铁路大跨劲性骨架钢筋混凝土拱桥设计研究.docx

1、铁路大跨劲性骨架钢筋混凝土拱桥设计研究2016年度全国工程建设优秀QC小组成果材料铁路大跨劲性骨架钢筋混凝土拱桥设计研究铁路大跨劲性骨架钢筋混凝土拱桥设计QC小组中铁第一勘察设计院集团有限公司二O一六年三月 西安目 录一、小组概况 1二、工程概况 1三、选题理由 3四、设定目标 3五、提出各种方案并确定最佳方案 5六、制定对策 15七、实施对策 16八、确认效果 22九、标准化 23十、今后打算 23一、小组概况铁路大跨劲性骨架钢筋混凝土拱桥设计QC小组成立于2014年10月，共有成员7名，其中组员5名，技术顾问2名，小组成员平均年龄36岁。全组成员均接受TQC教育达48小时以上，满足教学大纲

2、要求，成员表如下：表1 QC小组成员表序号姓 名性别年龄文化程度职 称组内职务1易成男35工学硕士高 工组 长2孙智峰男29工学硕士工程师副组长3黄小安男28工学硕士工程师组 员4倪燕平女43工学硕士教 高组 员5庄严男30工学硕士工程师组 员6欧阳辉来男40大学本科高级工程师组 员7雷晓峰男43大学本科教 高技术指导8陈应陶男49大学本科教 高技术顾问小组成立后，开展有记录的活动共组织了8次，累计时长超过24小时，其中还组织了调研、研讨及讲座活动，本课题为创新型。小组成员组成和知识结构合理，成员大多是生产一线的中坚力量，具有丰富设计经验，思维活跃，是一支具有创新能力、勇于承担挑战的队伍。本课

3、题完成于2014年11月课题，该成果用于设计，其设计文件通过了专家审查，于2015年1月取得成果。二、工程概况祁家渡黄河大桥为180m铁路上承式劲性骨架混凝土拱桥，该桥主桥位于直线上，平坡，为级单线铁路，设计行车速度120km/h。工点位于黄河峡谷区，桥址处地形狭窄，黄河沟谷呈典型的“V”字型，两岸的坡面陡立，基岩裸露，陡立的岸坡顶部为黄土缓陵地貌，坡面顺直，多成狭长的黄土梁地貌及坡顶浑圆的黄土茆地貌形态，局部发育有黄土冲沟，冲沟宽浅、坡面陡立。桥位位于刘家峡水电站大坝上游约4.6 km处，其上游约1km处为祁家黄河渡口，距兰州市75公里。水库东起刘家峡大坝，西至炳灵寺峡口，呈西南-东北走向，

4、南接东乡、临夏县，北连永靖县，湖岸线长55公里，水面最宽处6公里，水域面积达130多平方公里，蓄水量约57亿多立方米，正常水位1735米，海拔2100米。刘家峡下游的兰州市，天然百年一遇洪峰8080m3/s，城市防洪安全泄量6500m3/s。通过龙羊峡施工围堰和刘家峡水库对洪水的调蓄，兰州最大洪峰流量控制到5600m3/s。图1 工程地理位置图设计中需考虑景观、排洪、通航的要求，经多方案比选，最终推荐在该处采用主跨为180m劲性骨架钢筋混凝土拱。拱肋高度37.5m，矢跨比为1/4.8。拱中心轴线采用悬链线方程，拱轴系数m=2.8。全桥孔跨布置为2-24简支箱梁+1-180劲性骨架钢筋混凝土拱+

5、2-24m简支箱梁。拱顶框架两端各采用5x14.5m的桥面纵梁，桥面纵梁采用等高度钢筋混凝土连续梁。劲性骨架钢筋混凝土拱是沿拱圈轴线用钢管建成钢桁拱，以钢桁拱作为承力结构，在其上悬挂模板，分环、分段、分层对称、均衡的浇筑拱圈混凝土，最后合龙成拱。骨架采用钢管混凝土结构，自重较小，有利于实现大节段的制作安装，快速拼接成拱后即可作为所有后续拱箱施工的平台，实现了无支架施工大跨径混凝土拱圈。拱圈混凝土浇筑采用分环分段的程序，先浇筑的混凝土达到一定强度后参与骨架联合承力，可以降低骨架的钢材用量与造价。劲性骨架不仅作为施工支架，被混凝土包裹后在拱圈承受后续恒、活载时作为配筋的一部分参与受力，实现了钢材的

6、充分利用。跨径较大时，劲性骨架的弦杆采用钢管混凝土结构，使骨架的刚度和承载力都得到了较大提高。兰合线祁家渡黄河大桥1孔180m劲性骨架钢筋混凝土拱结构，是目前国内单线铁路跨度最大的劲性骨架钢筋混凝土拱结构，设计难度大，该种结构的尺寸拟定、结构构造设计、结构受力分析、钢筋配置等方面具有创新设计性。三、选题理由1、劲性骨架钢筋混凝土拱结构，是目前国内单线铁路跨度最大的劲性骨架钢筋混凝土拱结构，我院尚属首次设计，缺乏设计经验。2、劲性骨架钢筋混凝土拱结构的矢跨比、拱轴系数、立柱纵向间距是拱桥的重要参数，对结构的受力有较大影响。需要对矢跨比、拱轴系数、立柱纵向间距进行专项研究。3、拱圈的结构设计与其施

7、工方法密切相关，施工过程及运营阶段结构的应力应变受施工工艺的影响，而施工技术发展与创新，又推动着拱桥跨径的不断增大，所以，拱桥设计的合理性、可靠性、安全性、经济指标和施工工期在相当程度上受拱圈施工方法的影响，需要对劲性骨架钢筋混凝土拱结构的施工方法进行专项研究。四、设定目标（一）设定目标1、以兰合线劲性骨架钢筋混凝土拱为工程载体，针对劲性骨架钢筋混凝土拱结构的受力特征，确定其合理的结构尺寸，充分体现劲性骨架钢筋混凝土拱结构经济、安全、环保、景观效果好的优点。2、掌握劲性骨架钢筋混凝土拱结构受力特征及详细的结构分析计算方法，并完成结构设计。该劲性骨架钢筋混凝土拱结构应能满足时速160km/h单线

8、“中-活载”列车正常运营，相关技术指标应满足现行铁路桥梁设计规范要求。表2 规范容许值竖向静活载作用下拱桥1/4跨度挠度(mm)L/800梁体水平挠度(mm)L/4000静活载作用下梁端转角3 （二）目标可行性分析1、1993年，我院首次在三峡工程对外交通专用公路上完成了黄柏河特大桥施工图设计，该桥主桥采用1-160m钢管混凝土拱桥；1994年，在三峡工程对外交通专用公路上完成了下牢溪特大桥施工图设计，该桥主桥采用1-160m钢管混凝土拱桥；2009年在兰渝线完成了渭河沟大桥施工图设计，该桥主桥采用1-115m劲性骨架钢筋混凝土拱桥。结合以上工程成功经验，对开展劲性骨架钢筋混凝土拱结构设计研究

9、有着良好的技术基础。2、小组成员有丰富的工程设计经验和较强的分析问题、解决问题的能力。3、我院有多名铁路桥梁设计专家，有强大的顾问团队。4、在上述前提条件下，小组成员通过认真研究，对已建成的运行线路及收集资料分析论证，并通过对结构建模分析，本课题组有能力完成好劲性骨架钢筋混凝土拱结构设计，实现课题目标。五、提出各种方案并确定最佳方案（一）桥型方案比选图2 桥型方案比选图影响跨径的主要因素有地形、地物、地质、河流、桥面设计高程、设计洪水位及最高通航水位等。在山岭区跨越深谷或河流时，主桥采用单跨上承式拱的情况较多，也是较为有利的桥型方案之一。特殊地形情况下，甚至只有主跨而无边跨，此时，上承式拱优势

10、明显。因为不论是连续刚构、矮塔斜拉桥和PC主梁斜拉桥，对于正常边中跨比例的三跨布置，其主桥长度往往大于单跨上承式拱，而显得不够合理。在满足地形、地物、地质、河流、桥面设计高程、设计洪水位及最高通航水位等的前提下，QC小组分别拟定劲性骨架钢筋混凝土拱方案和连续刚构桥方案，然后分别进行分析，找出最佳方案。图3 劲性骨架钢筋混凝土拱方案 图4 连续刚构桥方案表3 劲性骨架钢筋混凝土拱方案和连续刚构方案比选汇总表 序号项目劲性骨架钢筋混凝土拱方案连续刚构桥方案1主桥结构形式主拱圈为钢管混凝土劲性骨架外包混凝土，拱上立柱为现浇钢筋混凝土构件上部为预应力混凝土箱梁，下部为双薄壁墩，高桩承台基础2从材料性能

11、进行比选骨架采用钢管混凝土结构，自重小，快速拼接后作为所有后续拱箱施工平台，劲性骨架作为配筋的一部分参与受力，实现了钢材的充分利用采用预应力混凝土结构，抗裂性好，刚度大；主跨跨度较大，桥墩较高，桥墩及基础数量较大3从施工场地进行比选劲性骨架拱需现场拼装，桥址处拼装场地较小由于桥址处坡面较陡，施工桩基础需设置施工便桥及钻孔桩施工平台4从施工技术和施工风险进行比选劲性骨架拱采用缆索吊施工，然后在劲性骨架上立模，浇筑混凝土，高空作业多，存在一定风险主墩墩高较高且两岸岸坡倾斜，基础条件差，施工难度较大。5景观比较结构轻盈，视觉通透、造型美观主桥水边设墩且枯水期承台和桩基础外露，对景观有影响比选结果是否

12、经多方面论证、比较后，劲性骨架钢筋混凝土拱方案一跨跨越水库，对水库环境影响较小，结构轻盈，视觉通透、造型美观，与当地环境融为一体。故推荐采用1-180m劲性骨架钢筋混凝土拱方案。（二）劲性骨架钢筋混凝土拱桥结构构造方案比选图5 劲性骨架钢筋混凝土拱桥结构构造比选图1、矢跨比比选图6 矢跨比比选图拱圈的矢跨比是拱桥立面布置的重要参数，对拱圈及拱座基础受力、拱上立柱高度、拱圈施工、岸坡开挖工程量和主桥景观均有较大影响。较大的矢跨比，拱圈水平推力较小，对基础及墩台设计有利，同时，拱圈的弹性压缩、混凝土收缩徐变效应也较小，对拱圈受力较有利。缺点是因拱轴线较长，对拱圈稳定不利；地震时弯矩、水平力大；拱脚

13、段很陡时，施工困难；拱上立柱较高，工程量较大。另外，矢跨比合理与否，还需要考虑轨面高程的要求，景观要求也是矢跨比要考虑的重要因素。在满足结构受力的前提下，QC小组分别拟定矢跨比1/4.8和1/4方案，然后分别进行优化分析，找出最佳矢跨比方案。表4 劲性骨架钢筋混凝土拱结构矢跨比比选汇总表 方 案矢跨比1/4.8矢跨比1/4拱脚水平推力（kN）4778344359拱上立柱高度（m）26.532.0拱座位置位于黄河岸侧位于黄河水中景观效果好较好比选结果是否从表4的分析结果可以看出，矢跨比1/4.8的景观效果好，立柱较低，拱座位于黄河岸侧，利于施工，故将矢跨比1/4.8方案作为推荐方案。2、拱轴系数

14、比选图7 拱轴系数比选图悬链线拱轴方程的主要参数是拱轴系数m，拱轴系数增大，拱脚恒载弯矩偏心减小，拱顶恒载弯矩偏心增大，过度增大拱轴系数会使拱顶下缘受拉出现裂缝。在满足结构受力的前提下，QC小组分别拟定拱轴系数m=2.8和3.5方案，然后分别进行优化分析，找出最佳拱轴系数方案。表5 劲性骨架钢筋混凝土拱结构拱轴系数比选汇总表 m拱脚截面（恒载）1/4处（恒载）拱顶截面（恒载）M(KN.m)N(KN)M/NM(KN.m)N(KN)M/NM(KN.m)N(KN)M/Nm=2.8-42184-553700.76-1734-427260.0411628-383920.3m=3.5-26112-5552

15、80.47-6568-430640.1515666-387540.4从表5的分析结果可以看出，拱轴系数越大拱脚处M/N越小，而拱顶处M/N越大。拱脚为实体截面，且尺寸也比较大，拱脚的M/N可以大一点，鉴于此尽量满足拱顶截面M/N小一点。且铁路桥涵设计基本规范(TB10002.1-2005)第5.2.2节要求“当采用悬链线为拱轴线时，宜采用较小的拱轴系数m值”。故将拱轴系数m=2.8方案作为推荐方案。3、拱上立柱间距比选图8 拱上立柱间距比选图拱上立柱的布置是上承式拱桥总体设计的一项重要内容，立柱间距小，拱圈受力较为均匀，桥面梁跨度相应小。在满足结构受力的前提下，QC小组分别拟定拱上立柱间距14

16、.5m和18.0m方案，然后分别进行优化分析，找出最佳拱上立柱间距方案。图9 立柱间距14.5m方案图10 立柱间距18.0m方案表6 立柱间距比选汇总表 方 案立柱间距14.5m立柱间距18m拱脚弯矩（kN.m）10722111254桥面梁跨中弯矩（m）1371718549景观效果好较好比选结果是否从表6的分析结果可以看出，立柱间距14.5m方案对拱脚及桥面梁跨中弯矩均有利，同时从景观考虑，立柱间距14.5m方案优于立柱间距18.0m方案，故将立柱间距14.5m方案作为推荐方案。（三）劲性骨架钢筋混凝土拱桥结构施工方案比选图11 劲性骨架钢筋混凝土拱结构施工方案比选图劲性骨架钢筋混凝土拱结构

17、应用于兰合线祁家渡黄河大桥，该处跨越黄河，施工中需要考虑施工方案可行性、合理性、安全性以及对航运的影响。QC小组在总体施工方案设计中主要考虑了转体施工法、悬臂施工法、劲性骨架施工法三种施工方案，然后分别进行优化分析，找出最佳施工方案。1、转体施工方案将拱圈分为两个半跨，分别在两岸利用地形做简单支架预制拱箱，利用结构本身及临时结构组成扣锚体系，张拉扣索使拱箱脱架。拱箱、平衡重、转盘上盖及扣索组成转体体系，借助预先设置的摩擦系数很小的环形滑道，用卷扬机或千斤顶牵引，将两岸的半跨拱箱平面转体至设计的桥轴线位置，然后进行拱顶合龙。图12 转体施工方案2、悬臂施工方案在两岸合适位置设立天线主塔，主塔上安

18、装的主缆跨度须大于拱圈跨径，并方便吊运和安装全部拱箱节段。主塔高度应能确保拱顶节段的安装。拱箱节段就位后，须用扣索承力及定位，故需设置扣索索塔。较矮的扣索可以利用两岸墩台作扣点，高出墩台的扣索，应另外布置索塔。扣塔与主塔可以分别布置，也可以主、扣塔合一。主塔因受力较大，承受前后两侧水平力不平衡差值，塔顶允许一定量的水平位移故塔脚设计为铰接。扣索用以调整拱箱节段的准确位置并最后定位，扣塔的水平位移须严格控制，扣塔脚设计为固结。在索塔与扣塔系统形成后，拼装预制节段混凝土，直到拱顶合龙。图13 悬臂施工方案3、劲性骨架施工方案沿拱圈轴线用型钢或钢管建成钢桁拱，以钢桁拱作为承力结构，在其上悬挂模板，分

19、环、分段、分层对称、均衡地浇筑拱圈混凝土，最后合龙成拱。跨径较小时，可以采用型钢做劲性骨架。当跨径较大时，则采用钢管混凝土做劲性骨架。因此，在空钢管配合型钢形成劲性骨架钢桁拱之后，应先在钢管内灌注混凝土，使之成为钢管混凝土劲性骨架拱，然后再浇筑拱圈混凝土。钢管内压注混凝土后，浇筑拱圈混凝土是这一工法最关键的施工阶段，随着混凝土的逐步施工加载，劲性骨架拱的内力与变形不断变化，当先期完成的混凝土拱环达到一定强度，实际上能参与劲性骨架拱联合承力，而这种钢-混凝土组合结构的内力也在不断变化。图14 劲性骨架施工方案表7 钢桁-槽型梁组合结构施工方案比选表 方案项目劲性骨架施工方案悬臂施工方案转体施工方

20、案优点实用无支架施工大跨径混凝土拱圈，实现了钢材的充分利用。悬拼预制节段，施工进度快。改善了施工环境与施工条件，施工进度快。缺点施工工艺复杂，存在一定得安全风险。悬拼预制节段过程中，存在一定安全风险，施工时影响桥下通航。上下转盘的加工制作等工艺较繁琐，转体过程存在一定安全风险。比选结果是否否由于祁家渡黄河大桥桥位处地势陡峭，转体施工方案难以实施；同时悬臂施工方案不能满足施工过程中通航要求，因此最终选用劲性骨架施工方案作为推荐方案。综上所述，铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构设计方案的确定流程如下图：图15 最佳设计方案确定过程汇总图设计方案确定后，铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构设计流程图主要分四个步骤

21、，流程图如下：图16 结构设计流程图六、制定对策表8 对策表 步骤对 策目 标措 施执行人完成时间及地点1拟定劲性骨架钢筋混凝土拱结构细部构造尺寸满足限界、构造、受力要求，施工方便，结构经济。1、确定拱肋高度及宽度、立柱纵横向尺寸、梁部结构高度及顶底板厚度。2、对拟定的结构进行初步结构分析。易成孙智峰黄小安倪燕平庄严雷晓峰陈应陶2014年10月（西安）2确定劲性骨架钢筋混凝土拱结构设计参数主要确定钢及混凝土计算参数、钢构件计算长度和桥面板冲击系数。1、 参照国内外相关桥梁设计规范；2、 参考国内外类似结构的设计参数；3、 通过有限元分析；4、咨询桥梁专家。易成孙智峰黄小安倪燕平庄严雷晓峰陈应陶

22、2014年10月（西安）3对设计方案进行有限元分析结构强度、应力及变形满足规范要求。采用平面杆系模型（Bsas for windows）和空间有限元模型（Midas Civil、FEA、ABAQUS）进行了结构分析，并相互校核。易成孙智峰黄小安倪燕平庄严雷晓峰陈应陶2014年11月（西安）4确定劲性骨架钢筋混凝土拱结构的技术要求提出劲性骨架钢筋混凝土拱结构的总体分析方法、施工方案和质量控制措施。1、根据劲性骨架钢筋混凝土拱结构设计研究报告总结分析方法。2、参照现行桥梁施工技术指南。3、征询业主、施工、咨询等参建单位意见。易成孙智峰黄小安倪燕平庄严雷晓峰陈应陶2014年11月（西安）七、实施对策

23、实施一：拟定铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构细部构造尺寸。通过收集国内外类似结构的技术资料，并了解相关工程建设信息，对收集到的资料小组成员共同学习，消化吸收并进行创新设计，并在专家指导下拟定铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构轮廓尺寸如下：图17 铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构基顶平面图图18 铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构立面图确认效果：通过拱肋高度及宽度、立柱纵横向尺寸、梁部结构高度及顶底板厚度的比选，最终得到拱肋截面宽2.5m，拱顶截面高3.5m，拱脚截面高6.0m、立柱纵向宽1.6m，横向宽2m、梁部采用单箱单室截面，箱梁高1.8m，顶板宽9.1m，底板宽4.9m，跨中腹板厚40cm，顶板厚27cm，

24、底板厚30cm。实施二：确定相关设计参数。劲性骨架钢筋混凝土拱结构是国内较少使用的一种新型结构，钢及混凝土计算参数、钢构件计算长度和桥面板冲击系数等相关设计参数国内现行桥梁设计规范并未明确，需要设计者自行研究把握。为此，小组成员大量查阅了国外结构设计规范。钢构件计算长度按有限元屈曲稳定分析结果取值。桥面板冲击系数以仿真分析结果与按荷载影响线计算结果相比较，取最不利值控制设计。确认效果：通过借鉴国外规范和有限元分析，确定钢及混凝土计算参数、钢构件计算长度（0.8*Lo）和桥面板冲击系数（1.32）。实施三：对结构进行有限元分析在对劲性骨架钢筋混凝土拱结构设计、施工、使用情况有了一定了解并确定其轮

25、廓尺寸后，分别采用平面杆系模型（Bsas for windows）和空间有限元模型（Midas Civil、FEA、ABAQUS）进行了分析，平面杆系模型主要用于结构的整体受力分析及混凝土收缩徐变的分析。空间有限元模型主要用于截面应力分布规律的研究，根据空间有限元模型的计算结果对平面杆系模型及结构的总体应力储备进行调整。采用MIDAS CIVIL建立空间有限元模型进行加载计算。计算模型如下：图19 铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构有限元模型图20 中-活载作用下劲性骨架钢筋混凝土拱结构结构变形图 分别取运营阶段拱肋跨中、1/4截面及拱脚位置进行对比分析及截面检算，提取模型中各结构关键点处的内力值进

26、行检算。劲性骨架钢筋混凝土拱结构受力呈明显的空间受力特征，设计中分别采用平面杆系模型（Bsas for windows）和空间有限元模型（Midas Civil、FEA、ABAQUS）进行了分析，通过多种结构分析软件计算，主要计算结果如下：（一）结构变形、变位1、按铁路桥涵设计基本规范5.2.5条，拱桥的1/4跨度处，由列车竖向静活载所产生的上下挠度(绝对值)之和(0.014（上）+0.016（下）)/115=0.2/8001/800，满足规范要求。2、按铁路桥涵设计基本规范5.1.2条，拱上连续梁结构由于列车竖向静活载所引起的竖向挠度0.069cmL/800=1.813cm,满足规范要求。3

27、、按铁路桥涵设计基本规范5.1.2条，引桥简支梁结构由于列车竖向静活载所引起的竖向挠度0.32cmL/800=3.0cm,满足规范要求。4、拱上连续梁结构由于列车竖向静活载所引起的梁端转角0.00054rad0.003rad，满足规范要求。5、拱上简支梁结构由于列车竖向静活载所引起的梁端转角0.00043rad0.003rad，满足规范要求。6、在列车活载、横向摇摆力、离心力、风力和温度力的作用下连续梁梁体的水平挠度0.00133cmL/4000=0.363cm (L=14.5m)，满足规范要求。7、在列车活载、横向摇摆力、离心力、风力和温度力的作用下拱肋的水平挠度0.914cmL/4000=

28、4.5cm (L=180m)，满足规范要求。（二）地震特性分析采用MIDAS软件对空间结构进行动力特性分析，得出结构前五阶自振周期及振型特性如下表所示。表9 周期及振型特性振型周期(sec)振型特性N0.11.516对称横向挠曲振动N0.21.239反对称纵向挠曲振动N0.31.120279对称纵向挠曲振动N0.41.120254反对称纵向挠曲振动N0.50.918对称竖向挠曲振动图21 第一阶振形：对称横向挠曲振动图22 第二阶振形：反对称纵向挠曲振动（三）截面检算表10 拱肋截面检算表截面位置纵向控制组合钢筋根数钢筋应力（Mpa）混凝土应力（Mpa）裂缝备注拱脚主+附3032127.713

29、0.07大偏心受压空实交界处 主+附3032149.515.10.016大偏心受压1号立柱处 主+附3032125.212.70.002 大偏心受压2号立柱处 主+附3032132.513.40.000 小偏心受压3号立柱处主力3032116.711.70.000 小偏心受压1/4处 主力1532128.7130.000 小偏心受压4号立柱处主力1532118.211.90.000 小偏心受压5号立柱处主+附1532168.517.20.016大偏心受压拱顶 主力153215015.40.012 大偏心受压计算结果整理后，多次向院内外专家进行咨询，确保计算成果正确。我院陈应陶多次参与小组活动，并给与了精心指导，参与主要技术标准的制定，组织小组成员进行技术培训，通过QC小组活动，小组成员的设计能力有了显著提高，也为圆满完成设计任务奠定了基础。确认效果：从平面杆系、空间梁-板单元模型、三维实体单元模型等有限元分析结果可得知，均满足规范要求。实施四：确定劲性骨架钢筋混凝土拱结构的技术要求根据劲性骨架钢筋混凝