[QC]鐵路大跨勁性骨架鋼筋混凝土拱橋設(shè)計

1、2016年度全國工程建設(shè)優(yōu)秀QC小組成果材料PAGE PAGE 12016年度全國工程建設(shè)優(yōu)秀QC小組成果材料鐵路大跨勁性骨架鋼筋混凝土拱橋設(shè)計研究鐵路大跨勁性骨架鋼筋混凝土拱橋設(shè)計QC小組中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司二O一六年三月 西安2016年度全國工程建設(shè)優(yōu)秀QC小組成果材料PAGE PAGE 7目 錄 TOC o 1-1 u 一、小組概況 PAGEREF _Toc393657576 h 1二、工程概況 PAGEREF _Toc393657577 h 1三、選題理由 PAGEREF _Toc393657578 h 3四、設(shè)定目標(biāo) PAGEREF _Toc393657579 h 3五、提

2、出各種方案并確定最佳方案5六、制定對策15七、實(shí)施對策16八、確認(rèn)效果22九、標(biāo)準(zhǔn)化23十、今后打算23PAGE 26一、小組概況鐵路大跨勁性骨架鋼筋混凝土拱橋設(shè)計QC小組成立于2014年10月，共有成員7名，其中組員5名，技術(shù)顧問2名，小組成員平均年齡36歲。全組成員均接受TQC教育達(dá)48小時以上，滿足教學(xué)大綱要求，成員表如下：表1 QC小組成員表序號姓 名性別年齡文化程度職 稱組內(nèi)職務(wù)1易成男35工學(xué)碩士高 工組 長2孫智峰男29工學(xué)碩士工程師副組長3黃小安男28工學(xué)碩士工程師組 員4倪燕平女43工學(xué)碩士教 高組 員5莊嚴(yán)男30工學(xué)碩士工程師組 員6歐陽輝來男40大學(xué)本科高級工程師組 員7

3、雷曉峰男43大學(xué)本科教 高技術(shù)指導(dǎo)8陳應(yīng)陶男49大學(xué)本科教 高技術(shù)顧問小組成立后，開展有記錄的活動共組織了8次，累計時長超過24小時，其中還組織了調(diào)研、研討及講座活動，本課題為創(chuàng)新型。小組成員組成和知識結(jié)構(gòu)合理，成員大多是生產(chǎn)一線的中堅力量，具有豐富設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，思維活躍，是一支具有創(chuàng)新能力、勇于承擔(dān)挑戰(zhàn)的隊(duì)伍。本課題完成于2014年11月課題，該成果用于設(shè)計，其設(shè)計文件通過了專家審查，于2015年1月取得成果。二、工程概況祁家渡黃河大橋?yàn)?80m鐵路上承式勁性骨架混凝土拱橋，該橋主橋位于直線上，平坡，為級單線鐵路，設(shè)計行車速度120km/h。工點(diǎn)位于黃河峽谷區(qū)，橋址處地形狹窄，黃河溝谷呈典型的“

4、V”字型，兩岸的坡面陡立，基巖裸露，陡立的岸坡頂部為黃土緩陵地貌，坡面順直，多成狹長的黃土梁地貌及坡頂渾圓的黃土茆地貌形態(tài)，局部發(fā)育有黃土沖溝，沖溝寬淺、坡面陡立。橋位位于劉家峽水電站大壩上游約4.6 km處，其上游約1km處為祁家黃河渡口，距蘭州市75公里。水庫東起劉家峽大壩，西至炳靈寺峽口，呈西南-東北走向，南接?xùn)|鄉(xiāng)、臨夏縣，北連永靖縣，湖岸線長55公里，水面最寬處6公里，水域面積達(dá)130多平方公里，蓄水量約57億多立方米，正常水位1735米，海拔2100米。劉家峽下游的蘭州市，天然百年一遇洪峰8080m3/s，城市防洪安全泄量6500m3/s。通過龍羊峽施工圍堰和劉家峽水庫對洪水的調(diào)蓄，

5、蘭州最大洪峰流量控制到5600m3/s。圖1 工程地理位置圖設(shè)計中需考慮景觀、排洪、通航的要求，經(jīng)多方案比選，最終推薦在該處采用主跨為180m勁性骨架鋼筋混凝土拱。拱肋高度37.5m，矢跨比為1/4.8。拱中心軸線采用懸鏈線方程，拱軸系數(shù)m=2.8。全橋孔跨布置為2-24簡支箱梁+1-180勁性骨架鋼筋混凝土拱+2-24m簡支箱梁。拱頂框架兩端各采用5x14.5m的橋面縱梁，橋面縱梁采用等高度鋼筋混凝土連續(xù)梁。勁性骨架鋼筋混凝土拱是沿拱圈軸線用鋼管建成鋼桁拱，以鋼桁拱作為承力結(jié)構(gòu)，在其上懸掛模板，分環(huán)、分段、分層對稱、均衡的澆筑拱圈混凝土，最后合龍成拱。骨架采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，自重較小，有利于

6、實(shí)現(xiàn)大節(jié)段的制作安裝，快速拼接成拱后即可作為所有后續(xù)拱箱施工的平臺，實(shí)現(xiàn)了無支架施工大跨徑混凝土拱圈。拱圈混凝土澆筑采用分環(huán)分段的程序，先澆筑的混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后參與骨架聯(lián)合承力，可以降低骨架的鋼材用量與造價。勁性骨架不僅作為施工支架，被混凝土包裹后在拱圈承受后續(xù)恒、活載時作為配筋的一部分參與受力，實(shí)現(xiàn)了鋼材的充分利用?？鐝捷^大時，勁性骨架的弦桿采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，使骨架的剛度和承載力都得到了較大提高。蘭合線祁家渡黃河大橋1孔180m勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)，是目前國內(nèi)單線鐵路跨度最大的勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)，設(shè)計難度大，該種結(jié)構(gòu)的尺寸擬定、結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計、結(jié)構(gòu)受力分析、鋼筋配置等方面具有創(chuàng)

7、新設(shè)計性。三、選題理由1、勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)，是目前國內(nèi)單線鐵路跨度最大的勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)，我院尚屬首次設(shè)計，缺乏設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。2、勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)的矢跨比、拱軸系數(shù)、立柱縱向間距是拱橋的重要參數(shù)，對結(jié)構(gòu)的受力有較大影響。需要對矢跨比、拱軸系數(shù)、立柱縱向間距進(jìn)行專項(xiàng)研究。3、拱圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計與其施工方法密切相關(guān)，施工過程及運(yùn)營階段結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變受施工工藝的影響，而施工技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新，又推動著拱橋跨徑的不斷增大，所以，拱橋設(shè)計的合理性、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和施工工期在相當(dāng)程度上受拱圈施工方法的影響，需要對勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)的施工方法進(jìn)行專項(xiàng)研究。四、設(shè)定目標(biāo)（一）設(shè)定目

8、標(biāo)1、以蘭合線勁性骨架鋼筋混凝土拱為工程載體，針對勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)的受力特征，確定其合理的結(jié)構(gòu)尺寸，充分體現(xiàn)勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保、景觀效果好的優(yōu)點(diǎn)。2、掌握勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)受力特征及詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析計算方法，并完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。該勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足時速160km/h單線“中-活載”列車正常運(yùn)營，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足現(xiàn)行鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范要求。表2 規(guī)范容許值豎向靜活載作用下拱橋1/4跨度撓度(mm)L/800梁體水平撓度(mm)L/4000靜活載作用下梁端轉(zhuǎn)角3 （二）目標(biāo)可行性分析1、1993年，我院首次在三峽工程對外交通專用公路上完成了黃柏河特大橋施

9、工圖設(shè)計，該橋主橋采用1-160m鋼管混凝土拱橋；1994年，在三峽工程對外交通專用公路上完成了下牢溪特大橋施工圖設(shè)計，該橋主橋采用1-160m鋼管混凝土拱橋；2009年在蘭渝線完成了渭河溝大橋施工圖設(shè)計，該橋主橋采用1-115m勁性骨架鋼筋混凝土拱橋。結(jié)合以上工程成功經(jīng)驗(yàn)，對開展勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)設(shè)計研究有著良好的技術(shù)基礎(chǔ)。2、小組成員有豐富的工程設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的分析問題、解決問題的能力。3、我院有多名鐵路橋梁設(shè)計專家，有強(qiáng)大的顧問團(tuán)隊(duì)。4、在上述前提條件下，小組成員通過認(rèn)真研究，對已建成的運(yùn)行線路及收集資料分析論證，并通過對結(jié)構(gòu)建模分析，本課題組有能力完成好勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)設(shè)

10、計，實(shí)現(xiàn)課題目標(biāo)。五、提出各種方案并確定最佳方案（一）橋型方案比選圖2 橋型方案比選圖影響跨徑的主要因素有地形、地物、地質(zhì)、河流、橋面設(shè)計高程、設(shè)計洪水位及最高通航水位等。在山嶺區(qū)跨越深谷或河流時，主橋采用單跨上承式拱的情況較多，也是較為有利的橋型方案之一。特殊地形情況下，甚至只有主跨而無邊跨，此時，上承式拱優(yōu)勢明顯。因?yàn)椴徽撌沁B續(xù)剛構(gòu)、矮塔斜拉橋和PC主梁斜拉橋，對于正常邊中跨比例的三跨布置，其主橋長度往往大于單跨上承式拱，而顯得不夠合理。在滿足地形、地物、地質(zhì)、河流、橋面設(shè)計高程、設(shè)計洪水位及最高通航水位等的前提下，QC小組分別擬定勁性骨架鋼筋混凝土拱方案和連續(xù)剛構(gòu)橋方案，然后分別進(jìn)行分析

11、，找出最佳方案。圖3 勁性骨架鋼筋混凝土拱方案 圖4 連續(xù)剛構(gòu)橋方案表3 勁性骨架鋼筋混凝土拱方案和連續(xù)剛構(gòu)方案比選匯總表 序號項(xiàng)目勁性骨架鋼筋混凝土拱方案連續(xù)剛構(gòu)橋方案1主橋結(jié)構(gòu)形式主拱圈為鋼管混凝土勁性骨架外包混凝土，拱上立柱為現(xiàn)澆鋼筋混凝土構(gòu)件上部為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，下部為雙薄壁墩，高樁承臺基礎(chǔ)2從材料性能進(jìn)行比選骨架采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，自重小，快速拼接后作為所有后續(xù)拱箱施工平臺，勁性骨架作為配筋的一部分參與受力，實(shí)現(xiàn)了鋼材的充分利用采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，抗裂性好，剛度大；主跨跨度較大，橋墩較高，橋墩及基礎(chǔ)數(shù)量較大3從施工場地進(jìn)行比選勁性骨架拱需現(xiàn)場拼裝，橋址處拼裝場地較小由于橋址處坡面

12、較陡，施工樁基礎(chǔ)需設(shè)置施工便橋及鉆孔樁施工平臺4從施工技術(shù)和施工風(fēng)險進(jìn)行比選勁性骨架拱采用纜索吊施工，然后在勁性骨架上立模，澆筑混凝土，高空作業(yè)多，存在一定風(fēng)險主墩墩高較高且兩岸岸坡傾斜，基礎(chǔ)條件差，施工難度較大。5景觀比較結(jié)構(gòu)輕盈，視覺通透、造型美觀主橋水邊設(shè)墩且枯水期承臺和樁基礎(chǔ)外露，對景觀有影響比選結(jié)果是否經(jīng)多方面論證、比較后，勁性骨架鋼筋混凝土拱方案一跨跨越水庫，對水庫環(huán)境影響較小，結(jié)構(gòu)輕盈，視覺通透、造型美觀，與當(dāng)?shù)丨h(huán)境融為一體。故推薦采用1-180m勁性骨架鋼筋混凝土拱方案。（二）勁性骨架鋼筋混凝土拱橋結(jié)構(gòu)構(gòu)造方案比選圖5 勁性骨架鋼筋混凝土拱橋結(jié)構(gòu)構(gòu)造比選圖1、矢跨比比選圖6 矢

13、跨比比選圖拱圈的矢跨比是拱橋立面布置的重要參數(shù)，對拱圈及拱座基礎(chǔ)受力、拱上立柱高度、拱圈施工、岸坡開挖工程量和主橋景觀均有較大影響。較大的矢跨比，拱圈水平推力較小，對基礎(chǔ)及墩臺設(shè)計有利，同時，拱圈的彈性壓縮、混凝土收縮徐變效應(yīng)也較小，對拱圈受力較有利。缺點(diǎn)是因拱軸線較長，對拱圈穩(wěn)定不利；地震時彎矩、水平力大；拱腳段很陡時，施工困難；拱上立柱較高，工程量較大。另外，矢跨比合理與否，還需要考慮軌面高程的要求，景觀要求也是矢跨比要考慮的重要因素。在滿足結(jié)構(gòu)受力的前提下，QC小組分別擬定矢跨比1/4.8和1/4方案，然后分別進(jìn)行優(yōu)化分析，找出最佳矢跨比方案。表4 勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)矢跨比比選匯總

14、表 方 案矢跨比1/4.8矢跨比1/4拱腳水平推力（kN）4778344359拱上立柱高度（m）26.532.0拱座位置位于黃河岸側(cè)位于黃河水中景觀效果好較好比選結(jié)果是否從表4的分析結(jié)果可以看出，矢跨比1/4.8的景觀效果好，立柱較低，拱座位于黃河岸側(cè)，利于施工，故將矢跨比1/4.8方案作為推薦方案。2、拱軸系數(shù)比選圖7 拱軸系數(shù)比選圖懸鏈線拱軸方程的主要參數(shù)是拱軸系數(shù)m，拱軸系數(shù)增大，拱腳恒載彎矩偏心減小，拱頂恒載彎矩偏心增大，過度增大拱軸系數(shù)會使拱頂下緣受拉出現(xiàn)裂縫。在滿足結(jié)構(gòu)受力的前提下，QC小組分別擬定拱軸系數(shù)m=2.8和3.5方案，然后分別進(jìn)行優(yōu)化分析，找出最佳拱軸系數(shù)方案。表5 勁

15、性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)拱軸系數(shù)比選匯總表 m拱腳截面（恒載）1/4處（恒載）拱頂截面（恒載）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=3.5-26112-555280.47-6568-430640.1515666-387540.4從表5的分析結(jié)果可以看出，拱軸系數(shù)越大拱腳處M/N越小，而拱頂處M/N越大。拱腳為實(shí)體截面，且尺寸也比較大，拱腳的M/N可以大一點(diǎn)，鑒于此盡量滿足拱頂截面M/N小一點(diǎn)。且鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范(TB10002.1-200

16、5)第5.2.2節(jié)要求“當(dāng)采用懸鏈線為拱軸線時，宜采用較小的拱軸系數(shù)m值”。故將拱軸系數(shù)m=2.8方案作為推薦方案。3、拱上立柱間距比選圖8 拱上立柱間距比選圖拱上立柱的布置是上承式拱橋總體設(shè)計的一項(xiàng)重要內(nèi)容，立柱間距小，拱圈受力較為均勻，橋面梁跨度相應(yīng)小。在滿足結(jié)構(gòu)受力的前提下，QC小組分別擬定拱上立柱間距14.5m和18.0m方案，然后分別進(jìn)行優(yōu)化分析，找出最佳拱上立柱間距方案。圖9 立柱間距14.5m方案圖10 立柱間距18.0m方案表6 立柱間距比選匯總表 方 案立柱間距14.5m立柱間距18m拱腳彎矩（kN.m）10722111254橋面梁跨中彎矩（m）1371718549景觀效果好

17、較好比選結(jié)果是否從表6的分析結(jié)果可以看出，立柱間距14.5m方案對拱腳及橋面梁跨中彎矩均有利，同時從景觀考慮，立柱間距14.5m方案優(yōu)于立柱間距18.0m方案，故將立柱間距14.5m方案作為推薦方案。（三）勁性骨架鋼筋混凝土拱橋結(jié)構(gòu)施工方案比選圖11 勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)施工方案比選圖勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)應(yīng)用于蘭合線祁家渡黃河大橋，該處跨越黃河，施工中需要考慮施工方案可行性、合理性、安全性以及對航運(yùn)的影響。QC小組在總體施工方案設(shè)計中主要考慮了轉(zhuǎn)體施工法、懸臂施工法、勁性骨架施工法三種施工方案，然后分別進(jìn)行優(yōu)化分析，找出最佳施工方案。1、轉(zhuǎn)體施工方案將拱圈分為兩個半跨，分別在兩岸利用地

18、形做簡單支架預(yù)制拱箱，利用結(jié)構(gòu)本身及臨時結(jié)構(gòu)組成扣錨體系，張拉扣索使拱箱脫架。拱箱、平衡重、轉(zhuǎn)盤上蓋及扣索組成轉(zhuǎn)體體系，借助預(yù)先設(shè)置的摩擦系數(shù)很小的環(huán)形滑道，用卷揚(yáng)機(jī)或千斤頂牽引，將兩岸的半跨拱箱平面轉(zhuǎn)體至設(shè)計的橋軸線位置，然后進(jìn)行拱頂合龍。圖12 轉(zhuǎn)體施工方案2、懸臂施工方案在兩岸合適位置設(shè)立天線主塔，主塔上安裝的主纜跨度須大于拱圈跨徑，并方便吊運(yùn)和安裝全部拱箱節(jié)段。主塔高度應(yīng)能確保拱頂節(jié)段的安裝。拱箱節(jié)段就位后，須用扣索承力及定位，故需設(shè)置扣索索塔。較矮的扣索可以利用兩岸墩臺作扣點(diǎn)，高出墩臺的扣索，應(yīng)另外布置索塔?？鬯c主塔可以分別布置，也可以主、扣塔合一。主塔因受力較大，承受前后兩側(cè)水平

19、力不平衡差值，塔頂允許一定量的水平位移故塔腳設(shè)計為鉸接。扣索用以調(diào)整拱箱節(jié)段的準(zhǔn)確位置并最后定位，扣塔的水平位移須嚴(yán)格控制，扣塔腳設(shè)計為固結(jié)。在索塔與扣塔系統(tǒng)形成后，拼裝預(yù)制節(jié)段混凝土，直到拱頂合龍。圖13 懸臂施工方案3、勁性骨架施工方案沿拱圈軸線用型鋼或鋼管建成鋼桁拱，以鋼桁拱作為承力結(jié)構(gòu)，在其上懸掛模板，分環(huán)、分段、分層對稱、均衡地澆筑拱圈混凝土，最后合龍成拱?？鐝捷^小時，可以采用型鋼做勁性骨架。當(dāng)跨徑較大時，則采用鋼管混凝土做勁性骨架。因此，在空鋼管配合型鋼形成勁性骨架鋼桁拱之后，應(yīng)先在鋼管內(nèi)灌注混凝土，使之成為鋼管混凝土勁性骨架拱，然后再澆筑拱圈混凝土。鋼管內(nèi)壓注混凝土后，澆筑拱圈混

20、凝土是這一工法最關(guān)鍵的施工階段，隨著混凝土的逐步施工加載，勁性骨架拱的內(nèi)力與變形不斷變化，當(dāng)先期完成的混凝土拱環(huán)達(dá)到一定強(qiáng)度，實(shí)際上能參與勁性骨架拱聯(lián)合承力，而這種鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的內(nèi)力也在不斷變化。圖14 勁性骨架施工方案表7 鋼桁-槽型梁組合結(jié)構(gòu)施工方案比選表 方案項(xiàng)目勁性骨架施工方案懸臂施工方案轉(zhuǎn)體施工方案優(yōu)點(diǎn)實(shí)用無支架施工大跨徑混凝土拱圈，實(shí)現(xiàn)了鋼材的充分利用。懸拼預(yù)制節(jié)段，施工進(jìn)度快。改善了施工環(huán)境與施工條件，施工進(jìn)度快。缺點(diǎn)施工工藝復(fù)雜，存在一定得安全風(fēng)險。懸拼預(yù)制節(jié)段過程中，存在一定安全風(fēng)險，施工時影響橋下通航。上下轉(zhuǎn)盤的加工制作等工藝較繁瑣，轉(zhuǎn)體過程存在一定安全風(fēng)險。比選結(jié)果

21、是否否由于祁家渡黃河大橋橋位處地勢陡峭，轉(zhuǎn)體施工方案難以實(shí)施；同時懸臂施工方案不能滿足施工過程中通航要求，因此最終選用勁性骨架施工方案作為推薦方案。綜上所述，鐵路勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的確定流程如下圖：圖15 最佳設(shè)計方案確定過程匯總圖設(shè)計方案確定后，鐵路勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖主要分四個步驟，流程圖如下：圖16 結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖六、制定對策表8 對策表 步驟對 策目 標(biāo)措 施執(zhí)行人完成時間及地點(diǎn)1擬定勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造尺寸滿足限界、構(gòu)造、受力要求，施工方便，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)。1、確定拱肋高度及寬度、立柱縱橫向尺寸、梁部結(jié)構(gòu)高度及頂?shù)装搴穸取?、對擬定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)

22、分析。易成孫智峰黃小安倪燕平莊嚴(yán)雷曉峰陳應(yīng)陶2014年10月（西安）2確定勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)主要確定鋼及混凝土計算參數(shù)、鋼構(gòu)件計算長度和橋面板沖擊系數(shù)。參照國內(nèi)外相關(guān)橋梁設(shè)計規(guī)范；參考國內(nèi)外類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)；通過有限元分析；4、咨詢橋梁專家。易成孫智峰黃小安倪燕平莊嚴(yán)雷曉峰陳應(yīng)陶2014年10月（西安）3對設(shè)計方案進(jìn)行有限元分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、應(yīng)力及變形滿足規(guī)范要求。采用平面桿系模型（Bsas for windows）和空間有限元模型（Midas Civil、FEA、ABAQUS）進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，并相互校核。易成孫智峰黃小安倪燕平莊嚴(yán)雷曉峰陳應(yīng)陶2014年11月（西安）4確定勁性骨架

23、鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求提出勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)的總體分析方法、施工方案和質(zhì)量控制措施。1、根據(jù)勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)設(shè)計研究報告總結(jié)分析方法。2、參照現(xiàn)行橋梁施工技術(shù)指南。3、征詢業(yè)主、施工、咨詢等參建單位意見。易成孫智峰黃小安倪燕平莊嚴(yán)雷曉峰陳應(yīng)陶2014年11月（西安）七、實(shí)施對策實(shí)施一：擬定鐵路勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造尺寸。通過收集國內(nèi)外類似結(jié)構(gòu)的技術(shù)資料，并了解相關(guān)工程建設(shè)信息，對收集到的資料小組成員共同學(xué)習(xí)，消化吸收并進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，并在專家指導(dǎo)下擬定鐵路勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)輪廓尺寸如下：圖17 鐵路勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)基頂平面圖圖18 鐵路勁性骨架鋼筋混凝土

24、拱結(jié)構(gòu)立面圖確認(rèn)效果：通過拱肋高度及寬度、立柱縱橫向尺寸、梁部結(jié)構(gòu)高度及頂?shù)装搴穸鹊谋冗x，最終得到拱肋截面寬2.5m，拱頂截面高3.5m，拱腳截面高6.0m、立柱縱向?qū)?.6m，橫向?qū)?m、梁部采用單箱單室截面，箱梁高1.8m，頂板寬9.1m，底板寬4.9m，跨中腹板厚40cm，頂板厚27cm，底板厚30cm。實(shí)施二：確定相關(guān)設(shè)計參數(shù)。勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)是國內(nèi)較少使用的一種新型結(jié)構(gòu)，鋼及混凝土計算參數(shù)、鋼構(gòu)件計算長度和橋面板沖擊系數(shù)等相關(guān)設(shè)計參數(shù)國內(nèi)現(xiàn)行橋梁設(shè)計規(guī)范并未明確，需要設(shè)計者自行研究把握。為此，小組成員大量查閱了國外結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。鋼構(gòu)件計算長度按有限元屈曲穩(wěn)定分析結(jié)果取值。橋面

25、板沖擊系數(shù)以仿真分析結(jié)果與按荷載影響線計算結(jié)果相比較，取最不利值控制設(shè)計。確認(rèn)效果：通過借鑒國外規(guī)范和有限元分析，確定鋼及混凝土計算參數(shù)、鋼構(gòu)件計算長度（0.8*Lo）和橋面板沖擊系數(shù)（1.32）。實(shí)施三：對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析在對勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工、使用情況有了一定了解并確定其輪廓尺寸后，分別采用平面桿系模型（Bsas for windows）和空間有限元模型（Midas Civil、FEA、ABAQUS）進(jìn)行了分析，平面桿系模型主要用于結(jié)構(gòu)的整體受力分析及混凝土收縮徐變的分析?？臻g有限元模型主要用于截面應(yīng)力分布規(guī)律的研究，根據(jù)空間有限元模型的計算結(jié)果對平面桿系模型及結(jié)構(gòu)的總體

26、應(yīng)力儲備進(jìn)行調(diào)整。采用MIDAS CIVIL建立空間有限元模型進(jìn)行加載計算。計算模型如下：圖19 鐵路勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)有限元模型圖20 中-活載作用下勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)變形圖 分別取運(yùn)營階段拱肋跨中、1/4截面及拱腳位置進(jìn)行對比分析及截面檢算，提取模型中各結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)處的內(nèi)力值進(jìn)行檢算。勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)受力呈明顯的空間受力特征，設(shè)計中分別采用平面桿系模型（Bsas for windows）和空間有限元模型（Midas Civil、FEA、ABAQUS）進(jìn)行了分析，通過多種結(jié)構(gòu)分析軟件計算，主要計算結(jié)果如下：（一）結(jié)構(gòu)變形、變位1、按鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范5.2.5條，拱橋

27、的1/4跨度處，由列車豎向靜活載所產(chǎn)生的上下?lián)隙?絕對值)之和(0.014（上）+0.016（下）)/115=0.2/8001/800，滿足規(guī)范要求。2、按鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范5.1.2條，拱上連續(xù)梁結(jié)構(gòu)由于列車豎向靜活載所引起的豎向撓度0.069cmL/800=1.813cm,滿足規(guī)范要求。3、按鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范5.1.2條，引橋簡支梁結(jié)構(gòu)由于列車豎向靜活載所引起的豎向撓度0.32cmL/800=3.0cm,滿足規(guī)范要求。4、拱上連續(xù)梁結(jié)構(gòu)由于列車豎向靜活載所引起的梁端轉(zhuǎn)角0.00054rad0.003rad，滿足規(guī)范要求。5、拱上簡支梁結(jié)構(gòu)由于列車豎向靜活載所引起的梁端轉(zhuǎn)角0.0004

28、3rad0.003rad，滿足規(guī)范要求。6、在列車活載、橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度力的作用下連續(xù)梁梁體的水平撓度0.00133cmL/4000=0.363cm (L=14.5m)，滿足規(guī)范要求。7、在列車活載、橫向搖擺力、離心力、風(fēng)力和溫度力的作用下拱肋的水平撓度0.914cmL/4000=4.5cm (L=180m)，滿足規(guī)范要求。（二）地震特性分析采用MIDAS軟件對空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力特性分析，得出結(jié)構(gòu)前五階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對稱橫向撓曲振動N0.21.239反對稱縱向撓曲振動N0.31.120279對稱縱向撓曲

29、振動N0.41.120254反對稱縱向撓曲振動N0.50.918對稱豎向撓曲振動圖21 第一階振形：對稱橫向撓曲振動圖22 第二階振形：反對稱縱向撓曲振動（三）截面檢算表10 拱肋截面檢算表截面位置縱向控制組合鋼筋根數(shù)鋼筋應(yīng)力（Mpa）混凝土應(yīng)力（Mpa）裂縫備注拱腳主+附3032127.7130.07大偏心受壓空實(shí)交界處 主+附3032149.515.10.016大偏心受壓1號立柱處 主+附3032125.212.70.002 大偏心受壓2號立柱處 主+附3032132.513.40.000 小偏心受壓3號立柱處主力3032116.711.70.000 小偏心受壓1/4處 主力1532128

30、.7130.000 小偏心受壓4號立柱處主力1532118.211.90.000 小偏心受壓5號立柱處主+附1532168.517.20.016大偏心受壓拱頂 主力153215015.40.012 大偏心受壓計算結(jié)果整理后，多次向院內(nèi)外專家進(jìn)行咨詢，確保計算成果正確。我院陳應(yīng)陶多次參與小組活動，并給與了精心指導(dǎo)，參與主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，組織小組成員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，通過QC小組活動，小組成員的設(shè)計能力有了顯著提高，也為圓滿完成設(shè)計任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。確認(rèn)效果：從平面桿系、空間梁-板單元模型、三維實(shí)體單元模型等有限元分析結(jié)果可得知，均滿足規(guī)范要求。實(shí)施四：確定勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求根據(jù)勁性骨

31、架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)設(shè)計研究報告總結(jié)分析方法如下：平面桿系有限元分析，可以比較方便的進(jìn)行混凝土收縮徐變的模擬，主要定位于結(jié)構(gòu)的總體受力分析，得出對應(yīng)設(shè)計規(guī)范的各項(xiàng)強(qiáng)度和應(yīng)力以及抗裂等設(shè)計指標(biāo)，同時進(jìn)行總體豎向剛度的評價?？臻g梁板單元有限元分析，考慮拱肋和橋板面的影響，主要是控制拱頂框架的強(qiáng)度和應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)的橫向剛度進(jìn)行評價，同時分析離心力、風(fēng)力等橫向荷載對縱向受力的影響，并對全橋進(jìn)行整體穩(wěn)定分析。三維實(shí)體單元有限元分析主要控制結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力設(shè)計、剛度設(shè)計，如空間主應(yīng)力的處理、梗脅角隅處應(yīng)力的處理以及結(jié)構(gòu)的豎向、橫向變形，同時為結(jié)構(gòu)橫向計算提供理論依據(jù)。在查閱鐵路橋涵施工技術(shù)指南、鐵路施工規(guī)范以及

32、征詢施工單位、業(yè)主、咨詢單位等各方和專家意見的基礎(chǔ)上，本QC小組成員認(rèn)真討論，集思廣益，提出勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)施工方案和驗(yàn)收的技術(shù)要求，為蘭合線勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)的實(shí)施提供了指導(dǎo)意見，達(dá)到了本實(shí)施階段的目標(biāo)確定鐵路勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)技術(shù)要求。確認(rèn)效果：通過鐵路勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)設(shè)計研究，確定了其技術(shù)要求（設(shè)計方法、設(shè)計參數(shù)、施工方案和驗(yàn)收技術(shù)要求），有效地指導(dǎo)了設(shè)計和施工。八、確認(rèn)效果（一）檢查目標(biāo)1、確定的勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸及結(jié)構(gòu)分析成果，經(jīng)院技術(shù)主管領(lǐng)導(dǎo)審查通過，在蘭合線鐵路工程施工圖設(shè)計專家評審時，認(rèn)為確定的勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸經(jīng)濟(jì)、合理、美觀，分析成果可信、可靠。2、確定的勁性骨架鋼筋混凝土拱結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸及結(jié)構(gòu)分析成果滿足時速160km/h單線“中-活載”列車正常運(yùn)營，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足現(xiàn)行鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范要求。表11 規(guī)范要求與計算結(jié)果對比表項(xiàng)目規(guī)范容許值計算結(jié)果是否滿足要求豎向靜活載作用下拱橋1/4跨度撓度(m)L/8000.2滿足0.225梁體水平撓度(m)L/40000.00914滿足0.045靜活載作用下梁端轉(zhuǎn)角30.5滿足3、通過本QC小組活動，在小組成員共同努力之下，順利完成