重载铁路中承式大跨钢管混凝土提篮拱桥关键技术研究

徐洪权

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 概述

1.1 工程概况

浩吉铁路于晋陕交界的禹门口地区以桥梁方式跨越黄河，是全线的重难点和控制性工程。桥位河道顺直，河床平坦.基岩裸露，无边滩，河道与线位正交。河道底宽90 m，上口宽150 m，陕西侧岸坡较为平坦，上覆新黄土，山西侧岸坡较为陡峭，基岩出露，岸边高出河底50 m。桥址位于山陕高原，累年平均气温11.4 ℃，累年极端最高气温42.5 ℃，累年极端最低气温-19.9 ℃，累年最大风速26 m/s。地震动峰值加速度0.15g(Ⅶ度)，Ⅰ类场地，Ⅱ区，反应谱特征周期为0.30 s。

防洪要求一跨跨越黄河，不得破坏边坡和影响行洪。桥位处四级航道。两岸均有道路，其中龙虎公路立交净空8.5 m×4.5 m，其为重要运煤通道，异常繁忙，交管部门不允许断道施工。山西侧岸坡陡峭，存在局部滑动风险，施工条件极差，且施工开挖会影响河道行洪和公路通行。综合考虑防洪.通航.立交.地质.环保等要求，对斜腿刚构.悬索桥和拱桥等桥式方案开展技术经济比选[1]，并考虑重载铁路荷载特点[2-4].地形地貌.线路条件等外部条件和桥梁设计.施工.运维.养修等技术和经济等方面因素，设计采用1-202 m中承桁式钢管混凝土提篮拱桥，如图1所示。

图1 中承式拱桥方案布置概图(单位：m)

1.2 关键技术研究概况

中承式钢管混凝土拱桥[5]特别适用于山区峡谷地形，本桥首次将大跨中承式钢管混凝土提篮拱桥应用于重载铁路，荷载重.地震烈度较高，温差较大，设计风速较大，非常有必要对桥梁在铁路工程应用中所关注的刚度.强度.疲劳.稳定性.舒适性及动力性能等热点问题进行深入研究，使桥梁既满足使用功能，又具有技术创新性，并达到桥梁结构与建筑艺术的完美结合，为该结构应用提供技术依据，为我国在重载铁路上应用大跨度桥梁的设计.施工积累经验和翔实的技术资料，推进铁路桥梁科技进步。

2 中承式拱肋关键技术研究

2.1 拱肋跨度研究[5]

由线路纵断面和地质钻孔(图1)可知，桥梁两侧分别接路堑和隧道，桥长在260 m左右，考虑峡谷地形稳定坡脚线.通航等对基础埋深和跨度的影响，确定拱跨在170～220 m，结合合适吊杆间距及其设置，分别选用拱跨184.202 m和210 m的中承式拱桥，对比分析见表1。

表1 拱跨综合对比

从桥梁长度与两侧相接的路基.隧道的适应性，拱跨布置的对称性与设计和施工制造难度，边跨布置合理性与结构受力特性，拱座与地形地质适应性等技术和经济方面综合比选，选择202 m拱跨方案。

2.2 拱肋设计参数研究[6-8]

拱轴线形的选取对拱桥受力性能影响较大，为充分发挥钢管混凝土的材料性能，拱轴线应接近压力线，由于重载铁路荷载的特殊性，选取悬链线作为拱轴线。结合统计资料和计算分析，确定钢管混凝土拱肋采用矢跨比为1/4，拱轴系数m=1.6的悬链线。

钢管和混凝土的材料强度高，随着拱肋跨径增大.宽跨比减小，横向稳定问题愈发突出。提篮拱可加强结构整体横向稳定性，增强美学效果和抗震性能，但同时也会增大施工难度.降低拱肋的面内极限承载力。通过对拱肋内倾0°.3°和6°(分别对应拱脚中心距17.2.18.6 m和20.2 m)的分析，可知内倾3°的自振基频比内倾0°提高了10%，内倾6°比内倾0°提高了31%。从工程量基本稳定，提高结构横向稳定性和拱肋结构线性美观出发，本桥拱肋采用内倾6°的方案。

钢管混凝土拱肋截面分为实体式和桁式。实体拱肋构造简单.施工简便，适用于较小跨径。桁式拱肋能够采用较小的钢管直径取得较大的纵横向抗弯刚度，是大跨径钢管混凝土拱桥的合理截面形式。根据国内外拱桥设计经验和试算分析，选择钢管混凝土桁式拱肋，对拱肋钢管直径分别为800.900 mm和1 000 mm进行对比分析，综合考虑技术经济性和施工便利性，选择900 mm管径的等宽变高的钢管桁式拱肋(图2)。

图2 钢管混凝土拱肋截面(单位：mm)

同时参照已建桥梁和相关资料，拱肋自振基频需满足1/(0.011L)的要求，分析确定桥面以上拱肋间设置6道“K”形空间桁式撑，桥面以下拱脚间设置2道“X”形空间桁式撑。

经过计算分析，研究确定的拱肋方案用钢量为13.88 t/延米，混凝土为6.7 m3/延米，拱肋四分跨竖向挠跨比为1/2 006，自振基频0.475 Hz，桥台最小支反力453 kN，主附工况下拱肋钢管最大应力182 MPa(下弦拱顶)，钢纤维混凝土最大拉应力4.0 MPa(上弦拱脚)，施工工期145 d。该方案具有拱肋通透性好，造型美观.耐久性好，施工便利.便于维养等优点。

3 桥面系及桥跨布置研究

3.1 桥面系结构形式研究[9]

(1)正交异性钢桥面板

正交异性钢桥面板主要由面板以及与其焊接的横梁.纵肋构成，横梁主要为横隔板，纵肋主要为U形结构，三者互为垂直，焊接成整体而共同作用。正交异性钢桥面板不仅是桥面板，还是主梁截面的重要组成部分，它既是纵肋.横肋的共同上翼缘，也是主梁的上翼缘，故其结构行为十分复杂，在纵向和横向的结构性能和受力行为不同，受到多频次循环荷载，尤其是重型车辆的通行带动面板.纵肋和横肋产生面外变形，在焊接连接约束处产生较大的次弯曲应力集中，易引发疲劳裂纹。本线为重载铁路，荷载重.列车冲击频次高，结构疲劳问题尤为突出，对于直接承受列车荷载的桥面板，必须选择疲劳性能良好的结构体系，而正交异性钢桥面板的疲劳问题还有许多问题需要解决，不宜作为本桥桥面板。

(2)钢-混结合梁桥面板

钢-混结合梁桥面板是指通过抗剪连接件将钢纵.横梁与混凝土桥面板连接成整体，实现共同受力的梁体受弯结构，焊接栓钉连接件是常用的抗剪连接件，设计理论相对成熟，应用时间相对较长。国内外诸多学者开展了模型试验和理论研究，基本解决了结合梁内力分配.剪切变形.剪力滞及滑移效应.承载力等难题，推动了钢-混结合梁的工程应用。桥面采用钢-混结合梁，能有效降低结构自重和桥面系建筑高度。施工时可先吊装钢纵横梁节段，然后以钢纵横梁为平台，安装预制混凝土桥面板，现浇纵横湿接缝，保证了桥面板施工质量，减小混凝土收缩徐变影响，且节段吊重显著减小也降低对吊装机具的要求。

综上，桥面系推荐钢-混结合梁形式。

3.2 钢-混结合梁结构形式研究

钢-混结合梁主要有以横梁受力为主的密横梁体系和纵横结合的主纵梁体系两种。小跨径拱桥多采用纵铺桥面板，即以横梁受力为主，其受力明确，施工方便，但整体性较差，抗风险能力也较差，在中.下承式拱桥中，一旦吊杆破坏，桥面板极易落入河中，造成严重事故。对本桥主纵梁和密横梁的结合梁桥面系进行了对比研究(表2)。

表2 主纵梁与密横梁的结合梁桥面系对比

通过计算分析可知，主纵梁体系竖.横向刚度均较大，利于重载铁路拱桥在二期恒载和活载较大时行车安全性和平稳性，且用钢量省，桥面板混凝土应力水平较低，故推荐双主纵梁的钢-混结合梁桥面系。

3.3 桥跨布置研究

对于桥面连续钢-混结合梁，其支承跨度布置将直接影响到桥面系.拱肋.支座等结构受力。在保持吊杆间距和桥面系长度一致的基础上，研究了将次边支点设置在拱座上方的框架边墩的边墩方案和取消拱座上方边墩设置在拱肋相交处上弦支墩的支墩方案。通过计算分析，桥面系支承跨度的布置影响排序为各处支座的支承反力.桥面系和拱肋，结构刚度影响较小。支墩方案桥台支点出现负反力，而边墩方案则有最少452 kN的支反力储备，可保证最不利工况下支座受压。目前，解决负反力影响的措施大致有桥面系压重.梁端预顶位移.设置柔性拉力体系等，但这些措施要么增加混凝土方量，要么施工过程较为复杂，施工控制困难，要么需要进行特殊结构设计，后期维养工作量大，更换困难。故推荐拱座上方设置框架墩支承的边墩方案，其桥跨布置为(15.0+9.0+13.5+17×9.0+13.5+9.0+15.0)m。

3.4 抗震.降温效拱梁体系研究

为了降低高震区和大温差对无铰拱.长联梁的不利效应[10-12]，经设计研究，本桥采用拱梁分离体系，即拱梁间设置支座。晋.陕侧拱座边墩上分别设置纵向固定和活动的支座，且后者增设4组液体黏滞阻尼器，两墩共同分担纵向地震力。桥面结合梁非震时可自由变形，显著降低了大温差的拱梁相互作用，且结合梁自重较轻，可显著降低梁部结构产生的地震力，罕遇地震工况下桥墩仍可保持线弹性工作状态，抗震性能良好。

4 超高疲劳性能吊杆体系研究

4.1 吊杆结构受力计算方法研究

吊杆作为桥面系结构的弹性支点，与刚性支承的支座不同，列车运行时，吊杆处桥面位移相对较大，拱梁共同分担列车荷载。弹性支点不能简单地将两支点间距作为计算跨度，需进行单位力加载，求得各吊杆影响线的加载长度(图3)，进而准确求得吊杆检算的动力系数[13-14]。

图3 D8吊杆活载影响线

综合考虑累计百分率和安全性等因素，研究确定活载影响线加载长度：端吊杆取相邻拱上横梁与相邻2倍吊杆间距较为合适，即13.5 m+2×9.0 m=31.5 m；其他吊杆取左右两侧各相邻2倍吊杆间距较为合适，即2×9.0 m+2×9.0 m=36.0 m。

由于重载铁路活载大引起吊杆疲劳应力幅值高，鉴于铁路桥梁用吊杆的疲劳强度一般为200 MPa(冷铸墩头锚)或250 MPa(整束挤压钢绞线)，为了降低疲劳应力幅，需要增大吊杆规格，从而加大强度安全系数，需要取得结构的强度安全和疲劳安全的最佳平衡点。计算分析表明：

(1)吊杆强度安全系数取4时，吊杆的疲劳应力幅在183.6～220.1 MPa，结构在重载铁路列车荷载作用下，非常不安全；

(2)吊杆强度安全系数取5时，吊杆的疲劳应力幅在185.5～195.5 MPa，满足疲劳受力要求。

4.2 吊杆设置方案及锚固体系研究

4.2.1 吊杆设置方案研究

(1)吊杆横断面布置研究[15]

本桥为内倾6°的提篮拱，若吊杆采用传统竖置，桁拱将承担较大的面外扭矩，引起拱肋吊杆处局部扭转和疲劳破坏，故在桥面吊杆处设悬挑横梁，使吊杆倾斜角度与拱肋保持一致(图4)。

图4 全桥局部横断面及吊杆横断面

(2)双吊杆方案研究

为了克服吊杆疲劳安全储备不足和更换的困难，结合单吊杆换索构造，充分考虑景观.施工及维养等，每个吊点设置2根吊杆，形成双吊杆体系，进一步增大吊杆和结构的整体安全性。

①横向双吊杆方案：由于拱肋间横向空间狭窄，仅有1.1 m，布置2根吊杆，制造困难，张拉施工空间受限，且计算表明吊杆上.下锚固端的总体等效应力均较大，超过500 MPa，会引起局部塑性变形，应力重分布，进而可能产生疲劳裂纹，影响结构安全。

②纵向双吊杆方案：该方案极大地改善了吊杆上.下锚固端的施工.维养.检修空间，也有效降低了锚固构造的应力集中程度，吊杆上.下锚固端的局部最大等效应力小于250 MPa。

综上，选择纵向双吊杆方案(图5)。

图5 纵向双吊杆示意(拱肋)(单位：mm)

4.2.2 吊杆锚固体系研究

重载铁路荷载重，活载占比大.冲击频繁，对吊杆锚固体系的疲劳强度和疲劳寿命提出了相当高的要求，需要开展疲劳设计。本桥吊杆应力在138～340 MPa(即0.074fptk～0.183fptk)，采用高强度安全系数双吊杆体系，有效降低了吊杆疲劳应力幅，但吊杆的最小应力水平小于0.1fptk，具有低应力水平超高疲劳应力幅的特点。

目前我国铁路拱桥吊杆最大疲劳应力幅大多在100 MPa左右，而本桥接近200 MPa，吊杆疲劳问题突出。疲劳破坏属于脆性破坏，具有突发性和不可预见性，故需要选择容许疲劳应力幅较大的吊杆锚固体系。目前，平行钢丝束容许疲劳强度为200 MPa，采用墩头锚，低应力水平时钢丝束不能充分拉紧，锚固效率保障率低，可能引起部分钢丝发生疲劳断丝等危及桥梁结构和行车安全，且冷铸墩头锚尺寸较大。整束挤压钢绞线的疲劳强度一般在250 MPa，且吊杆索体和两端锚头尺寸较小，减小了拱肋锚梁狭小空间构造设计的难度，增大了结构可靠性，施工.检查和维养操作空间得以保障。

端吊杆拱肋锚固端设置在上弦，但长度也仅有13 m，短吊杆的附加应力和疲劳问题在工程中是个需要重视的问题，故研究确定吊杆拱肋张拉端采用球型螺母，桥面系悬挑横梁固定端采用销接叉耳构造(图6)。为了增加吊杆的安全系数，设计过程中国内首次提出低应力水平超高容许疲劳应力幅300 MPa，使用寿命为50年的要求。

图6 吊杆构造示意

5 施工方案及线形控制研究

5.1 施工方案研究

按照施工过程中拱结构的主要受力和成拱原理，可以分为支架法.劲性骨架法.悬臂施工法.转体法.缆索吊挂法和大节段吊装法等[5]。

本桥中等跨度桁架拱，拱肋高度小.腹杆长度较短，跨越黄河处施工场地受限，不便于采用支架法.劲性骨架法.悬臂施工法和转体法。

以结构外形简洁美观.制安方便，尽量减少现场焊接作业的原则，钢管拱和桥面系钢梁均采用大节段制造和安装。钢管拱采用缆索吊装.斜拉扣挂法，桥面系钢梁采用缆索吊拼，并充分结合地形采用缆塔和扣塔一体塔架和岩锚(图7)。

图7 施工方案示意(单位：高程以m计，其余cm)

根据施工方案确定缆索吊最大吊重1 200 kN。拱肋采用单榀吊装，缆索吊可横向移动，以适应提篮式拱肋在拱脚与跨中拱顶不同的横向位置，更好地发挥其承载能力。钢管拱吊装节段最大长度20 m.最大吊重760 kN，钢梁吊装节段最大吊重1 100 kN。

5.2 线形控制技术研究

目前主要有：正装分析法.倒拆分析法和无应力状态等3种线形控制计算方法[16-17]。

根据结构计算成果，确定线形控制要求为：钢管拱悬拼线形与钢管拱一次成拱线形相吻合；在考虑桥面系所引起的拱肋变形基础上，钢纵横梁每个吊装节段均不设预拱度。

5.2.1 钢管拱线形控制研究[18-19]

(1)线形控制思路和方法

为满足线形控制要求，需要确定悬拼过程中拱肋扣点预抬高值以及扣索的初索力及在各阶段中的索力。设计中采用斜拉桥施工中的无应力状态法，索力一次张拉到位，拆除扣索之后便是设计线形。以最大悬臂状态作为拱桥施工过程的中间目标状态，利用Midas未知荷载系数法对拱桥最大悬臂状态进行索力优化分析，以最大悬臂状态端点水平位移控制在0.000 5 m，转角控制在0.000 5 rad范围内为位移约束条件，通过索力影响矩阵，进而得出最大悬臂状态各索索力，作为倒拆计算的开始，并求得正装计算的无应力索长。

(2)计算结果误差分析

通过倒拆和正装计算，可以得到拆除扣索后各控制点的最终挠度值，将此挠度值与一次成拱挠度值进行对比(图8)。可以看出最大误差仅为1.348 mm，满足工程精度要求。

图8 分段拼装和一次成拱拱肋挠度对比

5.2.2 桥面系线形控制研究

(1)线形控制思路和方法

在确定合理成桥索力时，一般方法有刚性支承连续梁法.零位移法.弯曲能量最小法等，本文对支承连续梁法进行改进，即考虑桥面系恒载所引起的拱肋变形。

(2)计算结果误差分析

设计中采用支承连续梁法计算得到恒载作用下的吊杆初始索力和考虑拱肋变形的有应力索长，进而得到无应力索长再进行正装验算，最终得到成桥状态桥面系控制点挠度(图9)。

图9 桥面系控制点成桥挠度

由图可知，此方法进行桥面系施工控制，控制点最大挠度<1.5 mm，发生在桥面系跨中位置，成桥时桥面总体平顺。

6 全桥动力仿真分析

本桥造型新颖.结构复杂，为保证列车行驶安全性和舒适性，需要研究车辆荷载下的桥梁振动特性[20]。通过建立车-线-桥空间耦合振动分析模型，对全桥开展动力仿真分析，结论如下。

(1)在C80型货车以速度60～90 km/h通过和CRH2型客车以速度80～140 km/h通过，主梁跨中.拱顶及1/4拱圈处的竖向和横向振动位移均较小；主梁跨中.拱顶及1/4拱圈处的竖向和横向振动加速度均小于规范规定的限值，说明桥梁的振动性能良好。

(2)在C80型货车以速度60～90 km/h.CRH2型客车以速度80～140 km/h通过时，车辆的脱轨系数.轮重减载率.轮轨横向力等安全性指标均在限值以内，列车行车安全。

(3)在C80型货车以速度60～90 km/h.CRH2型客车以速度80～140 km/h通过时，重车(动车)与空车(拖车)竖向和横向平稳性均达到“优良”。

综上，本桥在C80货车以速度60～90 km/h.CRH2动车组以速度80～140 km/h通行时，行车安全性和运行平稳性满足要求，动力性能符合要求。

7 研究结论

首次将大跨中承式钢管混凝土提篮拱桥应用于双线重载铁路，研究解决了重载铁路活载大.结构疲劳应力幅值高.施工难度大.无缝线路受力和多跨连续钢混结合梁桥面计算复杂等关键技术难题。

(1)研究采用吊杆与拱肋同平面布置的提篮式四肢空腹桁架式钢管拱肋，吊杆锚固构造简单，两榀拱肋间距小，钢管拱结构构造紧凑，拱肋内空间利用效率高，且结构刚度大，便于制造和安装，景观效果好，经济合理，施工技术成熟。

(2)研究采用拱梁分离的半漂浮结构体系有效释放了拱梁之间因不同步变形引起的温度次应力，改善了拱梁结构受力，满足了无缝线路受力要求，抗震性能良好。

(3)研究采用300 MPa超高疲劳应力幅的整束挤压钢绞线的纵向双吊杆及其锚固系统，满足了重载铁路拱桥吊杆疲劳强度要求，便于换索且很好地适应了拱梁间纵向变形。

(4)钢管拱和桥面系钢纵横梁均采用大节段制造和安装技术，减少了现场焊接作业

(5)拱肋无应力状态法和考虑拱肋变形的桥面系线形控制技术指导了施工，保证了成桥线形。

(6)车-线-桥耦合振动仿真分析表明，本桥行车安全性.运行平稳性和动力性能满足要求。