银西高速铁路拱加劲连续钢桁梁结构设计

缪文辉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安 710043)

银西高速铁路拱加劲连续钢桁梁结构设计

缪文辉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 西安 710043)

依据防洪评价报告，银西高铁银川黄河特大桥跨越黄河主河槽最小跨径需160 m以上。文章从美观、造价、施工难易度、结构受力分析等方面综合比较分析了平行弦连续钢桁梁、变高弦连续钢桁梁、拱加劲连续钢桁梁3种设计方案的优缺点，最终推荐采用3×168 m等跨拱加劲连续钢桁梁结构跨越黄河主河槽方案。介绍了该方案的设计要点、组合结构的受力规律、结构的刚度、材料用量及施工方案，通过增加拱肋的方式，大大增加了结构的刚度，使每孔结构的受力规律与简支结构类似，改善结构的受力条件，克服等跨布置受力缺陷。该桥在施工及运营阶段的刚度、强度均满足规范要求，具有良好的动力特性，为同类桥梁的设计施工起借鉴作用。

黄河特大桥； 168 m连续钢桁； 拱加劲钢桁梁； 桥式方案

1 工程概况

银西铁路(正线)从陕西西安北站引出，途经礼泉、乾县、永寿、彬县、庆阳、庆城、环县、惠安堡、吴忠、银川等县市，线路总长617 km，设计行车速度先期250 km/h，预留350 km/h，Ⅰ级铁路，线间距5.0 m,有砟轨道。

银西高速铁路在河东机场处跨越黄河，百年一遇洪峰流量 6 160 m3/s，上游距既有太中银黄河桥16.5 km，距正在建设的永宁黄河公路桥7.5 km，下游距银古高速黄河特大桥3.2 km。考虑桥位下游不足4km有3座桥，同时为尽量减少建桥后壅水高度及影响范围，黄河水利委员会黄河水利科学研究院编制的《银川机场黄河特大桥防洪评价报告》建议主河槽最小跨径160 m以上。

宁夏回族自治区交通运输厅回函说明，该段黄河通航等级为内河航道Ⅴ级，黄河特大桥净空受通航桥孔净空尺寸：净宽80 m、上底宽72 m、侧高5.5 m，净高8 m，以及百年一遇洪水位1 109.58 m控制。

该处黄河河堤宽1 800 m，河堤内桥梁孔跨布置形式为96 m简支钢桁+2联(3×168)m拱加劲连续钢桁梁+96 m简支钢桁梁+12-56 m简支箱梁，分别采用96 m钢桁和56 m简支箱梁跨越河堤路，且在主河槽内的主墩偏向河堤侧，不影响主河槽内的通航要求，主桥立面如图1所示。

图1 主桥立面示意图(cm)

2 结构形式比选

能够适应上述跨度的结构均为钢结构，本次设计比较了平行弦连续钢桁梁、变高弦连续钢桁梁、拱加劲连续钢桁梁3种方案。

在荷载条件相同的前提下，简支钢桁架桥与同等跨度简支箱梁桥相比，外荷载产生的弯矩并没有变化，只是外弯矩的平衡机理不同。根据设计经验，一般情况下桁高为跨度的1/8左右。

2.1 平行弦连续钢桁梁

平行弦连续钢桁梁方案(如图2所示)支点上弦48 767 kN，支点下弦400 584 kN，跨中上弦39 803 kN，跨中下弦40 371 kN。优点：技术成熟，施工方便，可采用平推就位或拖拉法进行施工，工期较短；缺点：由于跨度大，需要钢桁桁高较高，用钢量大，且在施工中，需在河道中设置临时墩，对河道影响较大，同时跨中挠度和梁端转角难以满足要求，对于3跨等跨连续结构，受力极不合理。

图2 平行弦连续钢桁梁景观效果

2.2 变高弦连续钢桁梁

变高弦连续钢桁梁方案(如图3所示)支点上弦39 484 kN，支点下弦29 971 kN，跨中上弦42 004 kN，跨中下弦42 032 kN。优点：在支点处增加桁高，符合连续梁结构受力特点，技术较成熟，施工较方便，可采用平推就位或悬臂拼装进行施工；缺点：用钢量较大，因杆件类型较多，施工复杂，跨中挠度和梁端转角不满足要求。

图3 变高弦连续钢桁景观效果

2.3 拱加劲连续钢桁梁

拱加劲连续钢桁梁比较了平行弦加拱和加劲弦加拱2个方案。

若采用平行弦连续钢桁梁加拱，支点上弦 28 360 kN，支点下弦9 902 kN，跨中上弦6 773 kN，跨中下弦23 102 kN，拱顶轴力18 950 kN，拱脚轴力 23 820 kN，支点斜腹杆轴力31 730 kN。

采用加劲弦连续钢桁梁加拱方案(如图4所示)，支点上弦23 297 kN，支点下弦8 157 kN，跨中上弦5 859 kN，跨中下弦22 200 kN，拱顶轴力18 400 kN，拱脚轴力22 544 kN，支点斜腹杆轴力28 841 kN，V撑轴力29 948 kN。优点：加拱后结构刚度较大，造型美观，施工方便，用钢量较省，也可采用平推或悬臂拼装进行施工，若采用对称悬拼施工方案，可不设置临时墩，对河道影响较小，在支点处设V撑增加桁高后，结构受力更合理，可减小墩高，降低基础工程量；缺点：加拱后结构高度变高，采用钢绞线作为吊杆，并施加预应力，施工工艺复杂，要求更高，中支点处为结构受力薄弱点，支点负弯矩集中，上弦受拉较大，采用加高桁高后，可明显改善。

图4 拱加劲连续钢桁梁景观效果

2.4 比选结论

综合上述论述的主要内容，整理如表1所示。

表1 方案比选表

3 结构设计

3.1 主桁构造

主梁采用下承式连续钢桁梁桥，为加大结构刚度，减小主梁分担弯矩，在各跨均设置钢箱加劲拱。主梁采用带竖杆的等高度三角形桁架，桁高12 m，两片主桁间距12.2 m，节间距根据边中跨吊杆布置不同采用11.0 m、12.0 m，拱肋按圆曲线布置，矢高24 m，中跨矢跨120 m，矢跨比1/5，中跨矢跨132 m，矢跨比1/5.5。为抵抗连续钢桁支点处较大负弯矩，在中支点处设置V撑增加桁高，V撑高14 m。

主桁梁部位采用焊接整体节点结构形式，上、下弦杆在节点外拼接，斜腹杆采用对接形式与整体节点拼接，其腹板接头板焊于节点板上。上、下弦杆及斜腹杆均采用全截面拼接。拱采用拼装节点。主桁上下弦杆采用带肋箱形截面，上弦杆内宽 1 000 mm、高 1 100 mm，下弦杆内宽1 100 mm、内高1 300 mm。拱肋弦杆采用箱形截面，杆件外宽1 000 mm，杆件高1 300 mm，每块板各设一道加劲肋。主桁斜杆、竖杆采用箱形或H形截面，腹板内宽1 000 mm，翼板宽800 mm。

3.2 吊杆设计

一联梁部共设62根钢绞线吊杆，吊杆间距边跨11 m，中跨12 m，吊杆采用柔性吊杆，圆形截面，外径9.7 cm，其构成为OVM250-61Z智能型平行钢绞线拉索体系，由 61根φ7环氧涂覆钢绞线组成(σb=1 860 MPa)，外套双层 HDPE 护套保护层，吊杆外露部分用钢护套包裹。吊杆在拱肋顶单端张拉，在上弦杆设固定端锚箱。

3.3 桥面系构造

正交异性板整体桥面结构是节点横梁、节间横梁及带U型纵肋的钢桥面板组合结构。U型纵肋横向间距800 mm，板厚10 mm，顶宽400 mm、底宽300 mm、高300 mm。U型纵肋的跨距是3.125 m，并且全联连续，遇节点横梁、节间横梁的腹板时开孔穿越。节点横梁、节间横梁均为倒T形截面，在下弦节点处设置节点横梁，节点之间设置节间横梁，其间距为3.125 m，节点横梁、节间横梁高约为1.5 m，节点横梁翼缘板宽600 mm，节间横梁翼缘板宽460 mm。跨中桥面布置如图5所示。

图5 跨中桥面布置示意图(mm)

3.4 联结系构造

上弦及拱肋间设上平面纵向联结系，交叉式结构。纵向平联斜杆及横撑均采用工字形截面杆件，端横撑翼板厚24 mm，宽420 mm，腹板厚20 mm，外高500 mm。中间横撑翼板厚20 mm，宽420 mm，腹板厚16 mm，外高496 mm。斜杆翼板厚20 mm，宽400 mm，腹板厚16 mm，外高496 mm。 钢桁梁端斜杆上设斜向桥门架，在上弦每个节点均设中间横联，桥门架及横联均采用板式结构。

4 推荐方案计算分析

4.1 简化计算比较

推荐方案为钢桁梁与拱的组合结构，为探明结构的受力特点，掌握组合结构的荷载传递规律，采用简化平面模型对结构进行分析，简化思路为将简支钢桁和简支梁、简支钢桁加拱和简支梁加拱进行受力分析。

首先比较简支梁与简支钢桁，使简支梁能完全模拟钢桁的刚度，主力下，简支梁和简支钢桁跨中竖向位移155 cm。

简支梁加拱后，跨中位移27 cm，加拱后位移变为未加拱的17%，考虑正交异性板的刚度贡献后，整体刚度可增加12.5%，即加拱后，梁体分担的弯矩约为未加拱简支梁弯矩的20%。

简支梁加拱跨中弯矩165 000 kN·m，为纯简支结构跨中弯矩的18%。简支钢桁加拱下弦拉力24 600 kN，上弦压应力2 700 kN，跨中弯矩为163 800 kN·m，与简支梁加拱效果等效，符合该结构的受力特点。

4.2 连续钢桁加拱计算

内力比较，三跨等跨纯连续梁结构，边跨跨中弯矩M=0.08×ql2=573 500kN·m，中跨跨中弯矩M=0.025×ql2=179 200kN·m，支点弯矩M=0.1×ql2=717 000kN·m，所以边跨和中跨的弯矩差异太大。连续梁加拱后，简支梁与连续梁的跨中弯矩差别不大，均为160 000kN·m左右，但考虑是连续钢桁施工方便，采用连续钢桁方案。中支点加V撑后，可减小支点负弯矩，同时减少中跨跨中弯矩。

4.3 主要计算结论

纵向计算采用MidasCivil程序进行平面及整体杆系受力分析。将主桁、拱、吊杆按照实际断面建模，根据结构的实际施工顺序进行结构离散，按照实际结构的支撑情况模拟结构边界条件。

横向计算及下部计算时，建立空间梁格模型，主桁杆件采用空间梁单元，桥面横梁、横肋和纵向加劲肋采用空间梁单元，各部构件均按结构设计尺寸建模，根据结构特点，进行结构离散。计算模型如图6所示。

图6 空间计算模型

结构在各项荷载作用下的支座反力如表2所示。

表2 支反力表

根据《高速铁路设计规范》，该桥168 m跨度主桁在ZK静活载作用下,梁体的竖向挠度不大于123 mm，梁部结构在列车静活载作用下，桥梁梁端竖向转角不应大于2‰。主桁竖向刚度见表3。

表3 主力下主梁变形计算结果表

梁端最大转角为1.67‰ rad。最大竖向位移为63 mm，挠跨比为1/2 666。主桁竖向刚度满足规范要求。在列车横向摇摆力、风力的作用下，梁体的水平挠度最大17.2 mm，水平挠跨比1/9 767，满足规范横向挠度不大于1/4 000要求。

4.4 主桥梁工程量分析

本桥主桁及拱肋杆件材质采用Q370qE和Q370qE-Z35，拼接板及填板材质采用Q345qD，连接系、桥面系材质采用Q345qD和Q345D。 一联主结构用钢量95 694 t，平均19.4 t/m，具体分项数量表见表4。

表4 主桥主要数量表

4.5 施工方案简述

钢桁梁采用悬臂拼装，钢桁梁所有杆件均在工厂制造，试拼装后运至现场拼装。

步骤一：基础、墩身施工完成后，在边墩承台旁拼装墩台，用塔吊在墩旁拼装50 t提升站架梁吊机；在边跨安装支架，并在其他各桥跨的跨中位置修建临时墩。

步骤二：利用提升站吊机架设前5个钢梁节间；然后用提升站吊机在第5个钢梁节间上拼装架梁吊机。

步骤三：利用架梁吊机，在支架上拼装第一孔钢梁；在钢梁的下弦铺设运梁走道；利用架梁吊机，对称悬臂拼装平弦部分剩余桁梁。

步骤四：利用架梁吊机由右向左拼装拱肋和吊杆；通过顶落支点等措施，在拱顶按顺序进行拱肋合拢。

步骤五：拱肋合拢后，拆除支架、拱肋间临时连接；拆除支架吊机及塔吊；进行桥面槽碴槽板施工。本桥计划总工期32个月。

5 结束语

对于大跨桥梁结构，采用传统的单一结构形式难以满足结构跨度要求，所以必须采用组合结构，寻找组合结构的受力规律，才能更好地认识和利用该结构。本文比较了平行弦连续钢桁梁、变高弦连续钢桁梁、拱加劲连续钢桁梁3种结构方案，通过美观、造价、施工难易度、结构受力分析等技术比较，推荐采用拱加劲连续钢桁梁方案，介绍了该方案的设计要点、组合结构的受力规律、结构的刚度、材料用量及施工方案。

由于高速铁路对结构的刚度要求较高，所以梁体截面刚度很大，如拱肋截面刚度与系梁截面刚度的比值小于1/80～1/100时，拱肋可视为仅承受轴向压力的柔性拱。本桥拱肋刚度为主梁刚度的1/210，但因主梁为受弯构件，拱肋为受压构件，所以组合后整体刚度增加5倍。

本桥采用3×168 m等跨结构跨越黄河主河槽，对于一般连续结构，等跨布置受力极不合理，但通过增加拱肋后，大大增加了结构的刚度，使每孔结构的受力规律与简支结构类似。平行弦支点处负弯矩较大，上弦杆应力大，在支点处下弦增加加劲弦，可明显改善拱脚处的受力状况。

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Design of Arch Stiffening Continuous Steel Truss on Yinchuan-Xi’an High Speed Railway

MIAO Wenhui

(China Railway First Survey and Design Group Ltd., Xi’an 710043， China)

According to flood control evaluation report, the minimum span of Yinchuan Yellow River Bridge on Yinchuan-Xi’an high speed railway across the Yellow River main river channel shall be more than 160m. The design uses a 168m span continuous structure across the main river channel. This paper compares the merits and demerits of three designing schemes such as parallel chord continuous steel truss girder, truss high variability continuous steel truss girder and arch stiffening continuous steel trussfrom the aesthetics, cost, difficulty of construction, structural stress analysis and other factors, finally 3×168 m equal span stiffening chord continuous steel truss girder is recommended. Then the design point of the program, the forced law of composite structure, stiffness of the structure, the amount of material and construction programs are introduced. The results show that the bridge meets regulatory requirements of stiffness and strength in the construction and operation by adding the arch ribs. The bridge has a good dynamic characteristics, design and construction of similar bridges from reference.

Yellow River super major bridge；168 m continuous steel truss；arch stiffening steel truss；bridge type scheme

2016-01-04

缪文辉(1982-)，男，工程师。

1674—8247(2016)02—0080—05

U448.2

A