单线大跨度简支钢箱梁系杆拱设计研究

王伟民

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063）

1 工程概况

贵广南广铁路四线桥上跨桂丹路，与既有贵广南广铁路并行，线间距约为17 m。对于跨越城市道路的铁路桥梁，应尽量考虑景观协调。常用大跨连续梁或连续刚构由于梁高较高，影响城市美观，而拱桥跨度较大，且梁高较低，具有良好的适用性［1-5］。结合既有四线桥和现场地形情况，桥梁孔跨形式采用主跨160 m刚架系杆拱钢箱连续梁组合桥。线路标准等级为客货共线、单线、有砟轨道铁路；速度目标值为120 km/h；设计荷载为ZKH标准荷载；主桥位于直线、平坡线路上。

2 结构形式

主桥采用160 m下承式钢管拱肋钢箱梁系杆拱桥，全长164.4 m，计算跨径L=160 m，结构体系为简支系杆拱，拱梁固结［6］。墩顶横桥向设2个支座，采用简支梁支座体系。

2.1 主梁

系梁采用单箱三室钢箱梁，两边设风嘴构造，见图1。顶板采用复合不锈钢板，基层材料采用厚14 mm的Q345qD钢材，复层材料采用厚3 mm的不锈钢板，复合不锈钢板总公称厚度为17 mm。顶板中间按0.6 m间距布置6道8 mm厚V形加劲肋，两边按0.35 m间距布置16 mm厚I形加劲肋；箱梁底板厚14 mm，梁端一定范围内加厚至20mm，按0.35～0.40m间距布置14mm厚I形加劲肋。腹板主要设置在箱梁靠边位置，由2道腹板组成1个箱体。该箱体中心正对吊杆中心布置，腹板厚16 mm，拱脚处局部加厚至28 mm。风嘴厚8 mm。横隔板间距2.65～2.70 m，拱脚处适当加密。支点处横隔板厚24 mm，拱脚处横隔板厚20 mm，吊点处横隔板厚16 mm，其余位置横隔板厚14 mm。

图1 主梁截面（单位：cm）

2.2 拱肋

拱肋采用钢结构，设计矢高40.0 m，矢跨比为1/4，拱轴线采用m=1.15次悬链线。2榀拱肋横向中心距8.4 m。

拱肋采用等高度哑铃形截面，截面高3.9 m。钢管直径1.25 m，壁厚20 mm。腹腔宽1.0 m，腹腔钢板厚16 mm。钢管及腹腔内不灌注混凝土，轴力和弯矩均由钢结构承担。

2.3 吊杆

吊杆顺桥向间距8.0 m，横向吊杆间距8.4 m，采用顺桥向单吊杆体系，全桥共设17组吊杆，吊杆拉索型号为PES（FD）7⁃85。钢丝为抗拉强度1 670 MPa、直径7 mm的低松弛锌铝合金镀层钢丝，锚具采用与吊杆拉索型号匹配的LZM7⁃85型冷铸锚具。

2.4 系杆

钢箱梁内不设置体外索，钢箱梁作为系梁承担拱肋水平推力及自重产生的竖向荷载。

3 结构计算与分析

3.1 静力分析

采用MIDAS/Civil 2017建立有限元模型（图2），拱肋、主梁均采用梁单元，吊杆采用桁架单元，主梁与两侧拱肋在拱脚处刚性连接。考虑实际车道位置及荷载分布加载，设置简支双支座进行竖向支撑的模拟。

图2 结构计算模型

3.1.1 施工阶段受力分析

主桥采用平面转体施工方法［7］，先搭设支架，异位拼装钢箱梁系梁，安装拱肋及吊杆；然后拆除支架，开始进行平面转体；待平面转体至桥位后，铺设道砟及桥面设施并调整吊杆力。施工阶段主桥应力、内力和位移见表1。

表1 施工阶段应力、内力和位移

由表1可知，施工过程中主梁应力最大值为31.8 MPa，拱脚弯矩最大值为3 791 kN·m，钢管拱最大应力为-73.4 MPa，吊杆内力最大值为695 kN，转体支座反力为5 583 kN，成桥支座反力9 117 kN，成桥主梁竖向位移为30.0 mm（上拱），拱顶竖向位移为-64.0 mm（下挠）。

3.1.2 运营阶段受力分析

1）主梁。主梁计算分为第一体系和第二体系，对于疲劳应力幅，顶板第一体系及底板疲劳容许应力幅类别为Ⅰ类（母材），顶板第二体系检算位置为顶板与横隔板连接处，疲劳容许应力幅类别为Ⅸ类（横向角接焊缝）。钢箱梁应力检算结果见表2。可知，主梁应力满足相关规范［8］要求。

2）拱肋。拱肋为哑铃形空钢管，主力工况下拱肋全截面受压，最大压应力为106.6 MPa，最小压应力为14.7 MPa。主力+附加力工况下，最大压应力为144.1 MPa，最大拉应力为19.5 MPa，最大拉应力出现在拱脚。

3）吊杆。恒载作用下吊杆最大应力为214.0 MPa，主力+附加力工况下吊杆最大应力为351.3 MPa，安全系数K=4.75＞3.00。吊杆疲劳应力幅见表3。可知，吊杆疲劳应力幅最大值为151.5 MPa，容许值为200 MPa，满足要求。

表2 钢箱梁应力检算结果 MPa

表3 吊杆疲劳应力幅

3.1.3 梁体刚度分析

主梁竖向位移见表4。可知，在3种荷载组合作用下主梁挠跨比均满足要求。

ZKH静荷载作用下，梁端转角为+2.70×10-3，-2.10×10-3rad，满足不大于3×10-3rad的要求［9］。在列车横向摇摆力、风力的作用下，梁体最大横桥向水平位移18.7 mm＜40.0 mm（L/4 000）。主梁跨中成桥竖向位移为+30.0 mm（上拱），拱顶成桥竖向位移为-64.0 mm（下挠）。主梁在恒载作用下上拱，故不再设置预拱度。拱肋拱顶按恒载+1/2活载设置预拱度，由于活载作用下拱顶位移为-28.6 mm，因此需设置+80 mm预拱度。

3.2 动力分析

建立含基础的全桥空间模型，所有构件均采用梁单元进行模拟，桩基础采用m法模拟。根据动力学势能驻值原理及形成矩阵的“对号入座”法则，建立桥梁刚度、质量、阻尼等矩阵，对桥梁空间自振特性及车桥耦合动力响应进行分析［10-11］。前10阶自振频率见表5。

对该桥进行车-桥系统空间耦合振动分析，分别计算客车过桥和货车过桥时的车桥系统空间动力响应，其中客车采用CRH2客车，货车采用C80货车。在车桥动力仿真分析中，用脱轨系数（≤0.8）和轮重减载率（≤0.6）作为安全性指标，用Sperling指标作为乘坐舒适性指标（针对客车车辆）和平稳性指标（针对货车车辆）。列车乘坐舒适性和平稳性指标见表6。

表4 主梁竖向位移

表5 桥梁自振频率

表6 列车乘坐舒适性和平稳性指标

客车和货车过桥时动力响应最大值计算结果分别见表7和表8。由表7可知，当CRH2客车以120～200 km/h通过该桥时，所有计算工况下桥梁的动力响应均在容许值以内，列车竖向、横向振动加速度满足限值要求，行车安全性满足要求；当CRH2客车以120～160 km/h通过该桥时，其乘坐舒适性达到“良好”以上。由表8可知，当C80货车以80～140 km/h通过该桥时，所有计算工况下桥梁的动力响应均在容许值以内，列车竖向、横向振动加速度满足限值要求，行车安全性满足要求；当C80货车以80～120 km/h通过该桥时，其运行平稳性达到“良好”以上。

表7 客车过桥时动力响应最大值计算结果

表8 货车过桥时动力响应最大值计算结果

4 结论

1）对160 m简支钢箱梁系杆拱进行了静力和动力分析，其受力和变形均满足规范要求。

2）由于本线为单线铁路，采用空钢管拱肋能够满足受力要求，且施工更加方便。

3）通过计算可知该简支拱梁端转角虽满足规范要求，但其值较大，可将梁端桥面板内缩，引桥伸入拱桥范围内，从而减小梁端轨道结构竖向位移。