沪杭客运专线自锚上承式拱桥关键技术研究

严爱国，尹书军

(中铁第四勘察设计院集团有限公司桥梁设计研究处，武汉 430063)

1 工程概况[1，2]

沪杭客运专线自上海至杭州，全线长约154 km，双线，线间距 5.0 m，设计速度 350 km/h，全线于2009年4月开工建设，2010年10月通车运营。

客运专线在跨越沪杭高速公路与杭州市石大路时，采用了(88+160+88)m自锚上承式拱桥，图1为大桥竣工后实景照片。该桥拱肋计算跨度153 m，拱肋矢跨比1/6，计算矢高25.5 m，拱肋线形采用二次抛物线，拱肋采用预应力混凝土结构，拱墩基础固结、拱梁固结结构形式。

拱肋采用单箱单室截面，拱肋横向宽度采用7.5 m，拱脚处截面高度 6.0 m，跨中处截面高度3.0 m，截面高度采用立特规律变化;拱上连续梁一般截面高度3 m，与拱肋固结处渐变为4.5 m;拱上立柱均采用圆端形实体截面，拱脚立柱纵向厚度2.0 m，两边拱肋立柱纵向厚度1.8 m。各立柱横向宽度6.0 m，上部采用花瓶形状，横向宽度由6.0 m过渡到7.8 m。桩基础采用18根φ2.0 m钻孔桩。考虑转体施工的需要，承台设置成长11.9 m×宽22.9 m×高6.5 m。

图1 大桥竣工后实景

2 关键技术研究

沪杭客运专线(88+160+88)m自锚上承式拱桥[3]，单边转体自重达168 000 kN，为世界同类转体桥梁之最;桥型方案为高速铁路桥梁首次采用，设计中结合结构受力特点、工期、高速列车行车舒适性等要求，对多项关键技术展开了研究。

2.1 拱梁结合方式研究

自锚上承式拱桥结构主要由基础、中拱、边拱、立柱及拱上连续梁等组成，其中拱肋及拱上连续梁直接作为桥面并承受二期恒载及活载;边拱作为系杆的锚固端，将系杆轴向力传递至基础，以平衡主拱的水平推力[4]。

体系中，拱梁的连接方式可分为2种:①拱梁分离，即拱上梁体通过支座支撑在拱肋及立柱上;②拱梁固结，即拱上连续梁两端分别与边拱及中拱固结，中间通过支座支撑于立柱上。2种连接方式所形成的结构体系不同，虽然整体结构外在形式差别不大，但结构细节构造、施工过程及成桥阶段结构受力均有很大差别。

在成桥过程中，拱梁分离体系施工时，在公路两侧顺公路方向搭设支架，先后现浇(79+79)m的拱肋、拱上立柱、拱上连续梁，张拉8束55－φj15.2临时系杆，并采取措施临时固结拱梁，拆除支架，见图2;准备就绪后转体就位，封铰，边、中跨合龙，解除拱梁临时连接，再交替张拉14束85－φj15.2永久系杆、拆除8束55－φj15.2临时系杆;拱梁固结施工时，先在公路两侧顺公路方向搭设支架，先后现浇(79+79)m的拱肋、拱上立柱、拱上连续梁，拱梁固结前张拉8束 23－φj15.2体内预应力束及6束55－φj15.2临时系杆，拆除现浇支架，准备就绪后转体就位，封铰，边、中跨合龙，再交替张拉10束85－φj15.2永久系杆、拆除6束55－φj15.2临时系杆。

图2 转体前结构状态

2种结构体系成桥过程基本相同，主要区别是固结体系中无拱梁临时固结及解除等过程。拱梁分离体系中，拱上系梁为纯粹的(20+2×22+20)m四跨连续梁结构，仅将梁长度范围的桥面荷载及其本身自重，通过支座以竖向力的形式传至拱肋，后张的系杆力通过边拱传递至基础，平衡主拱推力。施工过程中，为平衡拱上连续梁及悬臂状态下拱肋自重产生的弯矩，需要张拉大量临时系杆，为增强结构稳定性，拱梁须临时固结，中跨合龙、解除拱梁临时约束体系形成后，逐步将临时系杆置换为通长的永久系杆，此时，梁受力已完全独立于拱;拱梁固结体系中，拱上系梁将边拱与中拱连接为一整体，共同受力、相互影响;施工过程中，为抵消结构自重在拱肋内产生的弯矩，固结拱梁前张拉部分体内预应力束及临时系杆，中跨合龙后张拉通长系杆。转体前，边拱、中拱1/2、系梁已形成稳定的结构体系，中跨合龙后，结构大部分恒载已不再会对基础产生水平推力，所以后期需要的通长系杆要少很多。

2种结构体系主要分析计算结果见表1。拱梁固结体系，虽然构造相对复杂，但计算结果表明其梁端转角显著减少，结构刚度更大，拱肋应力相对合理，结构整体性明显增强，稳定性也得以提高，且转体施工过程中张拉的体内预应力索兼做永久系杆，临时系杆及永久系杆数量均有所减少，优势较为明显，因此最终采用拱梁固结体系。

表1 两种结构体系主要计算结果比较

2.2 拱上连续梁施工方法研究

对于固结形式的上承自锚式拱桥，拱上连续梁施工方法不仅涉及其自身施工过程的复杂与难易程度，同时直接影响到连续梁、乃至整个结构体系的最终受力状态，因此研究合理的拱上连续梁施工方法，十分必要。根据拱上连续梁的形成过程，分别研究了先简支后连续、一次现浇形成连续梁2种施工方法。

先简支后连续施工方法中，首先在拱肋支架上现浇边拱及中肋，张拉8束23－φj15.2体内预应力束(拱梁固结前按体外索设计)及6束55－φj15.2临时系杆;然后在边拱及中拱间上搭设支架现浇简支梁;最后拆除拱肋及拱上支架，再现浇拱上连续梁间湿接缝及拱梁固结端，张拉拱上连续梁预应力索，见图3，桥跨合龙后再交替进行10束85－φj15.2永久系杆张拉及6束55－φj15.2临时系杆拆除。

图3 先简支后连续施工示意

一次现浇形成连续梁施工方法中，首先在拱肋支架上现浇边拱及中肋，张拉8束23－φj15.2体内预应力束(拱梁固结前按体外索设计)及 6束 55－φj15.2临时系杆;然后在边拱及中拱间上搭设支架，同时在支架上一次浇筑拱上连续梁及拱梁固结端，张拉梁体内预应力索，最后拆除拱肋及拱上支架，见图4。桥跨合龙后再交替进行10束85－φj15.2永久系杆张拉及6束55－φj15.2临时系杆拆除。

图4 一次现浇形成连续梁施工示意

2种施工方法成桥后，拱、梁运营阶段应力分析主要结果见表2、表3，采用一次现浇形成连续梁施工方法时，拱、梁截面上、下缘均有较大的拉应力。

表2 不同施工方法拱肋运营阶段正应力 MPa

表3 不同施工方法拱上连续梁运营阶段正应力 MPa

拱上连续梁采用先简支后连续的施工方法，因拱梁固结前，张拉了处于简支状态箱梁的部分底板索，该部分预应力索对拱梁无次内力影响;而一次形成连续梁施工方法中，梁固结后组成内部超静定结构，箱梁张拉预应力索，该部分预应力索产生的次内力对拱梁均有影响。另一方面，先简支后连续的施工方法中，形成连续梁体系前拱肋及梁体下方的支架已经拆除;而一次形成连续梁施工方法中，需待梁拱固结后方可拆除拱肋及梁体下方的支架，并引起拱肋变形，且变形大小随拱肋位置不同而不同，导致连续梁各支点处发生不同变形，引起其内力的变化，使得梁体受力更加复杂不利。因此，最终选择施工工艺相对复杂、但对结构受力明显有利的先简支后连续的方法施工拱上连续梁。

2.3 结构桥面线形研究

自重、活载、温度变化、混凝土收缩徐变等因素，都会导致桥梁桥面线形的变化，为确保高速列车运行时的平稳性、舒适性，要求桥面线形后期变化必须限定在某一范围内。其中结构自重及活载引起的变形，通过设置预拱度予以直接消除;温度变化、收缩徐变引起变形虽然也是通过设置预拱度减小其影响，但因温度变化有正、有负，特别是该桥式，桥面线形受温度变化较敏感，因此必须结合合龙时温度、环境温度综合考虑;而收缩徐变则是一个漫长的过程，本桥建设工期很短，合龙后不到2个月就铺设桥上无砟轨道，收缩徐变变形基本上是在通车后逐步完成，因此要综合考虑徐变发生前与完成后两中桥面线形。

温度变化对该桥型线形变化影响很大，无论外部环境温度处于最高时，还是处于最低时，要确保高速列车在桥上平稳舒适运行，在铺设无砟轨道时就必须考虑温度变化对轨道高程的影响。跨沪杭高速公路主桥于2010年6月10日合龙，当天合龙温度为18℃;该桥于2010年7月30日铺轨，当天气温30℃。由于铺轨当天温度高于合龙当天温度12℃，轨面相对于合龙阶段产生了升温12℃的变形，此时轨面高程调整为整体升温12℃的线形与结构预拱度线形之和。按照上述思路，铺设无砟轨道时，其轨道高程=设计高程+恒载(含收缩、徐变)变形反方向值+静活载位移反向值(根据车桥动力线形值范围确定静活载系数)+升、降温N(℃)(铺轨阶段系统温度与合龙阶段系统温度差值)位移值。

结合本桥变形、施工过程等特点，在车桥动力分析[5]中，重点考察结构系统整体升降、温和混凝土收缩徐变产生的影响，将其以组合曲线的形式叠加到轨道不平顺中进行列车走行性分析，计算采用4种桥面初始变形曲线组合:①成桥3年轨面曲线(含收缩徐变)+整体升温25℃位移曲线;②成桥3年轨面曲线(含收缩徐变)+整体降温25℃位移曲线;③成桥3个月轨面曲线(含收缩徐变)+整体升温25℃位移曲线;④成桥3个月轨面曲线(含收缩徐变)+整体降温25℃位移曲线。根据4种桥面曲线车桥动力分析结果，优化桥面预拱度设置，再分别检算，直到在每一种线形工况下，高速动车组以设计时速通过桥梁时，列车的乘坐舒适度均达到“良好”以上。

3 结语

沪杭客运专线跨沪杭高速公路桥梁采用的(88+160+88)m上承式拱桥结构及拱梁固结体系，大桥于2009年5月开工建设，2010年6月10日全桥合龙，2010年10月建成通车。上承式拱桥结构受力明确，拱肋高度相对较小，竖向刚度较大，采用转体施工，工期短，施工时对公路行车影响小。拱梁固结体系，结构刚度大、整体性强，能较好地满足铁路行车要求。该桥型简洁美观，能适用平原及软基地区，有较强的适用性及推广价值。