郑州至西安铁路客运专线提篮拱桥结构设计特点

李义发

(中铁第四勘察设计院集团有限公司　武汉　430063)

郑州至西安铁路客运专线提篮拱桥结构设计特点

李义发

(中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063)

摘要尼尔森体系提篮拱桥造型美观，可一孔简支，主桥短，建筑高度低，跨越能力强，结构的竖、横向刚度大，适应整体桥面，造价经济，施工养护方便，设计成系列孔跨应用到铁路客运专线前景广阔，经济和社会效益显著。文中从国内外拱桥的现状出发，介绍了尼尔森提篮拱特征，并结合工程实例介绍了尼尔森提篮拱的构造设计。

关键词尼尔森体系提篮拱结构设计

伴随着对钢管混凝土拱桥认识的不断加深，钢管混凝土新桥型不断涌现。1995 年在西安安康铁路上建成了庙沟大桥，跨度有所突破，主跨达76m，拱肋采用了钢管混凝土，为上承式有推力结构[1]。在国外，1996年印度建成了戈达瓦里河铁路三桥，该桥全长2 731.456m，由28孔97.552m混凝土系杆拱组成[2]；德国跨越美因河的哈瑙—施泰因海姆城市铁路桥，主拱跨度达 160.2m，为单线铁路提篮式钢箱拱[3]。

尼尔森体系钢管混凝土拱桥是其中比较独特的一种。与其他钢管混凝土桥相比，它具有如下结构特点[4]：结构力学性能优良；桥梁刚度大，有良好的结构稳定性；动力性能好，能提供很好的行车安全及舒适度指标；结构超载能力强；外部静定，建筑高度低，桥式美观。

通过对郑西线郑州下行线跨环城高速特大桥112m提篮拱结构进行的设计分析，为以后同类桥梁的设计提供了参考。

1尼尔森体系提篮拱桥特点

1.1提篮拱桥

提篮拱桥，顾名思义，拱肋好比菜篮上的2个提手，向桥中心适当侧倾。提篮拱桥就是这样，通过几何组成调整展开角和拱度，改变静力模式，自重向桥中心集拢，在几乎不增加工程量的情况下，提高了体系的面外侧向稳定性，克服了拱桥设计和施工中难以处理的侧稳问题。实验表明，同等宽跨比的拱桥采用侧倾的提篮拱桥比常规拱肋平行的拱桥抗侧倾安全度可提高1倍以上，对超大型拱桥方案，该桥型结构体系有明显的优势。

1.2尼尔森体系特点

尼尔森体系钢管混凝土提篮拱桥具有其他形式拱桥不可比拟的优点，其特征如下[5]。

(1)拱肋和系杆的轴向力与竖直吊杆的拱桥相比，轴力没有显著的不同，但弯矩大幅度减少了，基本可按轴力的大小来设计具体的拱轴截面。

(2)适当地选择吊杆的间距和倾角，吊杆可仅按拉力设计。吊杆的设计内力与它在桥长方向的安装位置没有多大关系。对铁路桥而言，可有效避免铁路活载大而使部分吊杆失效导致的应力重分布。这种重新分布的应力，可能导致结构设计的非薄弱截面率先破坏。

(3)尼尔森体系桥梁的最大挠度和其他形式的系杆拱相比，是非常小的。由于斜杆的存在，减少了拱桥的剪切变形，研究表明，尼尔森体系的拱桥是活载挠度较小的结构。即该体系能够提供较大的纵向刚度。

(4)一般地，尼尔森体系的振动刚度比是其频率比的2 倍左右，其一阶振动频率为常见拱桥的1. 5～ 4. 0倍，具有较好的动力性能，在相同的行车条件下，跨度越大对尼尔森体系的拱桥越有利。

以上特点较好地解决了铁路桥梁中列车活载占总荷载比例大、冲击振动强等带来的结构刚度和动力问题，为该体系在铁路桥梁上的运用奠定了基础。

2工程实例

2.1概况

郑州至西安铁路客运专线全线桥梁设计大部分梁部采用预应力混凝土简支箱梁，跨越公路、铁路、河流及水渠等结构物时采用了预应力混凝土连续梁、V形墩刚构和提篮拱等特殊结构。

下行线跨环城高速特大桥位于郑州市郊，全桥长10.8km，主要跨越郑州四环线、郑上路、中原路、南水北调中线工程及郑州市环城高速公路。

线路在DK14+845处跨越郑上路(新310国道)，桥轴线与公路的交角为43°。公路侧有天然气管道和军用电缆，综合考虑交通、施工等因素，采用112m提篮拱。

2.2主要技术标准

设计速度：200km/h；有碴轨道。

地震烈度：桥址区域地震动峰值加速度为0.10g。

2.3主桥设计

梁全长116m，计算跨长为112m，矢跨比为f/l=1/5，拱肋平面内矢高22.4m，拱肋采用悬链线线型，见图1。

图1　提篮拱立面图

悬链线方程为(拱肋平面)：

拱肋横截面采用哑铃形钢管混凝土截面，截面高度h=3.0m，沿程等高布置，钢管直径为1 200mm，由厚18mm的钢板卷制而成，每根拱肋的2钢管之间用δ=16mm的腹板连接。每隔一段距离，在圆形钢管内设加劲环、在2腹板中焊接拉筋。

拱肋在横桥向内倾9°，形成提篮式，拱顶处2拱肋中心距8.79m，拱脚处2拱肋中心距15.8m。预应力混凝土系梁，吊杆按尼尔逊体系布置吊杆。

拱脚顺桥向8.0m范围内设成实体段，横桥向宽度由17.4m增至18.4m，截面渐变处设倒角或过渡段。实体段内设9-7φ5的横向预应力筋，分上下2排布置分批张拉完成。

拱脚混凝土分2次现浇，在现浇第一次混凝土前，应将拱肋钢管、加劲钢材等安放到位，二期恒载施工完成后浇筑第二次混凝土。

吊杆布置采用尼尔森体系，在吊杆平面内，吊杆水平夹角在52.10°～68.67°之间；横桥向水平夹角为81°。吊杆间距为8m，两交叉吊杆之间的横向中心距为341mm。吊杆均采用127根φ7高强低松弛镀锌平行钢丝束，冷铸镦头锚，索体采用PES(FD)低应力防腐索体，并外包不锈钢防护。

系梁按整体箱形梁布置，采用单箱三室预应力混凝土箱形截面，桥面箱宽17.4m，梁高2.5m。底板厚度为30cm，顶板厚度为30cm，边腹板厚度为35cm，中腹板厚度为35cm。底板在3.0m范围内上抬0.50m以减小风阻力，见图2。吊点处设横梁，横梁厚度为0.4～0.6m。系梁纵向设72束12-7φ5预应力筋，横向在底板上设3-7φ5，4-7φ5的横向预应力筋，横隔板上设4束9-7φ5预应力筋。

图2　系梁横截面图(单位：mm)

系梁两端底板上设进人孔，每个箱室均设检查孔，便于在箱内对吊杆等进行检查与换索。底板上设截水槽、泄水孔，边腹板与中腹板上设通气孔。

2拱肋之间共设5道横撑，拱顶处设X形撑，拱顶至2拱脚间设4道K形横撑。横撑由直径600，500和360mm的圆形钢管组成，钢管内部不填混凝土，其外表面需作防腐处理。

2.4施工设计

系杆拱桥拟采用先梁后拱的施工方法，梁部采用支架法施工。

3结语

介绍了尼尔森体系提篮拱桥的基本受力状态和尼尔森体系的特点。针对郑州至西安铁路客运专线DK14+845处的工程条件，综合考虑交通施工等因素，选定了112m尼尔森体系提篮拱桥。从拱肋、拱脚、吊杆和系梁等方面介绍了郑州至西安铁路客运专线112m尼尔森体系提篮拱桥的设计过程，为以后相同工程条件下的尼尔森体系提篮拱桥设计提供了参考。

参考文献

[1]江忠贵．铁路钢管混凝土拱桥结构分析及截面拟定[J]．桥梁建设，1999(1)：33-36．

[2]孙立军，张宏超，刘黎萍，等．沥青路面初期损坏特点和机理分析[J]．同济大学学报，2002，30(4)：416-421．

[3]陈炳坤．哈瑙—施泰因海姆美因河城市铁路桥[J]．国外桥梁，1996(2)：1-6．

[4]冯楚桥．高速铁路无砟轨道 112m尼尔林体系提篮系杆拱桥设计[J]．铁道工程学报，2007(1)：232-235.

[5]小西一郎．钢桥：第四分册[M]．戴振藩，译，北京：人民交通出版社，1981．

武汉公路学会开展桥梁工程施工技术交流活动

2014年12月26日下午，武汉公路学会在蔡甸区组织开展武汉三官汉江公路大桥工程施工技术交流活动，来自会员单位的设计、施工、养护、科研和教学等近50名工程技术人员参加了此次活动。武汉公路学会理事长张谢东、副理事长何晓鸣及张汉龙出席了交流活动。

武汉三官汉江公路大桥是联系蔡甸区及东西湖区之间的一条跨汉江通道。该项目全长约7.025km，其中，主桥为双塔单索面预应力混凝土矮塔斜拉桥，跨径组合为120m+190m+120m。项目施工单位为中建三局，于2012年3月开工建设。目前，主桥主跨即将合龙。

与会人员参观了主桥施工现场，并与项目部进行了施工技术交流。会上，中建三局武汉三官汉江公路大桥项目部总工从桩基、承台、主墩、主梁、主塔等方面介绍了桥梁施工情况，其施工亮点主要有：承台采用锁扣钢管桩围堰，0号块施工采用悬挑托架支撑，斜拉索实施单根换索实体试验并形成技术总结成果(预计2015年完成)。中铁大桥局武汉桥梁科学研究院武汉三官汉江公路大桥监控组技术人员介绍了桥梁施工监控技术。与会人员还与项目施工技术人员就主桥锁扣式钢管桩围堰施工技术、悬挑式托架和斜拉索张拉等技术问题进行了热烈的讨论和交流。

本次活动是武汉公路学会自2014年11月底换届后组织的第一次学术会议，与会人员通过参加交流活动，进一步丰富了桥梁施工技术知识，活动达到了预期效果。

武汉公路学会

收稿日期：2014-10-19

StructureDesignofBasketHandleArchBridge
ofZhengzhou-Xi'anHigh-speedRailway

Li Yifa

(ChinaRailwaySiyuanSurveyAndDesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,China)

Abstract：Nielsen system basket arch bridge has attractive appearance and can be designed as a single-span bridge that will be simply supported. The length of main bridge of the type of the arch bridge is short, building height is low, spanning capacity is great, vertical and lateral stiffness of the structure is strong, and the bridge is also adapt to the overall bridge deck, cost-effectiveness, easy construction and maintenance. If the bridge is designed to have series of span of different length for selection and applied to the passenger dedicated railway line, it will have wide vista of application and the economic and social benefits will be significant. From the present situation of the arch bridge at home and abroad, this paper introduces the characteristics and structure of nelson basket handle arch combined with an engineering example.

Key words:nielsen system； basket handle arch； structure design

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.017