大跨度铁路连续钢桁拱桥设计研究

闫岩

中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043

1 工程概况

新建西成铁路（西宁—成都）是设计时速200 km的双线客货共线铁路。尖扎黄河特大桥是西成铁路的重难点工程，位于青海省黄南藏族自治州尖扎县，于亚曲滩村附近跨越黄河。

桥梁正交跨越公伯峡水库，桥位处水面宽约350 m，最大水深约30 m。桥梁穿越了黄河尖扎段特有鱼类国家级水产种质资源保护区，环境保护要求高。桥址区干旱，冰冻期长，温差变化大，雨量集中。极端最高气温40.3 ℃，极端最低气温-20.0 ℃。年平均风速1.6 m/s，定时最大风速16.0 m/s。

2 桥式方案选择

桥址区位于黄河河谷平原区，地形起伏较大。岸边地层主要为泥岩夹砂岩，存在严重的水库坍岸问题。结合本桥366 m 的主跨及桥址地形条件，拟定了混合梁斜拉桥和连续钢桁拱桥两种方案。

对于混合梁斜拉桥方案，桥梁基础、桥塔及边跨混凝土方量大，桥塔冬季施工困难，而且生态环境部要求4—8月禁止夜间施工，对需要连续作业的混凝土工程的施工组织及工期影响较大，大方量混凝土的浇筑对黄河水资源和稀有鱼类影响也较大。钢箱梁需采用整体节段施工。斜拉桥两岸为基本农田，不宜设置存梁场地和现场焊接车间，需从大里程侧修运输通道至岸边，设置临时码头，采用船舶运输。若运输小节段钢箱梁，现场拼接焊缝太多，焊接质量不易保证；若运输大节段钢箱梁，钢箱梁运输通道设置困难，大型临时工程量较钢桁拱方案大。

连续钢桁拱桥方案虽然总造价略高于混合梁斜拉桥方案，但景观效果较好，对环境影响较小，施工周期较短，上部结构质量小，对抗震有利。

综合考虑施工难度、景观效果、工程造价等，采用连续钢桁拱结构一跨跨越黄河。

3 钢桁拱形式比选

3.1 主桁结构形式

桁架桥梁有P 式、K 式、W 式等多种桁架结构形式，不同形式对桁架结构总体受力和刚度影响不明显，仅对部分杆件的局部受力（如杆端次弯矩）有较大影响。选择桥跨结构桁式时通常以杆件布置能使结构更紧凑或满足景观特定要求为目的［1-2］。较短的竖直腹杆承受压力，较长的斜腹杆承受拉力，有利于桁拱的受力，对结构的经济性有益。故本桥主桁采用P式，其中斜腹杆均布置于桁架节点的钝角处，保证斜腹杆端部更靠近节点中心，以减小节点构造的轮廓尺寸。

3.2 节间长度

节间长度的变化不仅影响主桁结构及桥面系受力，还会对桁式布置及美观性有一定影响。节间长度过小，弦杆杆端将产生较大次弯矩，使杆件断面承受较大次应力；增加节间长度可以减小弦杆截面高度与节间长度的比值，降低次应力，但节间过长会增加杆件重量。

若拱脚附近斜腹杆和竖直腹杆的夹角过小，节点布置困难。为保证夹角在30°以上，且节间种类不宜过多，从跨度及节间长度取整考虑，本桥最终选择12 m和15 m相结合的节间长度。

3.3 拱顶桁高

拱顶桁高的选择不仅要满足受力要求，同时要考虑全桥整体架构的和谐。拱顶桁高由成桥以后运营状态产生的内力决定，过高会增加腹杆，特别是斜腹杆的自由长度，不利于受压杆件的稳定。钢桁拱桥的拱顶桁高与跨度之比大约在1/45～ 1/26。钢桁拱桥的拱顶桁高对节点板设置及桁架协调性也有一定影响。

不同拱顶桁高下连续钢桁拱桥的受力性能和用钢量对比见表1。

表1 不同拱顶桁高下连续钢桁拱桥受力和用钢量对比

由表1可知：①从受力方面来讲，受拱顶桁高影响最大的是拱顶弦杆弯矩。拱顶桁高越大，拱顶弦杆弯矩越小。拱顶桁高每增加2 m，拱顶弦杆弯矩下降25%～ 30%，而弦杆轴力变化很小。②拱顶桁高越大，活载作用下钢桁拱挠跨比越小，腹杆及横联杆件的长度越长，因此用钢量略有增加。综合考虑受力和用钢量，最终拱顶桁高取10 m。

3.4 加劲弦高度

连续钢桁拱桥中主墩支点桁高，往往由施工过程中，特别是悬臂拼装架设时产生的最大内力来控制。支点桁高与跨度之比在1/8～ 1/5。

合理的支点桁高能够减小钢桁拱受力和桥墩的高度，且钢桁拱桥的景观效果更突出。支点桁高在50 m 左右时，若主梁系杆从拱肋下弦第二个节点穿过，则加劲弦高度为14.94 m。该高度不能满足结构受力要求，桥面以上的加劲弦高度较高，杆件间夹角也小于30°，节点设置较困难，如图1（a）所示。加劲弦高度较低，会使桥墩高度相应增高，加大基础工程量，拱肋整体造型美观性较差，过长的杆件运输也十分困难。若主梁系杆从拱肋下弦第三个节点穿过，节点设置相对容易，墩高较矮，美观性较好。综合考虑后，主梁系杆从拱肋下弦第三个节点通过，加劲弦高度为28.59 m，如图1（b）所示。

图1 加劲弦高度对比（单位：cm）

3.5 矢跨比

连续钢桁拱桥的矢高对结构受力的合理性、吊杆长度及桥梁竖向、横向刚度均有较大影响。我国铁路连续钢桁拱桥的矢跨比一般在1/4.8～1/3.6［3］。

减小连续钢桁拱桥的矢跨比会增加系梁用钢量。矢跨比过大会导致拱圈部分用钢量和吊杆长度增加，对拱桥的抗倾覆性及抗震性能均有一定影响，也不利于施工阶段拱顶全回转吊机工作。

主跨长366 m，矢高分别取85、90、95、100、105 m。不同矢跨比下连续钢桁拱桥受力、变形和用钢量对比见表2。可知：矢高从105 m 降至85 m，主力作用下拱肋下弦杆轴力增大14%，活载作用下竖向位移增大6%，风荷载作用下主梁横向位移减小28%，自振周期减小14%。矢跨比的变化对全桥用钢量影响较小，矢高95 m时用钢量最少。

表2 不同矢跨比下连续钢桁拱桥受力、变形和用钢量对比

不同矢跨比下连续钢桁拱桥受力、变形和用钢量的变化规律不一致，不能根据单一指标确定矢跨比，故将各指标归一化后再对比。不同参数归一化值随矢跨比变化曲线见图2。

图2 不同参数归一化值随矢跨比变化曲线

由图2 可知：桥梁结构发挥最优效率的矢跨比介于1/3.85～1/3.66；从用钢量来看，矢跨比为1/3.85 时用钢量最小。从桥梁结构发挥最优效率和减小用钢量方面考虑，最终选定矢跨比为1/3.85。

4 边跨设计

4.1 边跨长度

主桥边跨长度与受力和刚度要求、经济性、施工难度有关。边跨长度小可以减小主桥长，节省工程造价，且梁端转角和边跨横向、竖向刚度均有所改善，但中跨受力增大，边墩支座可能出现负反力且增加施工难度［4-5］。因此合理的边跨长度是在满足受力和施工要求的前提下，使边墩支座不出现负反力。国内已建成的钢桁拱桥边中跨长度比在0.3～ 0.5。中跨长366 m，边跨长度分别取117、129、141、153 m。不同边跨长度下连续钢桁拱桥受力、变形和用钢量对比见表3。

表3 不同边跨长度下连续钢桁拱桥受力、变形和用钢量对比

由表3可知：随着边跨长度的增加，梁端转角和全桥用钢量逐渐增大，因此边跨长度宜尽量减小；边跨长度117 m 时，施工阶段边墩单支座反力达到了-19 214 kN，且主力作用下单支座反力过小，需要更多压重才能维持整个结构的平衡，难度较大。综合考虑受力、变形、施工难度和用钢量，本桥边跨长度取141 m。

4.2 边跨桁高

边跨桁高主要影响梁端转角及竖向刚度。根据客货共线铁路限界及本桥横向联结系的布置，选取14、15、16 m 三种桁高进行计算。结果见表4。可知：随着边跨桁高增加，梁端转角和边跨竖向挠跨比减小，但全桥用钢量稍有增加。综合考虑，本桥边跨桁高取15 m。

表4 不同边跨桁高下连续钢桁拱桥变形和用钢量对比

5 桥面结构形式选择

大跨度铁路钢桥桥面结构主要有钢混结合桥面和正交异性钢桥面两种。根据桥面系与主桁是否共同作用，钢混结合桥面结构分为不结合、半结合和全结合三种。不结合桥面结构又可细分为纵横梁体系和密布横梁体系［6-7］。半结合或者全结合时混凝土桥面板拉应力大，材料性能没有充分发挥，故不考虑。

钢混结合桥面纵横梁体系中，纵梁参与桥面系共同作用的程度较高，纵横梁横弯对桥面系影响较大，需设置伸缩纵梁释放共同作用力，桥面整体性较差。钢混结合桥面密布横梁体系下需要增大系杆截面，桥面增高，用钢量增大。

采用钢混结合桥面（不结合）时结构简单，受力明确，但整体刚度较弱，桥梁行车动力性能较差。与采用正交异性钢桥面相比，虽然减小了桥面用钢量，但增大了结构自重，使得全桥杆件特别是系杆用钢量大幅增加，性价比较低。

与采用钢混结合桥面（不结合）相比，采用正交异性钢桥面可以有效减轻恒载重量，从而减轻大跨钢桁梁杆件恒载内力。正交异性钢桥面板与主桁结合，形成板桁组合结构，参与纵向受力，还可减小系杆或下弦杆的尺寸。采用正交异性钢桥面时结构整体刚度大，且便于施工和后期维护。综合考虑受力、用钢量、维护等，采用正交异性钢桥面。

6 施工压重

该桥桥下Ⅵ级通航，最大水深30 m，故在水中设置临时辅助墩施工难度很大，需采用悬臂拼装辅以斜拉扣挂法施工［8-9］。施工时需要压重，提出两种压重方式：①边跨压重。边跨采用临时支墩架设完成后，悬臂拼装主跨的拱肋及桥面，待拼装至一定节间后，在主墩桁架顶部设置临时辅助塔架及斜拉索拉住悬臂端及边跨端，在边跨压重后继续拼装剩余节间，直至合龙。②地锚压重。同样采用上述拼装方式，但斜拉索不拉在边跨，而是拉在主桥两侧地锚上，以平衡主桥悬臂部分自重，保证施工过程中桥梁的稳定性及安全性。

若采用边跨压重，需在边跨压34 280 kN 的压块，此时总抗倾覆力矩约为5.4 × 106kN·m，大于1.3 倍倾覆力矩，满足TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》要求。若采用地锚压重，需要压重40 890 kN 才可平衡结构的倾覆力矩。

本桥两岸地质条件较差，地锚若采用锚桩，桩身设置长度较长；若采用重力锚，重力锚所需的混凝土方量较边跨压块大，施工成本高。综合考虑后，采用边跨压重的方式。

7 主桥结构设计

主桥采用（141+366+141）m 连续钢桁拱桥，线间距5 m，铺设有砟轨道［10］。立面布置见图3。纵桥向成都侧主墩设固定支座，西宁侧主墩设活动支座。

图3 尖扎黄河特大桥主桥立面布置（单位：m）

主桥采用两片桁架，桁宽14 m。主桥两侧边跨长96 m，采用平行桁架，桁高15 m。主跨为变高度桁架拱，拱顶至拱趾高95 m，矢跨比1/3.85，拱肋桁架上下弦拱轴线采用不同矢高的二次抛物线，上弦拱轴线与边跨上弦杆采用半径300 m 圆曲线匀顺过渡，主墩中支点处桁高50.3 m（包含下加劲弦高度），中跨跨中拱顶桁高10.0 m。主墩中支点处设置高29 m 的下加劲弦，加劲弦增加了主墩支点处主梁桁高，改善了结构受力，同时与钢桁拱拱肋下弦匀顺过渡，连接为整体，使整体结构简洁美观，刚劲有力。

主桁在中支点处边跨侧45 m 和中跨侧75 m 范围内节间长度均为15 m，其余节间长度均为12 m。在拱肋下弦与桥面相交点设置刚性系杆，以承受拱肋产生的水平推力。主桁采用整体式节点，全桥受力较大的拱肋杆件和部分系杆采用Q420qE钢板（图4中加黑部分），其余均采用Q370qE钢板。

图4 1/2拱肋立面布置示意（单位：m）

主桁杆件采用箱形截面，截面内宽1 m。腹杆分为H 形和箱形。箱形腹杆、受力较大的H 形腹杆与主桁杆件均对拼连接；受力较小的H 形腹杆与主桁杆件采用内插式连接。系杆采用箱形截面。全桥吊杆采用刚性吊杆，八边形截面。吊杆与拱肋下弦、系梁均对拼连接。全桥共设置23 对吊杆，吊杆最长64 m，最短9 m。吊杆四边切角处焊接圆弧形抗风导流板。主桁杆件及吊杆截面如图5所示。

图5 主桁杆件及吊杆截面示意（单位：mm）

桥面采用与下弦杆和系梁焊接的正交异性钢桥面板，如图6 所示。桥面板宽10.6 m，横向设置坡率2%的人字坡。桥面板的顶板采用（16+3）mm 的复合钢板，轨道下方设置板厚8 mm的U形加劲肋。在人行道下方设置板式加劲肋。桥面板纵向每隔3.0 m 设置一道倒T形横梁。

图6 正交异性钢桥面板构造示意（单位：mm）

平面联结系呈X 形和一字形布置。大部分杆件采用工字形截面，桥面以上两个节间内的拱肋下平联杆件采用箱形截面。拱肋及加劲弦每个节间均设X形横向联结系，边跨平弦部分每两个节间设双交叉横向联结系，以增强结构的横向刚度。横向联结杆件均采用工字形截面。

8 结论

从主桁桁式、节间长度、拱顶桁高、加劲弦高度、桥面结构形式、边跨长度、施工压重等方面对连续钢桁拱桥的受力和变形进行了分析，并对桥梁的结构构造进行了设计。主要结论如下：

1）连续钢桁拱桥主桁桁式采用P 式，拱顶桁高10 m，采用12 m 和15 m 相结合的节间长度，主梁系杆从拱肋下弦第三个节点通过，加劲弦高度28.59 m，矢跨比1/3.85，采用正交异性钢桥面时，结构受力合理、整体刚度大且美观经济。

2）在满足梁端转角限值的情况下，边跨长度取141 m能够节省施工压重。

该大桥于2022年6月完成施工图设计，2022年12月开工建设，预计2026 年8 月竣工。本文确定的结构参数和构造设计为工程建设奠定了基础。