拱桥在我国铁路建设中的应用

严　翯

(武汉钢铁集团公司第三子弟中学, 湖北武汉 430080)



拱桥在我国铁路建设中的应用

严翯

(武汉钢铁集团公司第三子弟中学, 湖北武汉 430080)

【摘要】拱是一种自然结构形式，它总是令人赏心悦目而且清晰地表达出自身的功能。而拱桥曲线圆润，宛如垂虹卧波，富有动态感，极易融入环境且满足大众的审美习惯与需求。拱桥在中国早期铁路中较少应用，而常见于现代铁路桥梁中，较好地体现了现代中国桥梁人的审美与智慧。

【关键词】拱桥;桥面系;高速铁路

1铁路拱桥历史

拱桥作为一种古老的建筑，其发展历史悠久[1]。国内铁路拱桥的应用始于19世纪未20世纪初，如东清铁路(后改为东省铁路)及滇越铁路北段等，由于沿线盛产石料，1901年建成的东省铁路穆棱河桥是我国最早修建的铁路石拱桥之一。20世纪初，滇越铁路修建了石拱桥88座，占沿线桥梁总长的60 %左右，最大净跨15 m。中华人民共和国成立后，建国初期，由于钢材缺乏，曾修建石拱桥300多孔，1970年建成的成昆铁路老昌沟一线天石拱桥是当今世界上跨度最大的铁路石拱桥，外形具有民族传统的建筑结构形式，该桥孔跨54 m，全长63.14 m。

在19世纪90年代，我国开始生产水泥，混凝土的应用日益广泛。自1905年起，先后在多条铁路线上修建混凝土拱桥400多孔，跨度12～44 m。混凝土拱桥由于自重大圬工数量多，跨越能力小，没有石拱桥因地制宜就地取材的优点，所以发展受到限制。

随着材料性能的提高、以及计算机数字仿真技术的发展，使得桥梁设计手段更加先进[2]。在铁路建设过程中，钢筋混凝土拱桥、钢拱桥及钢混组合拱桥不断涌现，这种古老的结构形式得到了广泛应用。1966年建成的风沙二线永定河7号桥，桥式为150 m拼装式钢筋混凝土中承空腹拱肋桥。在本世纪初，中国近代铁路桥梁运用钢筋混凝土内包钢管劲性骨架的技术，来提高拱肋的承载能力，进而提高拱桥的跨度。这其中，有代表性的有2003年建成的赣龙铁路吊钟岩特大桥，主跨140 m；2008年建成的宜万线落步溪大桥，跨度178 m；2010年大瑞铁路澜沧江特大桥主桥跨度高达342 m。短短的50年间，在中国广大桥梁人的努力下，中国的桥梁包括拱桥设计发生了质的飞跃，已处于世界桥梁的领先地位，如在朔准铁路黄河特大桥主跨采用了主跨380m上承式钢管混凝土拱桥；宜万线万州长江大桥主跨168.7 m+360 m+168.7 m连续钢桁拱桥。南广铁路西江特大桥主跨采用了486 m中承式钢箱系杆拱桥。随着中国铁路的发展，我们有理由相信拱桥这种古老的桥型将会重新散发出新的活力。

2高速铁路拱桥

2.1受力特点

拱桥景观性强、结构高度低、刚度大，同时，施工可因地制宜选取支架拼装、拖拉、浮运、转体等方法，对高速铁路有很好的适应性。当前高速铁路桥梁中，最为常见的是拱式桥梁，该桥式中，通过桥面梁和吊杆传递荷载，转化为拱圈压力、并以拱圈受力为主，但是，由于拱肋的拱脚固结作用， 拱肋受吊杆力特别是在温度的影响，1/4拱肋处往往会向上变形，过渡到拱顶部分又会向下变形。拱肋的这种向上与向下的竖向变形，使得桥面梁产生上下变形，加上吊杆受拉伸长，使得桥面梁变形曲线呈现出多个半波形，这些变形都会影响高速行车。对于简支拱，活载作用下，梁端会产生较大竖向转角，进而影响高速列车行驶舒适性。

桥面梁主要承受桥面二期恒载、运营列车荷载等，在高速行车条件下，要求桥面梁有良好的整体受力性能和横向稳定性[3]。

2.2设计关注点

为满足高速铁路行车要求，在拱桥的设计中，需重点关注以下几个问题：

2.2.1结构体系的选择

简支拱桥是一种外部静定结构，受力明确，可以是单孔也可以是多孔，不需要边跨，相对具有较好的经济性，这种结构体系常常为高速铁路桥梁首选。但是要注意，对于较大跨度的简支拱桥，梁端竖向转角过大而不满足高速列车行车要求时，需采取特别措施进行处理。

如果跨度较大，可以选择刚架系杆拱桥。这种拱桥体系是将拱肋与桥墩刚性联结，拱肋的拱脚固结在墩顶形成刚架拱，带边跨的桥面梁中支点由墩顶拱脚处横梁支撑，用较少的边跨以减少简支拱桥梁端过大的竖向转角，以满足高速行车要求。

带边跨的中承式拱桥也可以满足高速铁路行车要求，不过这种结构体系边拱端部由于传递系杆水平力的需要而与桥面梁固结，加上边拱和中拱的拱脚固结在拱座基础，当跨度不够大时，会使结构体系因温度作用产生结构力和变形均较大，增加结构的处理难度。

当桥面较高时,上承式拱桥也会在高速铁路桥梁中采用。上承式拱桥可以带边拱也可以不带边拱，带边拱的上承式拱桥可以将桥面梁与边中拱肋固结，使得结构整体性更好。由此而设想，为了尽量减少修建高架桥接近100 m的高墩和基础，在上承式拱桥中，若地质条件较好，可以将上承式拱桥的桥面梁设计为三跨连续梁，中跨梁与拱肋顶部同长度范围结合，两端边跨梁拱分离，形成上承式梁拱结合桥。

现代大跨度拱桥的拱肋大多采用钢、钢混组合或劲性钢骨架钢筋混凝土截面，钢结构拱肋有钢箱和钢桁，钢混组合结构拱肋有单钢管混凝土、双钢管混凝土和多钢管混凝土。拱肋线型可以根据拱的受力情况选取，100 m以上跨度的拱桥拱肋，一般采用较小拱轴系数m值。吊杆可采用柔性成品吊杆或钢吊杆，柔性吊杆纤细美观，疲劳性能好；刚性吊杆能适度增大桥面横向强度，竖向变形也很少，而且，桥面承受偏载时，能提高桥面抗扭的能力，耐久性也强。

2.2.2刚度与变形

增加拱肋刚度的有效方法是加大拱肋截面高度和增大拱肋的矢跨比，拱肋矢跨比的选取与拱桥结构的受力方式有关，上承式拱桥的拱肋矢跨比一般比下承式拱桥的拱肋矢跨比要大，而拱肋截面高度与采用单一或桁式拱肋有关。

一般来说，拱肋为钢结构时，结构变形受温度影响比较大，钢箱截面拱肋尤为突出，设计中要充分考虑这一点。

在无砟轨道中，由于拱桥的拱肋布置在桥面梁外侧，使得横向固定、活动支座布置与相邻跨桥梁支座布置差距较大，不满足梁缝两侧钢轨支座处横向相对变位不得大于1 mm的要求。采取横桥向拱桥只设活动支座，在两线高速铁路间设置限制横向位移的剪力卡榫，以减少与相邻跨桥梁支座布置差距来满足轨道横向变形的要求。

2.2.3钢系梁拱桥桥面系

高速铁路尤其是无砟轨道桥面，由于桥面梁是直接承受二期恒载及列车活载，对桥面的整体性与竖向刚度要求更高，通常还要重视温度以及混凝土结构后期收缩、徐变引起的变形。不仅如此，由于高速铁路行车密度大，桥面系在保证耐久性的同时，后期的维护量要少，以保证运营的经济性。

对于钢系梁，可采用的桥面形式主要有如下：

(1)混凝土道碴板桥面结构。混凝土道碴板在钢桁梁桥面系上的设置方式有两种：一种是将混凝土道碴板简支在钢纵横梁上，此种桥面受力明确，但存在断缝处钢梁养护困难，整体性与动力性能相对而言差一些。另一种是将混凝土道碴板与钢桥面系的纵、横梁结合，不与主桁的弦杆结合。此种桥面部分参与主梁受力，但受力不是很明确，施工简单，整体与动力性能较好，有利于钢桥面系的保护，后期养护量少。

(2)混凝土板整体桥面结构。铁路混凝土板整体桥面结构中，混凝土板不仅起道碴槽板的作用，而且通过和主桁上弦杆或下弦杆结合，参与主桁受力。此种桥面受力复杂，节点处混凝土板易开裂，不利于养护，对横梁的受力影响较大，优点是增大了主梁的刚度。

(3)正交异性钢整体桥面结构。此种桥面提高了整体刚度，结构自重轻。为了传递纵向水平力，正交异性钢桥面结构必须与主桁弦杆的翼板焊接，可是，这种主要焊缝在现场焊接会影响焊接质量，主桁弦杆节点结构构造复杂。为保证桥面横梁的面外受力，可在节点处增设水平K撑，正交异性钢桥面结构不与主桁弦杆的翼板焊接，克服了与主桁弦杆连接焊接和构造的复杂性。该种桥面用钢量高，现场焊接工作量大。

(4)整体箱形桥面。此种桥面一般利用箱形桥面梁，通过在顶板设置剪力钉，铺设现浇混凝土桥面板。桥面整体刚度大。但拱脚处的受力复杂，梁拱连接处桥面构造困难。也可以采用不设置剪力钉和不铺设现浇混凝土的桥面板，直接在钢箱顶板铺设性能良好的防水层兼作防护层，可直接承受道砟的长期碾压。既减轻了恒载重又简化了施工，避免了结构构造受力的复杂问题。

3结束语

拱桥由于自身的受力特性，桥型景观性好，在中国现代高速铁路中有较多的应用案例。如在武广高铁桥梁中，就有 1孔80 m跨度下承式推力拱桥，为世界高速铁路首座下承式椭圆形钢箱混凝土推力拱桥，还有跨度分别为112 m、128 m、140 m系列下承式尼尔森体系钢管混凝土提篮拱桥，提篮式内倾提高了拱肋的稳定性，尼尔森体系吊杆与预应力混凝土箱形系梁，桥面整体性好，刚度大，能很好适应无砟轨道高速行车。沪杭高速铁路跨度88 m+160 m+88 m自锚上承式混凝土拱桥，采用支架现浇，水平转体就位的施工方法。该桥型充分发挥了拱肋、拱上梁、拱上立柱相互作用、共同受力的特性，具有结构刚度大、列车走行性优、抗风抗震性好、抗疲劳性能高的优点，有较高的技术含量。贵广、南广高速铁路东平水道特大桥创新采用双拱肋钢桁架拱桥，跨度为85 m+286 m+85 m。该桥式巧妙地结合既有的地物、地形现状，采用0.3的边中跨比，在国内桥面系设计中首次采用带水平K撑的正交异性板结构，妥善地解决桥面系结构纵向水平力传递积累的难题，确保了结构的横向稳定性能[4-5]。

上述拱桥从受力方式上看，有推力拱、无推力拱桥；从拱肋材料及桥面梁截面形式上看，有钢筋混凝土箱形、钢管混凝土哑铃型拱肋、加劲钢箱以及钢桁拱桥。从施工方法来看，有拖拉法、转体、支架现场拼装。这些拱桥的建成，为中国高速铁路添加了一道道亮丽的风景线。

参考文献

[1]魏乐永.拱式结构体系研究[D].上海：同济大学，2007.

[2]陈宝春.拱桥技术成就及展望[C]//第二届全国公路科技创新高层论坛论文集，2004.

[3]范立础.桥梁工程(上)[M].北京:人民交通出版社，2001.

[4]郑健.中国高速铁路桥梁[M].北京:高等教育出版社，2008.

[5]铁道部工程设计鉴定中心[C].中国铁路大桥资料选编，2011.

[作者简介]严翯(1999～)，学生。

【中图分类号】U442.5+4

【文献标志码】B

[定稿日期]2015-10-13