铁路大跨劲性骨架钢筋混凝土拱桥设计研究（详细）

1、铁路大铁路大 跨劲性骨架钢筋混凝土拱桥设计研究跨劲性骨架钢筋混凝土拱桥设计研究 铁路大铁路大 跨劲性骨架钢筋混凝土拱桥设计跨劲性骨架钢筋混凝土拱桥设计 QCQC 小小 组组 中铁第一勘察设计院集团有限公司中铁第一勘察设计院集团有限公司 二二 O O 一六年三月一六年三月 西安西安 2016 年度 全国工程建设 优秀 QC 小 组成果材料 目目 录录 一、小一、小 组概况组概况.1 二、工程概况二、工程概况.1 三、选题理由三、选题理由.3 四、设定目标四、设定目标.3 五、提出各种方案五、提出各种方案 并确定最佳方案并确定最佳方案 .5 六、制定对策六、制定对策.15 七、实施对策七、实施对策

2、.16 八、确认效果八、确认效果.22 九、标准化九、标准化.23 十、今后打算十、今后打算.23 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 1 一、小一、小 组概况组概况 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 纲要求,成员表如下： 表表 1 1 QCQC 小小 组成员表组成员表 序号序号姓姓 名名性别性别年龄年龄文化程度文化程度 职职 称称组内职务组内职务 1易成男35工学硕士高 工 组 长

3、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. 本课题完成于 2014 年 11 月课题,该

4、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、工程概况二、工程概况 祁家渡黄河大 桥为 180 米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 120 千米/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 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 2 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 千米处,其上游约 1 千米

5、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,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 8080 米 3/s,城市防洪安全泄量 6500 米3/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 5600 米 3/s. 图图 1 1 工程地理位置图工程地理位置图 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

6、跨为 180 米劲性骨架钢筋混凝土拱.拱肋高度 37.5 米,矢跨比 为 1/4.8.拱中心轴线采用悬链线方程,拱轴系数米=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+2-24 米简支箱梁.拱顶框架 两端各采用 5x14.5 米的 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、 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 3 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

7、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 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 180 米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

8、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

9、 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. 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 4 四、设定目标四、设定目标 ( (一一) )设定目标设定目标 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160 千米/h 单线“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

10、规范要求. 表表 2 2 规范容许值规范容许值 竖向静活载作用下拱桥 1/4 跨度 挠度 (米米) L/800 梁体水平挠度 (米米) L/4000 静活载作用下梁端转角 3 ( (二二) )目标可行性分析目标可行性分析 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 1-160 米钢管混凝土拱桥;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 1-160 米钢管混凝土拱桥;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 1-115 米劲性骨架钢筋混凝土拱桥.结合以上工程成

11、 功经验,对开展劲性骨架钢筋混凝土拱结构设计研究有着良好的 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 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 5 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、五、提出各种方案提出各种方案 并确定最佳方案并确定最佳方案 ( (一一) )桥型方案桥型方案 比选比选 图图 2 2 桥型方案桥型方案 比选图比选图 影响

12、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 . 2016 年度全国工程建设

13、优秀 QC 小组成果材料 6 图图 3 3 劲性骨架钢筋混凝土拱方案劲性骨架钢筋混凝土拱方案 图图 4 4 连续刚构桥方案连续刚构桥方案 表表 3 3 劲性骨架钢筋混凝土拱方案劲性骨架钢筋混凝土拱方案 和连续刚构方案和连续刚构方案 比选汇总表比选汇总表 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

14、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 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 7 和桩基础外露,对景观有影响 比选结果是否 经多方面论证、

15、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 1-180 米劲性骨架钢筋混凝土拱方案 . ( (二二) )劲性骨架钢筋混凝土拱桥结构构造方案劲性骨架钢筋混凝土拱桥结构构造方案 比选比选 图图 5 5 劲性骨架钢筋混凝土拱桥结构构造比选图劲性骨架钢筋混凝土拱桥结构构造比选图 1、矢跨比比选 图图 6 6 矢跨比比选图矢跨比比选图 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

16、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 ;拱脚段很陡时,施 工困难;拱上立柱较高,工程量较大 . 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 8 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 . 表表 4 4 劲性骨架钢筋混凝土拱结构矢跨比比选汇总表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

17、/4.8矢跨比 1/4 拱脚水平推力(kN) 4778344359 拱上立柱高度 (米) 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、拱轴系数比选 图图 7 7 拱轴系数比选图拱轴系数比选图 悬链线拱轴方程的 主要参数是拱轴系数米,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 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 9 大 ,过度 增大 拱轴系数会使拱顶下缘受拉出现裂缝.

18、 在满足结构受力的 前提下,QC 小 组分别拟定拱轴系数米=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 . 表表 5 5 劲性骨架钢筋混凝土拱结构拱轴系数比选汇总表劲性骨架钢筋混凝土拱结构拱轴系数比选汇总表 拱脚截面(恒载)1/4 处(恒载)拱顶截面(恒载) 米 米(KN. 米) N(KN) 米/N 米(KN. 米) N(KN) 米/N 米(KN. 米) N(KN) 米/N 米 =2.8 -42184-553700.76-1734-427260.0411628-383920.3 米 =3.5 -26112-555280.47-6568-430640.1515666-

19、387540.4 从表 5 的 分析结果可以看出,拱轴系数越大 拱脚处米/N 越小 ,而拱 顶处米/N 越大 .拱脚为实体截面,且尺寸也比较大 ,拱脚的 米/N 可以大 一点,鉴于此尽量满足拱顶截面米/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 拱轴系数米值”.故将拱轴系数米=2.8 方案 作为推荐方案 . 3、拱上立柱间距比选 图图 8 8 拱上立柱间距比选图拱上立柱间距比选图 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 10 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

20、 ,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 14.5 米 和 18.0 米方案 ,然后分别进行优化分析,找出最佳拱上立柱间距方案 . 图图 9 9 立柱间距立柱间距 14.514.5 米方案米方案 图图 1010 立柱间距立柱间距 18.018.0 米方案米方案 表表 6 6 立柱间距比选汇总表立柱间距比选汇总表 方 案立柱间距 14.5 米 立柱间距 18 米 拱脚弯矩(kN.米) 10722111254 桥面梁跨中弯矩(米) 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 14.5

21、米方案 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 14.5 米方案 优于立柱间距 18.0 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 11 米方案 ,故将立柱间距 14.5 米方案 作为推荐方案 . ( (三三) )劲性骨架钢筋混凝土拱桥结构施工方案劲性骨架钢筋混凝土拱桥结构施工方案 比选比选 图图 1111 劲性骨架钢筋混凝土拱结构施工方案劲性骨架钢筋混凝土拱结构施工方案 比选图比选图 劲性骨架钢筋混凝土拱结构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

22、 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. 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 12 图图 1212 转体施工方案转体施工方案 2、悬臂施工方案 在两岸合适位置设立天线主塔,主塔上安装的 主缆跨度 须大 于拱

23、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. 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 13 图图 1313 悬臂施工方案悬臂施工方案

24、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

25、力也在不断变化. 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 14 图图 1414 劲性骨架施工方案劲性骨架施工方案 表表 7 7 钢桁钢桁- -槽型梁组合结构施工方案槽型梁组合结构施工方案 比选表比选表 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

26、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： 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 15 图图 1515 最佳设计方案最佳设计方案 确定过程汇总确定过程汇总图图 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 16 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,流程图如下： 图图 1616 结构设计流程图结构设计流程图 六、制定对策六、制定对策 表表 8 8

27、 对策表对策表 步步 骤骤 对对 策策目目 标标措措 施施执行人执行人 完成时间完成时间 及地点及地点 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) 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 17 步步 骤骤 对对 策策目目 标标措措 施施执行人执行人 完成时间完成时间 及地点及地点 2 确定劲性 骨架钢筋 混凝土拱 结

28、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 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(米 idas 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 1

29、1 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、实施对策七、实施对策 实施一：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

30、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： 图图 1717 铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构基顶平面图铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构基顶平面图 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 18 图图 1818 铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构立面图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 2.5 米,拱顶截面高 3.5 米, 拱脚截面高 6.0 米、立柱纵向宽 1.6 米,横向宽 2 米、梁部采用单箱单室 截面,箱梁高 1.8 米,顶板宽 9.1 米,底板宽 4.9 米,跨中腹

31、板厚 40 厘米,顶 板厚 27 厘米,底板厚 30 厘米. 实施二实施二：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). 实施三实施三：

32、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 解并确定其轮廓尺寸后,分别采用平面杆系模型(Bsas for windows)和空 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 19 间有限元模型(米 idas 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.采用米 IDAS CIVIL 建 立空间有限元模型进行加载计算.计算模型如下： 图图 1919 铁路劲

33、性骨架钢筋混凝土拱结构有限元模型铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构有限元模型 图图 2020 中中- -活载作用下劲性骨架钢筋混凝土拱结构结构变形图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 内力值进行检算. 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 20 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(米 idas Civil、 、FEA、ABAQUS)进行了 分析,通过多种结构分析软件计算,主要计 算

34、结果如下： ( (一一) )结构变形、变位结构变形、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 0.069 厘米L/800=1.813 厘米,满足规范 要求. 3、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 0.32 厘米L/800=3.0 厘米,满足规范要求. 4、拱上连续梁结构由

35、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 0.00133 厘米L/4000=0.363 厘米 (L=14.5 米),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 0.914 厘米L/4000=4.5 厘米 (L=180 米),满足规范要求. ( (二二) )地震特性分析地震特性分析 采用米 IDAS 软

36、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. 表表 9 9 周期及振型特性周期及振型特性 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 21 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 图图 2121 第一阶振形：对称横向挠曲振动第一阶振形：对称横向挠曲振动 图图 2222 第二阶振形：反对称纵向挠曲振动第二阶振形：反对称纵向挠曲振动 ( (三三) )截面检算截面检算

37、表表 1010 拱肋截面检算表拱肋截面检算表 纵向 截面位置 控制组合钢筋根数 钢筋应力 (米 pa) 混凝土应 力(米 pa) 裂缝备注 拱脚主+附 3032127.7130.07 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 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 22 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

38、 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. 实施四实施四

39、：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土拱结构设计研究报告总结分析方法如下： 平面杆系有限元分析,可以比较方便的 进行混凝土收缩徐变的 模拟, 主要定位于结构的 总体受力分析,得出对应设计规范的 各项强度 和应力 以及抗裂等设计指标,同时进行总体竖向刚度 的 评价. 空间梁板单元有限元分析,考虑拱肋和桥板面的 影响,主要是控制 拱顶框架的 强度 和应力,对结构的 横向刚度 进行评价,同时分析离心力、 风力等横向荷载对纵向受力的 影响,并对全桥进行整体稳定分析. 三维实体单元有限元分析主要控制结构的 局部应力设计、刚度 设计,如 空间主应力的 处理、梗胁角隅处应力的 处

40、理以及结构的 竖向、横向变 形,同时为结构横向计算提供理论依据. 在查阅铁路桥涵施工技术指南、铁路施工规范以及征询施工单位、业 主、咨询单位等各方和专家意见的 基础上,本 QC 小 组成员认真讨论,集 思广益,提出劲性骨架钢筋混凝土拱结构施工方案 和验收的 技术要求,为 兰合线劲性骨架钢筋混凝土拱结构 2016 年度全国工程建设优秀 QC 小组成果材料 23 的 实施提供了 指导意见,达到了 本实施阶段的 目标确定铁路劲性 骨架钢筋混凝土拱结构技术要求. 确认效果：通过铁路劲性骨架钢筋混凝土拱结构设计研究,确定了 其 技术要求(设计方法、设计参数、施工方案 和验收技术要求),有效地指导 了 设

41、计和施工. 八、确认效果八、确认效果 ( (一一) )检查目标检查目标 1、确定的 劲性骨架钢筋混凝土拱结构构造尺寸及结构分析成果,经 院技术主管领导审查通过,在兰合线铁路工程施工图设计专家评审时,认为 确定的 劲性骨架钢筋混凝土拱结构构造尺寸经济、合理、美观,分析成果 可信、可靠. 2、确定的 劲性骨架钢筋混凝土拱结构构造尺寸及结构分析成果满足 时速160 千米/h 单线“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. 表表 1111 规范要求与计算结果对比表规范要求与计算结果对比表 项目规范容许值计算结果是否满足要求 L/800 竖向静活载作用下拱桥 1/4 跨度 挠 度 (米) 0.225 0.2 满足 L/4000 梁体水平挠度 (米) 0.045 0.00914 满足 静