商合杭高铁淮河特大桥（112+224+112）m连续梁拱设计及关键技术研究

余艳霞

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

1 概述

连续梁拱组合桥将连续梁和拱2种结构体系有机结合在一起，二者共同协作将跨径范围内的荷载传递到支座上［1-3］。通过拱结构对主梁的加劲作用，可以有效控制主梁挠度，增加结构的刚度与承载力，从而使梁拱组合桥成为一种受力合理、外形美观的结构体系［2-3］。连续梁拱在温福铁路昆阳特大桥首次提出使用以来，由于其较大的跨越能力、较小的结构高度、优美的外形，且施工时对桥下道路、航道通行影响较小，成为高速铁路跨越高等级公路及航道的首选桥型之一［4］。

1.1 工程概况

淮河特大桥跨东淝河主桥位于安徽省淮南市，是商合杭高铁全线重点控制性工程之一，跨越的东淝河为规划引江济淮工程，限制性Ⅱ级航道，双向通航。根据通航标准及防洪评估，主桥采用1孔跨越，主跨224 m，采用连续梁拱组合结构，跨径组成为（112+224+112）m，全长449.5 m（含梁端至支座的距离0.75 m）。主桥桥式总体布置见图1。

图1 主桥桥式总体布置图

1.2 主要技术标准

淮河特大桥跨东淝河主桥主要技术指标见表1。

2 结构设计

2.1 主梁构造

2.1.1 纵向布置

主梁全长449.5 m（含梁端至支座距离0.75 m），跨中梁高5.5 m，中支点梁高14.5 m，梁底按1.6次抛物线变化。主梁共划分为99 个梁段，梁拱结合部0#梁段长25.0 m，中孔合龙梁段长3.0 m，边孔直线段梁段长8.3 m，其余梁段长3.0～4.5 m。主梁除0#梁段、边孔直线段在支架上施工外，其余梁段均采用挂蓝悬臂浇筑，挂篮包括模板重2 500 kN。

表1 主要技术指标

2.1.2 横向布置

主梁采用单箱双室变高度箱形截面，两边腹板为直腹板， 吊杆索采用箱外牛腿锚固形式。箱梁顶宽14.2 m，中支点处局部顶宽17.1 m；箱梁顶板厚0.42、0.64 m，中支点处局部顶板厚1.14 m，边支点处局部顶板厚0.92 m；箱梁底宽11.0 m，中支点处局部底宽14.4 m；底板厚度0.4～2.0 m，中支点处局部底板厚2.5 m，边支点处局部底板厚0.9 m。箱梁腹板厚0.4～1.0 m，中支点处局部腹板厚1.5、1.8 m，边支点处局部腹板厚0.7 m。主梁典型横截面见图2。

图2 主梁典型横截面布置

2.1.3 主梁隔板及吊杆横梁

箱梁共设5 道横隔板，边支点横隔板厚1.6 m，中支点横隔板厚5.0 m，中跨中横隔板厚0.4 m，各横隔板均设进人孔。

箱梁共设22 道吊点横梁，吊点横梁高1.8 m，横梁厚0.4 m。

2.1.4 主梁预应力体系

主梁设纵向、横向和竖向3向预应力。纵向预应力采用M15-19、M15-22、M15-31 规格的钢索，配套使用M15-19、M15-22、M15-31 型锚具，钢索管道采用内径φ100、120、130 mm金属波纹管成孔。

2.2 拱肋、横撑及吊杆

根据规范中1/3～1/7 的合理矢跨比要求［5-6］，本梁拱肋计算跨度L=224 m，设计矢高f=44.8 m，矢跨比f/L=1∶5，拱轴线采用二次抛物线，设计拱轴线方程为y=-1/280x2+0.8x。

拱肋为钢管混凝土结构，采用等高度哑铃形截面，截面高度3.8 m。拱肋弦管直径1.3 m，由δ=26、32 mm厚的钢板卷制而成，弦管之间用δ=20 mm 厚钢缀板连接，拱肋弦管及缀板内填充无收缩混凝土。两榀拱肋间横向中心距12.2 m。拱肋截面见图3。

图3 拱肋截面

两榀拱肋之间共设11 道横撑，横撑均采用空间桁架撑，各横撑由 4 根φ600×20 mm 主钢管和 32 根φ300×16 mm连接钢管组成，钢管内部不填混凝土。

吊杆顺桥向间距9 m，全桥共设22组双吊杆。吊杆采用PES（FD）7-61型低应力防腐平行钢丝束。

2.3 主要计算结果

2.3.1 主梁检算[7]

（1）主梁应力。梁部主要计算结果见表2。

表2 梁部主要计算结果 MPa

（2）变形计算结果。

①静活载变形。主梁最大竖向挠度：边跨为-18.9 mm，挠跨比为1/5 929；中跨为-40.3 mm，挠跨比为1/5 561；最大梁端转角0.804‰rad。

②主梁后期残余徐变值18.9 mm，小于限值L/5 000，计算结果均满足要求。

2.3.2 拱肋检算[8-10]

拱肋运营阶段应力结果见表3，拱肋强度、稳定性检算结果见表4。

表3 拱肋运营阶段应力结果 MPa

表4 拱肋强度、稳定性检算

2.3.3 吊杆检算

吊杆主力作用下最大应力为285 MPa，安全系数K=5.8；主力+附加力作用下最大应力为320 MPa，安全系数K=5.2。其最大应力幅为130 MPa，应力幅小于150 MPa，吊杆应力检算满足要求。

3 技术难点及关键点

3.1 主梁强度控制

连续梁拱主梁的强度，特别是1/4 跨附近的强度为控制设计关键，增加控制部位梁高是好的解决方法。经过试算可知，仅增加跨中梁高对1/4 跨部位的强度反而不利，增加支点梁高可以改善主梁强度。但是对于大跨度梁部来说，支点梁高加大，重力荷载占全部设计荷载的绝大部分，不经济也没有必要。在支点和跨中梁高相对经济合理的情况下，设计考虑调整梁底曲线线型增加主梁局部梁高的方案。本梁在保持支点梁高及跨中梁高不变的情况下，底板采用不同的曲线线型。主梁1/4跨附近梁高汇总见表5。

表5 不同线型梁高汇总 cm

由表5 可知，梁底采用圆曲线和2 次抛物线梁高差别不大，采用低次抛物线可以有效改善局部梁高，本梁1/4 跨附近的梁高采用1.6 次抛物线比圆曲线增高了75.4 cm，局部梁高改善效果明显，可有效解决主梁1/4跨附近位置强度不足的情况。

3.2 梁端转角控制

本梁为高速铁路无砟轨道桥梁，梁端转角的控制是设计关键点。通过调整主梁支点梁高、跨中梁高、边跨长度调整梁端转角，转角对比见表6。

由表6可知，减小边跨长度和增加跨中梁高能有效减小梁端转角，而仅调整支点梁高对梁端转角改善很小。根据桥址布置情况，本梁边跨跨度采用112 m，最大梁端转角为0.80‰rad。

表6 调整主梁支点梁高等梁端转角对比

3.3 不平衡弯矩及支点负反力控制

本桥边跨112 m，中跨224 m，边中跨比0.5，中跨比边跨多2个悬浇梁段，并且中跨拱肋吊杆处设吊杆横梁，主梁施工中产生较大的不平衡弯矩及负反力。对不平衡弯矩及支点负反力的控制是本梁的设计关键点。

对不平衡弯矩采用临时固结措施抵抗，一般可采用墩顶临时固结、在墩旁设置临时支架或临时墩等形式。本设计采用在中墩承台上沿横桥向布置6 个直径2.4 m的钢管混凝土柱（见图4）。

图4 临时固结支墩平面

施工过程支点负反力可采用梁端临时压重或者在边跨对称配重的方式控制（见图5、图6）。

2种方案均可行，应注意不同施工方案主梁变形的差别，并由于边跨对称压重过程烦琐，本设计采用在边跨合龙时梁端压重的方式解决负反力。

3.4 主梁后期残余徐变控制

图5 1/2主梁梁端压重示意图

图6 1/2主梁对称配重示意图

预应力混凝土大跨桥梁结构，除了结构竖向刚度以外，后期残余徐变值也直接影响梁上轨面的平整度，对高速行车的安全性和乘坐舒适性不利，必须加以严格控制。本梁边跨跨中下挠，中跨跨中上拱，经试算比较（见表7），在保证主梁、拱肋及吊杆等受力合理的情况下，减小拱肋刚度、减小吊杆力及减小中跨跨中底板短索是控制中跨跨中上拱的有效方法。本设计通过合理调整吊杆力及预应力钢束布置，有效控制了主梁残余徐变，本设计理论计算残余徐变拱度值［11-13］：边跨-11.5 mm，中跨18.9 mm，满足设计要求。

表7 计算比较结果 mm

3.5 特大吨位预应力体系

主梁纵向预应力索最大规格为31-φ15.20 mm，最大张力达5 640 kN。由于纵向预应力钢束型号较大，钢束锚固时局部应力及锯齿块抗剪能力的验算及其对结构尺寸和预应力配索的影响是本梁设计的难点和关键点，通过合理调整预应力钢束纵横向布置、局部调整主梁结构尺寸、增大锯齿块纵横向尺寸及配筋等方法，解决钢束型号较大的问题。

3.6 支座选型及防落梁设施设置

本梁采用球形支座，各支点沿横向设3个支座，边支点支座吨位10 000 kN，中支点支座吨位145 000 kN，每个支点横向仅1个支座抵抗横向水平力。因此，应研究支座的水平承载力以控制支座选型。本梁支座水平承载力见表8。

表8 支座水平承载力

由表8可知，支座承受的设计水平承载力达到其设计竖向承载力的26%，按常规支座选型不适合，应增大水平承载力。

关于防落梁的设置，由于支座设计水平力和竖向力均较大、支座尺寸较大、主梁横向位置有限，无法设置常规防落梁设施。本梁设计时将支座进行特殊设计，使得支座同时兼有支座及防落梁的功能。

3.7 拱脚局部应力

对于连续梁拱结构，拱脚是将拱桥上部结构荷载传递到基础的重要传力构件，其受力性能对桥梁整体承载能力和跨越能力非常重要［14-17］。本桥拱脚位置0#块体积庞大，构造复杂，受力复杂。设计采用Ansys 进行局部应力分析，指导结构尺寸及纵、横向预应力钢束布置等。经过局部应力分析可知：拱角之间桥面板附近、横隔板过人洞上下区域、中腹板支座附近等区域的横向拉应力相对较大。在考虑设置纵向、横向预应力共同作用下，0#块箱梁顺桥向应力介于-18.0～2.0 MPa；横桥向正应力介于-4.76～2.0 MPa；竖向最大拉应力不超过2.0 MPa。第一主应力低于2.0 MPa，第三主应力介于-18.0～2.0 MPa，各项指标均满足要求。0#块顺桥向、横桥向、竖向正应力云图见图7—图9。

图7 0#块顺桥向正应力云图

图8 0#块横桥向正应力云图

图9 0#块竖向正应力云图

4 结束语

连续梁拱组合桥作为一种新型的组合结构，克服了常规拱桥对地基要求高的缺点，并通过采用拱肋加劲，梁拱共同受力的结构形式，更好地解决了大跨连续梁桥徐变变形过大、难以满足高速铁路刚度要求的缺点，能极好地适应高速铁路刚度及平顺性要求。该桥采用连续梁体系，克服刚构体系温度应力过大的缺点，特别适合桥墩高度较矮刚构体系难以适应的情况。224 m的主跨跨度是目前建成的时速350 km无砟轨道连续梁体系拱桥中的最大跨度，可为同类工程提供借鉴和参考。