城际铁路大跨度连续梁拱组合桥设计

赵 亮

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概况

近几年随着我国高速铁路建设的发展，连续梁拱组合桥被广泛用在了大跨度跨越净空受限的公、铁立交和通航河流的铁路桥梁上，跨度已从几十米到200多米，代表了当今世界高速铁路组合桥梁的发展与建设水平。连续梁拱桥组合结构体系主要有主梁、拱肋、吊杆组合起来共同受力，中跨的弯距、剪力内力高峰值由梁和拱共同承担，主梁承担拉力和局部弯矩，拱肋承担轴压力及弯矩，剪力主要有主梁和拱肋轴力的垂直分力承担。连续梁拱桥组合结构既克服了拱桥巨大的拱脚推力，又改善了大跨连续梁桥较大的弯矩和剪力的受力状况，最大限度地发挥梁拱混凝土和预应力钢材各自的特点，增大了铁路梁式桥的跨越能力。是一种具有竞争力的桥型。

某城际铁路位于海陆交互的平原地区，线路跨越通航等级为国家Ⅱ级的某通航水道，通航净高不小于10 m，净宽不小于150 m。为满足通航净空、净宽的需要，同时考虑景观要求，主桥采用(87+176+87) m连续梁拱组合桥。桥型布置立面如图1所示。桥梁设计主要技术标准如下。

(1)设计速度：200 km/h；

(2)正线数目：双线，标准线间距4.4 m；

(3)轨道形式：双块式无砟轨道，无缝线路；

(4)建筑限界：客运专线铁路建筑限界(200 km/h≤v≤350 km/h)，净高7.25 m；

(5)设计活载：运营活载为0.6UIC。施工活载为运梁车荷载和架桥机架设荷载。

图1 桥型布置立面(单位：cm)

2 结构设计

2.1 总体设计

图2 桥面布置(单位：cm)

下部桥墩采用钢筋混凝土实体圆端墩，基础设计为φ1.5 m和φ2.5 m钻孔灌注桩。

2.2 主梁

为满足列车高速运行时对桥梁刚度的要求，主梁采用桥面整体连续且具有较大竖向和横向刚度的箱梁，箱梁截面设计为单箱双室，设纵、横、竖三向预应力(其中中跨不设置竖向预应力)。跨中和中支点处截面如图3所示。中支点处梁高11.0 m，梁顶宽16.0 m，跨中梁高5.5 m，梁顶宽15.0 m，箱底宽11.0 m；顶板厚40～95 cm，底板厚40～120 cm，腹板厚50～100 cm，中跨跨中设厚0.4 m的横隔板，中支点设宽4.0 m的中横梁，边支点设宽1.6 m的端横梁，吊杆处设高2.0 m的横梁，箱梁顶设有2%的横坡。

图3 主梁横截面(单位：cm)

根据结构构造和横向计算，在每个支点处横向设置3个支座，边墩支座间距4.75 m，中墩支座间距6.4 m。经计算，支点处的中支座受力较大，但不大于边支座的1.25倍。在一个支点处横向均采用同一规格的支座，以中支座为准，边墩支座承载力7 000 kN，中墩支座承载力100 000 kN。

2.3 拱肋及横撑

拱肋采用钢管混凝土结构，截面采用竖向抗弯刚度大的哑铃形截面。上、下弦管中心距2.2 m，拱肋高3.3 m，钢管外径110 cm，壁厚20 mm，钢管内灌注C55微膨胀混凝土。拱肋上下弦管之间采用厚度为14 mm的缀板连接，缀板间距80 cm，在拱脚处加宽至110 cm，缀板间采用φ25 mm钢筋拉杆，拉杆竖向间距45 cm，桥纵向间距50 cm。钢管内和缀板间均灌注C55微膨胀混凝土。拱肋截面如图4所示。

图4 拱肋截面(单位： mm)

为了提高横向刚度，保证拱肋的横向稳定，两榀拱肋之间共设9道横撑，均采用空间桁架撑，各横撑由φ610 mm×14 mm的主钢管和φ410 mm×12 mm的连接管组成，管内不填混凝土。横撑截面如图5所示。

图5 横撑截面(单位：mm)

2.4 吊杆的选择及其连接方式

对于已建成的大多数梁拱组合桥，几乎都采用了传统的钢丝束或钢绞线吊杆。近年来，在中、下承式拱桥中，因采用传统的钢丝束或钢绞线吊杆的锈蚀和疲劳造成了维修费用的增加和个别桥梁垮塌事故，引起了人们对吊杆的设计以及防腐、检查、更换等问题的严重关注。因此采用新型的、耐久性好的吊杆，提高桥梁结构安全性，减小维修养护费用，适应新形势下的发展需要就十分必要。

桥梁建筑用钢拉杆-实心合金钢棒，是一种最近几年内才被使用新型吊杆，其加入了合金元素，材料为35CrMo，具有强度高、韧性高、耐蚀性强、耐低温性能好和维修养护方便等优点。因此本桥选用光圆实心合金钢拉杆做吊杆。

为保证更换吊杆时不中断行车和单根吊杆断裂时桥梁的安全性，吊杆布置为纵向双吊杆，同一组吊杆纵向间距60 cm。全桥两片拱肋共设34组吊杆，第一组吊杆距离中支点17.6 m，其余吊杆中心间距均为8.8 m。吊杆采用460级公称直径为100 mm的光圆实心合金钢拉杆，考虑桥梁整体结构的变形、协调和更换维修等因素，吊杆的上端纵向设铰，下端横向设铰，由销栓连接。张拉端设于上端。吊杆大样及连接构造如图6所示。

图6 吊杆大样及连接构造断面(单位：mm)

3 施工方法及主要施工步骤

为不影响河道正常通航，采用“先梁后拱”的施工方法，在建成的桥面上进行钢管拱肋的架设，钢管拱采用矮支架拼装、竖向转体合龙到位的施工技术，不仅技术上可行、经济上合理，而且安全可靠，避免了高空作业，还加快了施工速度[12]。其主要施工步骤如下：利用挂篮悬臂浇筑主梁，同时施工拱座预埋段；合龙主梁边跨，拆除主墩边跨侧临时支撑；浇筑中跨超打梁段，合龙主梁中跨；以桥面为工作面，矮支架拼装钢管拱肋，利用桥面塔架和其他设备，使钢管拱肋竖向转体就位，合龙拱顶，固结拱脚；依次灌注拱肋上弦杆、下弦杆、缀板内混凝土；按指定次序一次张拉吊杆(为施工方便，不考虑二次张拉)；最后拆除主墩中跨侧临时支墩，施工桥面系，测试吊杆力并调整吊杆力至设计目标值。

4 结构计算分析

4.1 纵向静力计算

根据采用的施工方法和拟定的施工步骤按平面杆系进行纵向计算分析，以空间计算进行校核。

根据桥址处气候条件，结构整体升、降温分别为20、-25 ℃，拱肋、吊杆与主梁的温差按±10 ℃计算，主梁顶板非线性升温按+5 ℃计算。其他设计荷载及相关参数的取值按现行铁路规范执行。纵向计算模型如图7所示。

图7 纵向计算模型

主梁纵向按全预应力结构设计，钢管混凝土组合截面根据竖向抗弯刚度等效的原则转换为矩形截面的混凝土拱肋，并考虑混凝土收缩、徐变效应，拱肋与梁在连接处固结。综合考虑主梁、拱肋的受力和变形等因素，确定吊杆的张拉顺序和初张力。

(1)施工阶段按指定顺序和初张力张拉吊杆时，拱肋的检算不控制设计；吊杆最大拉力为1 822 kN，安全强度系数为2.6；主梁上、下缘最大压应力分别为12.6、14.0 MPa，最大拉应力分别为-0.29～1.38 MPa，设计应力均满足施工阶段应力要求。

(2)成桥时主梁恒载的弯矩、剪力、轴力和上、下缘应力如图8所示，拱肋的弯矩、剪力、轴力如图9所示。

图8 成桥时主梁弯矩、剪力、轴力及应力图

图9 成桥时拱肋弯矩、剪力、轴力图

从以上各图中可以看出，在成桥时主梁剪力较小，中支点处由于梁和拱的共同作用，负弯矩峰值削减明显，中跨由于吊杆的吊挂作用，全部表现为负弯矩，但负弯矩值较小且在一定范围内较均匀，为活载留有一定的负弯距储备；主梁上、下缘应力均小于10 MPa，最大应力差5.9 MPa，小于0.4倍的主梁混凝土轴心抗压强度；拱肋接近拱座处的弯矩稍大，剪力和轴力较均匀，结构受力比较合理。

(3)运营阶段计算结果

①主梁按全预应力结构设计，纵向主要检算结果如表1所示。

表1 运营阶段主梁计算指标

从表1可以看出，主梁设计应力、正截面抗弯强度安全系数和抗裂安全系数[5]均满足规范要求，并留有一定的安全储备。

②主梁的变形、变位和梁端转角[6-7]。

运营阶段在0.6UIC静活载作用和温度变化作用下，主梁最大竖向挠度和容许挠度值如表2所示。

表2 运营阶段竖向挠度指标

在0.6UIC静活载作用下，梁端竖向转角0.35‰，小于1‰限值；在列车横向摇摆力，离心力、风力、和温度力的作用下梁体的水平挠度为5.6 mm，小于计算跨度的1/4 000限值；按拟定的施工步骤，成桥1 500 d后，主梁边跨跨中徐变上拱值为3.0 mm，中跨跨中徐变下挠值为17.9 mm，竖向残余徐变变形均小于L/5 000且不大于20 mm，满足规范要求。

4.2 主梁横向计算

主梁横向分别按有吊杆区、无吊杆区计算。桥面板上的恒、活载按实际的位置进行加载计算，活载考虑桥上线路的分布作用。纵向计算长度按一个轴的荷载在桥面板上的有效分布宽度取值，计算模型简化为三点支承的框架，按刚性支撑和弹性支撑分别计算。其荷载工况按日照、寒潮两种模式考虑。温度图式如图10所示。

图10 环框横向温度计算图示

4.3 拱肋检算

拱肋为钢管混凝土组合结构，按钢筋混凝土理论检算截面强度。运营阶段最不利荷载组合作用下，拱肋属小偏心受压构件，钢管及钢管内混凝土检算结果见表3。

表3 运营阶段正应力计算结果 MPa

计算结果表明钢管内混凝土未出现拉应力，拱肋钢管和钢管内混凝土正应力均满足规范要求。

拱肋按承受最大水平推力的中心受压杆件检算其在拱平面内的稳定性[3]。经计算，在运营状态主力作用下，拱肋平面内稳定安全系数为6.5，满足要求。

4.4 吊杆检算

根据桥梁纵向计算分析，为施工方便，吊杆考虑一次张拉完成。施工阶段吊杆的安全强度系数按不小于2.0控制，运营和维修更换吊杆时按不小于3.0控制。经计算，运营阶段恒载作用下单根吊杆力最大为612.7 kN，活载作用下单根吊杆力最大为194.0 kN；主力作用下单根吊杆力最大为789.3 kN，强度安全系数6.1；主+附加力作用下单根吊杆力最大为824.8 kN，安全强度系数5.8；吊杆疲劳应力幅为31.8 MPa。

成桥1 500 d后，在恒、活载的作用下，吊杆力总和为46 676 kN，其中承担二期恒载3454.0 kN，占总吊杆力的7.4%，承担活载12 229.1 kN，占总吊杆力的26.2%。

4.5 拱脚节点及0号块局部应力分析

拱脚处钢管拱肋埋入拱座，并伸入主梁1 m，通过构造钢筋和预应力粗钢筋与主梁0号块形成整体。0号块不仅要传递拱肋巨大的水平推力和压力，还要承受主梁传来的纵、横向弯矩和剪力，受力复杂，同时也是纵、横、竖三向预应力筋的高应力区，是设计的关键部位。为定性分析拱脚处拱肋与0号块的受力状态，利用通用软件midas FEA建立空间实体模型，进行局部应力分析。计算荷载工况为结构自重、二期恒载、体系温度、温度梯度和活载的最不利组合工况。拱脚节点及0号块局部实体模型如图11所示。

图11 拱脚节点及0号块局部实体模型

分析结果表明，在最不利荷载工况下，0号块整体表现为受压，梁底支座处、钢管拱肋末端与0号块连接处混凝土局部压应力较大，且出现应力集中现象；钢管拱肋末端外侧的混凝土出现较大拉应力，应力集中明显；0号块顶面未出现拉应力。设计时应采取措施，在拱座内的拱肋钢管外侧设置剪力钉，使钢管和管内混凝土共同受力，均匀传力给拱座；支座顶梁体混凝土和拱肋端部混凝土内应加强普通钢筋的配置，缓解应力集中；拱座和0号块部分混凝土应采用聚丙烯纤维混凝土，提高其抗拉和抗裂能力。

4.6 桥梁自振特性分析

在结构自由振动分析中，结构的固有振型、频率是重要的动力特性，是动力计算的基础，通过建立空间计算模型，有限元方法进行计算。在分析中采用如图12所示的计算模型，将主梁、拱肋、横撑及下部结构模拟为各向同性的梁单元，吊杆模拟为只受拉单元。关于边界条件，上部主梁和拱各杆件连接处均采用刚接，吊杆按上、下端的变形要求铰接，梁和墩之间的约束通过主从节点来模拟，桩基础通过计算桩顶等效刚度的方法在模型中通过对应弹簧单元来模拟。二期恒载作为均布荷载作用于桥面，并转化为桥面部分质量。

图12 空间计算模型

计算所得的桥梁的自振频率及振型特点如表4所示。

表4 自振特性分析结果

自振特性计算结果表明，桥梁振型首先表现为固定墩纵向弯曲，桥梁纵向刚度略弱于横向刚度；第2、第3阶为拱肋面外弯曲，第4阶为拱肋和主梁面外弯曲，面外振动时拱肋横向刚度弱于主梁横向刚度；其面内竖向弯曲在第5阶出现，面内振动时，梁与拱肋的振动基本同步。

4.7 车桥耦合动力分析

对列车-桥梁建立空间计算模型，以美国五级谱转换的轨道不平顺样本作为系统激励，计算国产高速列车先锋号、中华之星列车以不同车速通过时的车桥动力响应。计算结果表明：①桥梁各工况下最大垂向振动加速度0.241 m/s2，最大横向振动加速度0.319 m/s2，满足要求。②两种列车通过时在所有工况条件下，均未出现明显的共振。③轮重减载率、脱轨系数和轮轴横向力均小于限值，行车安全性满足要求。④两种列车以速度160～240 km/h通过桥梁时，斯佩林舒适度指标为优；以速度240 km/h(最大检算速度为1.2倍的设计速度)通过桥梁时，斯佩林舒适度指标为良。

4.8 空间稳定性分析

钢管混凝土拱肋的刚度相对于主梁较弱，是以受压为主的压弯构件，其空间稳定分为极值点失稳和分支屈曲失稳，在实际工程中大多通过通用程序进行特征值的求解，以分支屈曲稳定控制拱的空间稳定[1]。利用通用软件Midas Civil，采用子空间迭代法进行桥梁模态分析，计算屈曲失稳临界荷载系数。荷载布置以使拱承受的轴压力水平最高为原则，屈曲分析荷载主要有结构自重、二期恒载和0.6UIC。

计算结果表明桥梁第一阶失稳状态表现为拱肋反对称侧倾，如图13所示，屈曲分析的最小特征值即临界荷载系数为6.2。前十阶内多次出现拱肋的面外弯曲或扭转失稳，说明该桥拱肋面外刚度相对于面内刚度较小，对整个桥梁的稳定起控制作用。因此，提高拱肋面外刚度是提高桥梁稳定性的最有效措施。

图13 桥梁失稳模态

5 结语

连续梁拱组合桥包括拱肋、主梁及吊杆组成的中跨和梁式结构的边跨，边跨受到中跨拱的刚度影响，减小了边、中跨比和正弯矩的负担，扩大了负弯矩的区域，有利于预应力钢束的配置；中跨由于拱的加劲，有效的降低了主梁的建筑高度，结构轻盈，造型美观。计算分析表明梁拱组合结构受力合理，增大了桥梁结构的刚度，具有优良的动力性能和可靠的稳定性，各项设计计算值均满足规范要求，能满足列车高速运行时对桥梁设计的要求。

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