高速铁路矮墩大跨连续刚构拱桥设计研究

延力强

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300142)



高速铁路矮墩大跨连续刚构拱桥设计研究

延力强

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142)

摘要:商合杭高速铁路跨越亳州涡河、阜阳颍河等多处特殊工点，需要选择一种跨度较大，而墩高较矮的桥式，根据铁路桥梁既有的设计成果，对连续刚构、V形墩连续刚构及连续刚构拱桥3种方案分别进行研究，从适用、经济、受力性能、轨道长波不平顺等方面，对3种方案的轨道长短波不平顺性进行对比分析，最终确定(88+168+88) m连续刚构拱桥方案为最佳方案。通过对连续刚构拱桥梁高、刚壁墩间距、刚壁墩壁厚、拱肋截面等结构尺寸的计算调整，使结构的受力得到了很大的改善，并且使长短波不平顺值满足规范要求，成功地实现了矮墩大跨连续刚构拱桥在高速铁路桥梁设计中的运用。

关键词:V形墩;连续刚构;连续刚构拱桥;铁路桥;高速铁路

1　概述

在商合杭高速铁路桥梁设计中，为了跨越亳州涡河、阜阳颍河等多处特殊工点，需要一种跨越能力大，效果美观且经济性较好的桥式。受铁路纵断面的影响，桥墩墩高较矮，墩高最小值仅为16.5 m，而为了满足通航的需要，桥梁的主跨达到了168 m。

若采用连续梁拱桥加劲或者刚构连续梁等桥型方案，结构的温度跨长较大，钢轨会受到较大的应力，需要设置钢轨伸缩调节器，而这几处工点均位于平面曲线上，根据规范的要求不能设置钢轨伸缩调节器。为了减小桥梁结构的温度跨长并且降低造价，将本桥桥式拟定为连续刚构体系，结合目前国内铁路桥梁的设计成果，选取了(96+168+96) m连续刚构、(88+168+ 88) m V形墩连续刚构及(88+168+88) m连续刚构拱桥3种方案作为比选方案。

2　结构方案研究

连续刚构桥桥式简单，受力明确，施工也比较方便; V形墩连续刚构可减小结构计算跨度，有效地降低结构建筑高度，且V形墩线形流畅，景观效果比较好;连续刚构拱桥，梁体自重主要由连续刚构承受，二期恒载与活载由拱肋及主梁共同承受，与常规的连续刚构相比，由于拱肋的存在，可将结构跨中的荷载传递至墩顶，主梁跨中及支点处的弯矩有较大幅度的降低，因此主梁的截面尺寸与自重均相应减小，充分发挥了梁、拱的受力优越性，具有整体刚度性能优越，竖向刚度大等优点。

3　结构方案比选

本桥由于桥梁高度较矮，对于墩梁固结的结构体系，除刚壁墩受混凝土收缩徐变及温度力影响，附加纵向弯矩、剪力较大，结构受力不利外，温度引起的轨道长波不平顺更为控制，因此，方案比选时重点分析由温度变化产生的长波不平顺值。

计算过程中，主梁及桥墩混凝土结构整体升温按25℃计，整体降温按－25℃计;拱肋混凝土整体升温按30℃计，整体降温按－25℃计;钢管拱肋、横撑及吊杆整体升温按41.5℃计，整体降温按－41.5℃计。顶板日照温差按10℃计。对各种温度工况进行组合包络，计算长波不平顺值。

3.1连续刚构桥方案

本方案采用(96+168+96) m预应力混凝土双薄壁墩连续刚构，梁体为单箱单室变截面箱梁，中支点附近梁高11.6 m，中跨跨中和边支点附近梁高6 m，按二次抛物线变化。箱梁顶板宽11.6 m，底板宽7.8 m。顶板厚度为55 cm，底板厚度按二次抛物线由50 cm变化至110 cm，腹板厚度由50 cm变化至120 cm。梁体在端部、跨中和主墩处共设置了7道横隔板，梁端横隔板厚度1.6 m，跨中横隔板厚度1.0 m，刚臂墩墩顶处横隔板厚度1.5 m。

采用midas civil软件建立(96+168+96) m连续刚构的空间模型，单元156个，节点162个，空间模型如图1所示。

图1　连续刚构空间模型

经计算，若采用(96+168+96) m连续刚构，轨道长波不平顺即150 m范围内轨道变形最大高差达到了33.5 mm，远远超过了高速铁路无砟轨道长波不平顺不超过10 mm的限制，由此可见连续刚构桥刚壁墩墩高较矮，适应变形的能力较差。

3.2(88.9+168+88.9) m V形墩连续刚构方案

本方案主梁采用单箱单室变高箱形截面，桥面宽12.6 m，箱宽7 m，箱梁梁高变化采用2次抛物线，V撑三角区内梁高10 m，跨中合龙段及边跨现浇段处梁高5 m。箱梁腹板厚度按50～110 cm直线变化;箱梁底板厚度由根部的150 cm渐变到跨中的50 cm;顶板厚度均采用45 cm。V撑全高21 m，采用板式截面，尺寸为7.0 m×2.4 m，轴线与竖直面夹角35°，V撑与箱梁相交处以圆曲线过渡。

箱梁墩梁节点共设横隔板4道，每道厚2.5 m，中跨跨中设横隔板1道，厚0.4 m，边跨支点设横隔板1道，厚2.0 m。方案如图2所示。

图2　V形墩连续刚构立面(单位:cm)

V形墩连续刚构空间模型共有单元164个，节点171个，空间模型如图3所示。

由计算结果可知，若采用(88.9+168+88.9) m V形连续刚构，轨道长波不平顺即150 m范围内轨道变形最大高差达到了48.1 mm，远远超过了高速铁路无砟轨道长波不平顺要求限值的要求，由此可见V形连续刚构比双壁墩连续刚构适应变形的能力差，该方案不能满足要求。

图3　V形墩连续刚构空间模型

3.3 (88+168+88) m连续刚构拱桥方案

3.3.1模型的建立

本方案采用单箱双室变高截面形式，桥面宽17.8 m，箱宽14.4 m，箱梁梁高变化采用2次抛物线，墩梁固结处梁高10 m，跨中合龙段及边跨现浇段处梁高4.5 m。箱梁腹板厚度按50～150 cm直线变化;箱梁底板厚度变化采用了2次抛物线，由根部的150 cm渐变到跨中的50 cm;顶板厚度均采用45 cm。主梁采用C55混凝土。

双薄壁墩墩中心间距8 m，墩高16.5 m，单肢墩为板形实心截面，壁厚2 m，横桥向16.8 m。

钢管混凝土拱拱轴线方程采用二次抛物线形式，横桥向采用两片等高拱加劲，拱肋采用哑铃形钢管混凝土，拱肋截面高3.0 m，拱管Φ1.2 m。拱肋中心距15 m。钢管拱矢高34 m，矢跨比为1/5。拱管内灌注C55补偿收缩混凝土。

吊索采用平行钢丝束PES(FD) 7－151，抗拉强度标准值为1670 MPa，全桥共设23对吊索。为了保证拱肋的横向刚度和稳定性，拱肋间横向联结系采用密布一字形横撑，全桥横撑共11道。横撑采用Φ1.2 m、全高1.8 m的圆端形截面，壁厚20 mm。全桥共设4道K形撑，K形撑的斜撑采用Φ0.9 m的圆形钢管截面。

方案立面及横断面如图4～图6所示。

图4　连续刚构拱桥立面(单位:cm)

图5　墩梁固结处横断面(单位:cm)

连续刚构拱桥结合方案空间模型共有单元449个，节点345个，空间模型如图7所示。

3.3.2结构优化

针对连续刚构拱桥的主梁截面尺寸、墩的截面尺寸、拱肋的截面尺寸等不同方案进行了比选，现列出主要比选过程。

(1)主梁梁高比选

参照已建成铁路连续刚构拱桥的设计经验，中支点高跨比大部分在1/13～1/20，本桥参照类似跨度桥梁确定了3种梁高方案，中支点梁高分别为12、11 m 和10 m，合龙段处梁高对应中支点梁高分别调整为6、5、4.5 m，梁底曲线均采用2次抛物线过渡。

各方案的比较结果如表1～表3所示。对于各方案应力、抗裂、强度验算结果，仅列出主力+附加力作用下的结果。

图6　主跨跨中合龙段处横断面(单位:cm)

图7　连续刚构拱桥空间模型

表1　各方案梁高对比

表2　主力+附加力工况主要计算结果　MPa

表3　各方案轨道长、短波不平顺值　mm

由表1～表3可知:各方案计算的刚度、应力情况均满足规范要求，随着梁高截面的减小主梁的压应力逐渐增大，150 m范围内长波不平顺以及10 m范围内短波不平顺最大高差显著降低，方案3的长波不平顺指标最好。本桥为高墩大跨结构，减小上部结构质量，对桥梁抗震也是有利的，同时可以节约工程量，降低投资，综合考虑以上因素，选取方案3作为推荐方案。方案3主+附工况主梁上、下缘应力图如图8、图9所示。

图8　主+附主梁上缘应力图

图9　主+附主梁下缘应力图

(2)刚壁墩间距比较

随着隧道的掘进，0#和1#承台Y向位移先增加后减小。0#承台4个角点Y向位移最大约为0.17 mm。1#承台的4个角点Y向位移最大约为0.15 mm。

选取双薄壁间距4、8、13 m三种工况作为比较对象，通过优化的薄壁墩间距达到降低轨道长、短波不平顺值的目的。各方案计算情况如表4所示。

表4　各方案轨道长、短波不平顺值

由表4可知:随着双薄壁墩间距的加大，对本桥比较控制的长波不平顺数值减小，但是按照以往设计的相类似结构，双薄壁的间距一般为1/25～1/20L(L为主跨长度)，所以双薄壁墩间距取为8 m。

(3)刚壁墩壁厚比较

选取双薄壁壁厚1.8、2、2.2 m 3种工况作为比较对象，挑选最优的双薄壁墩壁厚满足轨道长波、短波不平顺限值的要求。采用Midas Civil建立不同双薄壁墩壁厚的3个模型，各方案情况如表5所示。

表5　各方案轨道长、短波不平顺值

由表5可知:随着双薄壁墩墩壁厚度的加大，对本桥比较控制的长短波不平顺数值增大，考虑到墩壁厚度比较小时，混凝土主压应力会比较大，刚壁墩的厚度取为2 m。

(4)拱肋尺寸优化

表6　各方案轨道长、短波不平顺值

由表6可知，随着拱肋高度的加大，刚构拱的整体刚度加大，150 m范围内长波不平顺及10 m范围内短波不平顺最大高差逐渐减小，考虑到拱肋的加工难度，拱肋高度取为3.0 m。

3.3.3全桥稳定计算

全桥稳定计算情况如表7所示。

表7　梁体自振特性

连续刚构拱桥的第一阶模态弹性稳定特征值为8.98，满足规范中弹性稳定特征值不应小于4～5的要求。

4　结论

(1)通过优化梁体截面尺寸、双薄壁墩间距、拱肋截面等方面，合理地改善了高速铁路(88+168+88) m连续刚构拱桥的受力状态。

(2)高速铁路桥梁墩高较矮而跨度又较大时，由于线路平面线形控制，需要采用连续刚构体系桥梁时，连续刚构桥、V形墩连续刚构桥两种结构，很难满足规范中长、短波不平顺性的要求，而连续刚构拱桥方案通过合理的优化，可有效地解决这一难题。

(3)本桥连续刚构拱桥的刚度、长、短波不平顺值、应力情况等均满足规范要求。其中主梁上、下缘应力最大差值为8 MPa，小于0.4倍的主梁混凝土轴心抗拉强度。

参考文献:

［1］陈宝春.钢管混凝土拱桥［M］.2版.北京:人民交通出版社，2007.

［2］王君，杨振伟，王高彦.高速铁路大跨钢管混凝土提篮式拱桥施工监控［J］.桥梁建设，2011(6):82-88.

［3］孙树礼.京沪高速铁路桥梁工程［J］.铁道标准设计，2008(6):1-4.

［4］陈宏.先拱后梁法钢管混凝土系杆拱桥设计［J］.城市道桥与防洪，2004(4):54-56.

［5］张谢东，曹鹏，许精文.尼尔森体系系杆拱桥结构分析［J］.桥梁建设，2009(6):23-26.

［6］赵志军.高速铁路先拱后梁法提篮拱桥设计研究［J］.铁道工程学报，2013(12):41-45.

［7］郑健.中国高速铁路桥梁［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［8］桂业昆，邱式中.桥梁施工专项技术手册［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［9］君兰，项海帆.大跨度桥梁施工控制［M］.北京:人民交通出版社，2000.

［10］王召祜.客运专线桥梁设计研究［J］.铁道标准设计，2005 (4):26-31.

［11］牛远志.京石客运专线重点桥渡设计综述［J］.铁道标准设计，2015(5):90-93.

［12］赵亮.城际铁路大跨度连续梁拱组合桥设计［J］.铁道标准设计，2013(4):45-50.

The Application Research on Short-pier-long-span Continuous Rigid Frame Arch Bridge in High-speed Railway

YAN Li-qiang
(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

Abstract:In the design of Shangqiu-Hefei-Hangzhou high speed railway bridge，the long span and short pier bridge has to be employed to cross over Bozhou Wo River，Fuyang Yinghe River and other special worksites.With reference to the practices in railway bridge design，the three schemes of continuous rigid frame，V-shaped pier continuous rigid frame and continuous rigid frame arch bridge are studied in perspectives of applicability，economy，power performance，long wave track irregularity，and(88+168+ 88) m continuous rigid frame bridge is finalized as the most suitable type of bridge based on the comparison of the long and short wave irregularity of the three schemes.Through optimization calculation of the height of continuous rigid frame arch bridge，the distance between rigid wall piers，the thickness of rigid wall and the arc rib size，its structural bearing capacity is much improved，which satisfies the requirements for long and short wave irregularities and makes it applicable to high-speed railway.

Key words:V-shaped pier; Continuous rigid frame; Continuous rigid frame arch bridge; Railway bridge; High speed railway

作者简介:延力强(1982—)，男，工程师，2009年毕业于兰州交通大学桥梁工程专业，工学硕士，E-mail:649308952@ qq.com。

收稿日期:2015-07-17;修回日期:2015-08-16

文章编号:1004-2954(2016) 03-0056-05

中图分类号:U442.5

文献标识码:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.013