宽距按照立柱间距执行, 竖向两支撑间步距2m。

荷载是支架设计方案的决定性因素, 本文支架系统验算主要考虑以下荷载^[5]。

1) 系梁混凝土湿重形成的竖向压力及侧向压力, 其容重取26kN/m³, 本文计算支架还应考虑拱肋钢管、拱肋内灌注混凝土以及拱肋支架的荷载作用。

2) 支架自重, 按照实际尺寸建立支架模型, 定义相应的材料特性, 由软件自动计算。

3) 模板荷载取2.5kN/m², 木方荷载取0.5kN/m²。

4) 施工人员及施工设备荷载取1.5kN/m², 本文计算支架考虑了起重机荷载。

5) 振捣混凝土时产生的荷载取2.0kN/m²。

6) 浇筑混凝土时产生的荷载取2.0kN/m²。

在进行强度、内力验算时, 采用基本组合, 支架结构自重、系梁混凝土荷载、拱肋、拱肋内灌注混凝土、拱肋支架以及模板等恒荷载的分项系数取1.2, 施工活荷载的分项系数取1.4;在进行刚度验算时, 采用标准组合, 分项系数均取1.0;在进行稳定性分析时, 根据TB 10110—2011《铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程》的规定^[6], 施工活荷载分项系数取0.9×1.4。

本桥系梁在梁两端拱脚位置处为实心段, 在其余部分梁横截面为单箱三室截面, 沿桥纵向每隔8m布设1个横隔板。在支座中心线处梁高3m, 箱梁段梁高沿横向变化, 两侧高度为2.5m, 中间高度为3m。模型中采用在分配梁上施加线荷载的方式来施加混凝土湿重荷载。将系梁在顺桥向划分节段, 将每个节段的混凝土湿重施加到对应的分配梁上, 分配梁沿顺桥向的间距为0.6m。根据设计图, 提取梁体各个截面的净面积进行计算。

本桥为尼尔森系杆提篮拱桥^[7], 因此除系梁重量外, 还要考虑系梁上拱肋钢管、拱肋内灌注混凝土以及拱肋支架的重量对下部支架的影响。拱肋分节段吊装, 下部搭设支架, 支架支撑于系梁之上, 每段拱肋的重量均已知, 由此计算出拱肋总重量;拱肋截面为哑铃形截面, 根据每段拱肋的长度, 计算出拱肋内灌注混凝土的重量;支架为钢管格构立柱支架, 考虑支架内每个构件的长度, 根据钢材容重7.85t/m³计算出支架重量。上述拱肋、拱肋内混凝土以及支架重量均通过支架下部支撑点向梁体传递。

本桥在拱肋施工时需要起重机吊装, 因此应考虑起重机荷载。本桥施工起重机为80t汽车式起重机, 其重量为68t, 4排16轮。

采用有限元软件Midas-civil建立本桥支架的计算模型^[8], 钢管立柱、横梁、纵梁和分配梁均采用梁单元模拟。模型中用弹性连接和刚性连接模拟各构件之间的真实连接关系, 钢管立柱底部进行固结处理, 通过在分配梁上施加线荷载模拟恒荷载与施工活荷载。简支拱桥计算模型分为12跨, 12跨支架关于桥跨中心线对称。因篇幅所限, 本文仅叙述第1跨应力及挠度验算。第1跨支架模型共划分为8 834个单元, 7 348个节点。第1跨支架有限元模型如图2所示, 荷载分布如图3所示。

考虑混凝土系梁的湿重以及拱肋、拱肋内灌注混凝土、拱肋支架的重量, 将这几个重量统称为系梁重量。在标准组合作用 (1.0×系梁重量+1.0×支架和模板结构自重) 下, 各主要构件的最大竖向位移或挠度如表1所示, 表中钢管立柱的压缩值为最大竖向位移值, 横梁、纵梁 (贝雷梁) 、分配梁的挠度值均为最大位移值减去相应支点位移值。

参考TB 10110—2011《铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程》, 可知支架受弯构件的弹性挠度, 为相应结构计算跨度的1/400, 各个构件的挠跨比均小于1/400, 符合规范要求。

考虑混凝土系梁湿重及拱肋、拱肋内灌注混凝土、拱肋支架重量, 在基本组合作用 (1.2×支架结构恒荷载+1.4×支架结构施工荷载) 下, 第1跨支架系统各部位弯曲组合应力和剪切应力验算汇总如表2, 3所示 (组合应力是指轴力产生的应力加上弯矩产生的应力) 。

各主要构件材质除贝雷片 (支架纵梁) 采用16Mn钢材外, 其余均为Q235钢材。16Mn钢材拉、压及弯曲强度设计值为310MPa (板件厚度小于16mm) , 抗剪强度设计值为180MPa。Q235钢材拉、压及弯曲强度设计值为215MPa (板件厚度小于16mm) , 抗剪强度设计值为125MPa。验算结果如下。

1) 钢管立柱的最大弯曲组合应力为-112.97MPa (压) , 最大竖向剪切应力为-3.19MPa, 满足强度要求。

2) 横梁的最大弯曲组合应力为124.64MPa (拉) , 最大竖向剪切应力为68.78MPa, 满足强度要求。

3) 纵梁 (贝雷梁) 的最大弯曲组合应力为-165.88MPa (压) , 最大竖向剪切应力为42.03MPa, 满足强度要求。

4) 分配梁的最大弯曲组合应力为-120.50MPa (压) , 最大竖向剪切应力为-46.16MPa, 满足强度要求。

1) 钢管立柱最大挠跨比为1/3 005, 小于规范规定的1/400;最大弯曲组合应力为-112.97MPa (压) , 小于Q235钢的 (拉压弯曲) 强度设计值215MPa;最大剪切应力为-3.19MPa, 小于抗剪强度设计值125MPa, 以上验算均满足规范要求。

2) 对于横梁, 最大挠跨比为1/2 759, 小于规范规定的1/400;最大弯曲组合应力为124.64MPa (拉) , 小于Q235钢的 (拉压弯曲) 强度设计值215MPa;最大剪切应力为68.78MPa, 小于抗剪强度设计值125MPa, 以上验算均满足规范要求。

3) 对于纵梁 (贝雷梁) , 最大挠跨比为1/2 679, 小于规范规定的1/400;最大弯曲组合应力为-165.88MPa (压) , 小于16Mn钢的 (拉压弯曲) 强度设计值310MPa;最大剪切应力为42.03MPa, 小于抗剪强度设计值180MPa, 以上验算均满足规范要求。

4) 对于分配梁, 最大挠跨比为1/1 810, 小于规范规定的1/400;最大弯曲组合应力为-120.50MPa (压) , 小于Q235钢的 (拉压弯曲) 强度设计值215MPa;最大剪切应力为-46.16MPa, 小于抗剪强度设计值125MPa, 以上验算均满足规范要求。

综上所述, 第1跨支架系统满足强度、刚度要求。其他跨度应力及挠度, 经过验算均满足设计要求。

本文结合144m大跨度简支拱桥的工程概况, 综合考虑拱肋截面是空间变截面形状的钢管混凝土组合体系、简支拱桥支架体系施工复杂困难、混凝土拱桥结构比较笨重等因素, 提出了大跨度简支拱桥及其支架的设计方案。并采用了Midas-civil有限元软件, 建立简支拱桥支架的计算模型, 通过支架应力及挠度验算, 确定了支架系统各部位变形、应力、应变满足规范设计强度、刚度的要求, 进一步确定大跨度简支拱桥支架设计的合理性, 可为类似工程设计提供参考。