京沪高铁简支系杆拱创新设计与发展

吴孟畅， 文望青， 许三平

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司 中铁建大桥设计研究院，湖北 武汉 430063；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司 中国铁建股份有限公司桥梁工程实验室，湖北 武汉 430063）

1 概述

京沪高铁全长1 318 km，设计时速350 km，全线采用CRTSⅡ型板式无砟轨道，桥梁长度占比超过80%，是全世界一次建成里程最长的高速铁路。京沪高铁的建设支撑了我国大规模高速铁路快速发展，提升了铁路现代化水平，为推动我国科技进步作出重大贡献，取得了举世瞩目的成就［1-2］。

20 世纪90 年代初，尚处于可行性研究阶段的京沪高铁就创新性地提出简支系杆拱这一新型桥型，并开展了系统研究。钢管混凝土系杆拱桥是利用梁的受弯拉和拱的受压特点组成的组合结构［3-6］。其中，钢管混凝土拱肋作为主要受力构件，承载能力大、施工方便，拱脚较大的水平推力通过预应力混凝土系梁平衡；混凝土系梁除承担水平推力外，还作为桥面系承担桥面荷载；吊杆连接系梁和拱肋，起到传递荷载的作用。该桥型具有结构刚度大、跨越能力强、建筑高度低、景观效果好等优良特点，并成功应用于宣杭复线铁路东苕溪特大桥［7］。在此基础上，简支系杆拱桥被推广运用于京沪、武广、沪杭、宁杭等多条高速铁路桥梁建设中。

京沪高铁徐沪段途经黄河、淮河、长江三大流域、长三角城市群，沿线水系、路网发达。结合桥梁功能和景观需求等因素，京沪高铁徐沪段共设置21 处简支系杆拱桥，跨度分为96 m、112 m 和128 m，并采用了“先梁后拱”［8］和“先拱后梁”［9-10］2 种施工方法，取得了良好的社会和经济效益。

2 结构构造

京沪高铁徐沪段简支系杆拱设计活载为双线ZK，整体外部为静定结构、内部为高次超静定结构，采用交叉斜吊杆体系（即尼尔森体系）平行拱或提篮拱。该线路3种跨度的简支系杆拱主要结构尺寸见表1。

表1 京沪高铁简支系杆拱主要结构尺寸

以112 m跨度简支系杆拱为例，对其具体结构构造进行介绍，该跨度简支系杆拱桥立面布置示意见图1。

图1 京沪高铁112 m跨度简支系杆拱桥立面布置示意图

2.1 系梁

系梁采用单箱三室预应力混凝土箱梁，梁宽17.8 m、梁高2.5 m、底板厚30 cm，顶板厚30 cm、边腹板厚35 cm、中腹板厚30 cm。底板在3.0 m 范围上抬0.5 m，以减小风阻力。吊点处设横梁，横梁厚0.4～0.6 m。系梁纵向设70束12-7φ5 mm预应力筋；横向底板设3-7φ5 mm、4-7φ5 mm横向预应力筋，横隔板设4 束9-7φ5 mm预应力筋。系梁结构示意见图2。

图2 系梁结构示意图

在系梁两端底板设进人孔，各箱室均设检查孔，便于在箱内对吊杆等进行检查与换索；底板设截水槽、泄水孔；边腹板与中腹板上设通气孔。

2.2 拱肋

拱肋采用哑铃形钢管混凝土截面，截面高度h=3.0 m，沿程等高布置，钢管直径1 200 mm，由厚18 mm 的钢板卷制而成，每根拱肋2个钢管间用δ=16 mm的腹板连接。每隔一段距离，在圆形钢管内设加劲环、在2个腹板间焊接拉筋。拱肋结构示意见图3。

图3 拱肋结构示意图

2.3 吊杆

吊杆布置为尼尔森体系，在吊杆平面内，吊杆水平夹角52.10°～68.67°；横桥向水平夹角81°。吊杆间距8 m，2 个交叉吊杆间横向中心距341 mm。吊杆均采用127 根φ7 mm 高强低松弛镀锌平行钢丝束，冷铸镦头锚，索体采用PES（FD）低应力防腐索体，并外包不锈钢防护。

2.4 拱脚

拱脚顺桥向8.0 m 范围设成实体段，横桥向宽度由17.8 m增至18.8 m，截面渐变处设倒角或过渡段。实体段内设9-7φ5 mm横向预应力筋，分上下2排布置，分批张拉完成。拱脚混凝土分2 次现浇，现浇第1 次混凝土前，应将拱肋钢管、加劲钢材等安放到位；二期恒载施工完成后，浇筑第2次混凝土。

2.5 横撑

2 个拱肋间共设5 道横撑，拱顶处设X 型撑，拱顶至2个拱脚间设4道K型横撑。横撑由直径600、500和360 mm 圆形钢管组成，钢管内部不填混凝土，其外表面需作防腐处理。

3 关键技术参数选取

3.1 吊杆布置形式

按照吊杆布置形式，简支系杆拱桥分为竖直吊杆体系和尼尔森体系。竖直吊杆体系每榀拱肋的所有吊杆均布置于同一平面，结构简洁美观；尼尔森体系因吊杆交叉，每榀拱肋的吊杆在横桥向需排为2列，视觉上稍显凌乱。

通过建立全桥模型计算分析可知：

（1）在桥面均布荷载作用下，2个体系拱肋和系杆的轴力无明显变化，但拱肋弯矩差异较大。尼尔森体系拱肋最大弯矩约为竖直吊杆体系的32%，有利于拱肋设计。

（2）挠度影响线分析表明，尼尔森体系由于斜吊杆的存在，减小了结构的剪切变形，其竖向挠度沿纵桥向变化率均小于竖直吊杆体系。因此，仅通过吊杆布置形式即可提高桥梁的竖向刚度。

3.2 拱肋倾角

简支系杆拱桥按拱肋侧向倾角可分为平行拱和提篮拱。平行拱是最基本的形式，结构简单、施工简便。但宽跨比随跨度增大而减小，平行式梁拱组合体系的侧倾问题越来越突出。为提高梁拱组合体系的侧倾稳定性，将拱肋内倾，形成内倾式梁拱组合体系（即提篮拱）。相对于平行拱，提篮拱具有以下优点：

（1）横向稳定性好，能有效解决面外稳定问题；

（2）空间拱式结构，景观效果好。

3.3 矢跨比

矢跨比（f/L）又称矢度，用于表征拱的坦陡程度，其对拱桥内力、施工方法、景观效果均有很大影响。矢跨比越小，拱的水平推力越大，需要的系梁（杆）预应力越大；矢跨比越大，吊杆长度及拱肋弧长越大，同样会增加工程量，加大高空拱肋的施工难度。因此，选择合理的矢跨比对于简支系杆拱桥非常重要。

一般情况下，矢跨比<1/5 为坦拱桥，矢跨比≥1/5为陡拱桥。以112 m 跨度简支系杆拱为例，对3 种不同的矢跨比方案进行对比，其相关参数见表2。

表2 不同矢跨比简支系杆拱桥相关参数对比

当矢跨比取1/6 时，矢高18.7 m，拱肋高度低，拱脚水平推力较大，需要强大的系梁（杆）预应力，在无推力简支系杆拱桥中很少采用。矢跨比由1/4 减小至1/5 时，系梁轴力增大20%，预应力增加20%，单侧拱肋吊杆总长减小约20%，拱肋弧长缩短约8 m；相对于矢跨比取1/4，矢跨比取1/5 更节省材料。从美学角度考虑，矢跨比取1/5时曲线更流畅（见图4）。因此，我国铁路简支系杆拱桥矢跨比一般取1/5。

图4 不同矢跨比立面对比

3.4 拱轴线线形

对简支系杆拱，为充分发挥材料性能，拱轴线应尽可能接近压力线。将拱上恒载视为均匀分布，理论上合理拱轴线为悬链线。因此，简支系杆拱桥拱轴线大多采用悬链线。

为接近合理拱轴线，选择合适的悬链线系数m非常关键。目前，已建简支系杆拱桥m主要为1.0～1.7。以112 m 跨度简支系杆拱为例，对3 种不同悬链线系数方案进行对比，其相关参数见表3。

由表3可知，悬链线系数对拱肋轴力影响不大，主要影响拱肋弯矩。当m=1.561时，拱肋弯矩起伏较大，分布最不均匀。m=1.167和m=1.347时，计算结果总体较接近；局部而言，当m=1.347时，拱脚、距拱脚1/8、距拱脚3/8处等关键截面弯矩均小于m=1.167，拱顶弯矩相当。

表3 不同悬链线系数简支系杆拱桥相关参数对比

因此，铁路大跨度简支系杆拱桥拱轴线建议采用悬链线，悬链线系数m取1.347为宜。

4 施工方法

根据拱肋与系梁施工的先后顺序，简支系杆拱的2 种施工方法可分为“先梁后拱”和“先拱后梁”（见图5）。

图5 拱肋支架施工方法

4.1 “先梁后拱”

“先梁后拱”具有工艺成熟、安全可靠等优点，广泛应用于系杆拱施工。系梁在原位支架现浇，张拉第一阶段预应力，再利用系梁为平台进行拱肋施工。梁上拱肋施工分为支架拼装、卧拼加竖转和整体提升。如汉十铁路云安特大桥跨越311 国道140 m 系杆拱桥、京沪高铁跨越曹安公路96 m 系杆拱桥等，均采用“先梁后拱”的施工方法。

4.2 “先拱后梁”

采用“先拱后梁”一般是因为施工期间航道交通不能阻断，桥下无法搭设支架进行现浇施工时选用。具体施工步骤为：首先现浇拱座及系梁实体段混凝土，将拱座与桥墩临时固结，然后拱肋采用缆索吊装施工或大型浮吊整体吊装施工，在2个拱脚间张拉系杆索承受系梁施工期间拱脚水平力，再利用吊杆悬浇施工系梁。如东苕溪特大桥112 m系杆拱、商合杭铁路西苕溪左线特大桥96 m系杆拱等，均采用“先拱后梁”的施工方法。

4.3 优缺点分析

对于“先拱后梁”，其拱肋吊装相对复杂，系梁施工时没有满堂支架支撑，且施工中存在体系转换过程，施工风险较大，拱肋安装质量和系梁线型控制难以保证。当具备施工条件时，应优先选择“先梁后拱”的施工方法。

5 技术发展

5.1 相关规范发布

随着TB/T 3193—2016《铁路工程预应力筋用夹片式锚具、夹具和连接器》［11］、TB 10127—2020《铁路桥梁钢管混凝土结构设计规范》［12］、QCR 749.1—2020《铁路桥梁钢结构及构件保护涂装与涂料》［13］等规范相继发布，以钢管混凝土拱桥等组合结构的技术体系日趋完善。

5.2 结构优化设计

5.2.1 梁端开槽

高速铁路对轨道纵断面线形要求高，根据无砟轨道桥梁的相关规范，当梁端悬出长度≤0.75 m，静活载引起的梁端竖向转角≤1‰；当梁端悬出长度＞0.75 m，梁端竖向转角引起的位移≤1 mm［14-16］，必要时需对轨道应力进行验算。一般情况下，简支系杆拱梁端悬出长度≥1.6 m。为了适应无砟轨道行车要求，一般通过设置调节板解决桥面变形问题。如在武广高铁，在桥梁梁端设置轨道过渡板，过渡板沿线路纵向可自由伸缩，不可横向移动，过渡板支座中心线与梁部支座中心对应设置，从而保证梁端转动时过渡板位移量最小，提高了无砟轨道行车平顺性。

根据高速铁路运营实践可知，设置过渡板方案支座易出现病害，需重新更换支座，由于更换须在“天窗”时间进行，施工时间和空间十分有限，更换较困难。近年来，在商合杭、郑万等高速铁路项目施工中，为控制静活载作用下梁端竖向变形，改善钢轨受力，在简支系杆拱两端行车道范围内的系梁上，各设置1个深0.5 m、宽13 m的槽口，将相邻简支梁（梁宽12.6 m）嵌入其中，既满足拱座构造所需尺寸，又减小梁端悬出长度，使静活载引起的梁端竖向位移满足≤1 mm 要求，很好地解决了梁端转角导致的轨道不平顺问题。

5.2.2 拱肋倾角调整

合理的拱肋倾角能给系杆拱桥带来安全性、经济性和美观性。拱肋内倾可提高拱桥稳定性及车桥动力特性，但随着内倾角增加，不仅压缩了列车运行空间，系梁宽度增大还导致下部工程数量相应增加，且拱肋倾斜导致施工定位复杂、运梁通过困难，冬天可能发生冰棱自吊杆处掉落。因此，应结合具体工程综合比选确定合适的拱肋倾角。近年来，平行拱取代提篮拱逐渐成为趋势。提篮拱和平行拱的拱肋结构示意见图6。

图6 拱肋结构示意图

5.2.3 横撑形式优化

横撑形式与拱肋倾角密切相关，随着提篮拱被平行拱取代，横向稳定性有所下降。横撑形式也应由K 型横撑变为4 根钢管组成的一字撑。以112 m 跨度简支系杆拱为例，将横撑由K 型横撑改为一字撑后，虽然总用钢量由63.15 t 增加至94.50 t，用钢量增加49.6%，但经验公式下的横向弹性稳定系数由5.12 提高至6.37。

5.2.4 梁端进人孔优化

将进人孔设置于梁底时，有一段梁底步道挂于梁底下方，不仅影响桥下净空，且对系梁截面存在削弱效应。在最新设计中，将进人孔设置于梁端实体段中心处，可与两侧简支梁形成贯通的箱内检查通道（见图7）。局部分析表明，剔除端部预应力锚固区的失真结果，在进人孔靠近端部内壁处，有部分拉应力超过限值部分，虽然有约4 MPa拉应力，但不会破坏截面整体性能。借助拱脚主加附拱肋轴力应力云图可知（见图8），进人孔取1 m高时，其安全性较高。

图7 系梁端部透视图

图8 拱脚主加附拱肋轴力应力云图

5.3 桥型演变

简支梁系杆拱具有跨越能力强、经济性好、系梁截面小等优点，并且演变出一种新型梁拱组合结构形式，即在该结构两端各增加一孔常用跨度形成连续结构，被称为连续系杆拱或系杆拱连续梁。连续系杆拱桥具有受力明确、建筑高度低、桥式美观、维修养护方便、工程投资省等优点，在连徐铁路、杭温铁路、鲁南高速铁路及合新铁路等铁路桥梁工程中得到了成功应用。其中，连徐铁路东海特大桥（40+168+40）m连续系杆拱［17］是我国首座高速铁路连续系杆拱桥。

6 展望

铁路建设的快速发展促进了铁路桥梁结构的创新和进步，简支系杆拱结构桥梁自应用于京沪高铁以来，不断发展、迭代，形成了成熟可靠的桥梁结构体系和成套建造技术。未来，简支系杆拱结构的铁路桥梁必将进一步向着高强度、轻型、耐久、大跨方向发展，并具有更强的竞争力。

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