高速鐵路低高度系桿拱橋設(shè)計(jì)研究

王俊杰

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

為了降低橋梁結(jié)構(gòu)高度，可采用的橋梁類型主要有系桿拱橋、槽型梁、斜拉橋等結(jié)構(gòu)形式。本文研究的工點(diǎn)位于北戴河站附近，對(duì)于景觀要求較高。槽型梁與系桿拱橋相比，外形美學(xué)效果略差。斜拉橋景觀效果略好，但是在相同跨度、相同梁高的情況下，剛度低于系桿拱橋，無(wú)法滿足高速鐵路的剛度要求。經(jīng)過(guò)分析，選用系桿拱橋的結(jié)構(gòu)形式較為合理。

系桿拱橋是由拱、系桿、吊桿和橋面系梁等協(xié)同工作的組合結(jié)構(gòu)體系組成，以系桿承受拱腳的水平椎力為主要特征，是一種具有良好發(fā)展前景的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)形式。與其他的橋型比較，系桿拱橋具有跨越能力大、建筑高度小、美觀經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在已建高速鐵路、軌道交通、公路等方面均得到了廣泛應(yīng)用。特別是當(dāng)高架線路斜交跨越城市干道、高速公路等需要橋梁跨度較大、梁部結(jié)構(gòu)建筑高度要求較小時(shí)，采用該橋型具有較大的優(yōu)勢(shì)。

本文根據(jù)津秦客運(yùn)專線跨越戴河的實(shí)際需要，選用高度低于常規(guī)設(shè)計(jì)的系桿拱進(jìn)行研究，對(duì)高速鐵路中跨度較大但是梁高較低的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，對(duì)高速鐵路的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有益的補(bǔ)充。

1 工程概況

1.1 工程概況

津秦客運(yùn)專線為連接?xùn)|北、華北的重要通道，聯(lián)通了京滬高速鐵路與秦沈客運(yùn)專線，沿線經(jīng)過(guò)天津、唐山、秦皇島等城市。設(shè)計(jì)主要標(biāo)準(zhǔn)為ZK活載，時(shí)速350 km的無(wú)砟軌道。

津秦客運(yùn)專線在北戴河站在既有京秦鐵路車站基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，跨越戴河時(shí)既有線采用半穿式鋼桁梁，軌底至梁底僅有1.25 m，津秦客運(yùn)專線防洪評(píng)價(jià)要求采用2孔56 m的結(jié)構(gòu)跨越戴河，梁底受戴河設(shè)計(jì)水位的控制，為了保障新舊車站的站坪高度盡量一致，要求戴河橋橋梁結(jié)構(gòu)高度不大于1.4 m。

1.2 橋式方案設(shè)計(jì)

根據(jù)綜合比選，采用簡(jiǎn)支系桿拱橋，考慮防洪評(píng)價(jià)要求，確定采用2孔56 m系桿拱橋，如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖(cm)

2 荷載標(biāo)準(zhǔn)

活載采用ZK活載；二期恒載按113 kN/m計(jì)算；單支座不均勻沉降按5 mm考慮；溫度效應(yīng)考慮整體升降溫、日照溫差等作用。

3 方案研究

3.1 降低梁高所采取的措施

高速鐵路無(wú)砟軌道橋梁對(duì)橋梁的豎向剛度和徐變上拱度要求較高，根據(jù)以往橋梁的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，拱肋剛度EI1和系桿(梁)剛度EI2的相對(duì)剛度比EI1/EI2的合理的比值為1∶2[4]，若滿足該剛度要求，56 m簡(jiǎn)支拱系梁高度應(yīng)該在1.9 m左右，本次設(shè)計(jì)梁高不能大于1.4 m，拱梁相對(duì)剛度比值僅為1∶1.5，受梁高限制，系梁剛度明顯偏弱。需研究提高系桿剛度的有效措施，來(lái)滿足高速鐵路的各項(xiàng)技術(shù)要求。增加系梁剛度主要有加大拱肋截面尺寸、減小吊桿間距和減輕系梁自重等措施，本文從以上幾個(gè)方面入手，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力性能進(jìn)行分析研究。

3.2 系梁截面的選擇

一般中小跨度拱橋系梁截面采用縱橫梁體系，縱梁厚度為1.4 m，縱向加勁肋厚度0.35 m，橫梁厚度0.3 m，橫梁縱向間距4.0 m，縱橫梁體系與箱梁截面各控制參數(shù)對(duì)比，如表1所示。

表1 縱橫梁體系與箱梁截面控制參數(shù)對(duì)比表

3.3 吊桿間距的選擇

為確定吊桿間距的影響，對(duì)吊桿間距為4.0 m和吊桿間距5.0 m計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，比較結(jié)果如表2所示。

表2 不同吊桿間距控制參數(shù)對(duì)比表

3.4 拱肋直徑的選擇

為確定拱肋直徑對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)拱肋直徑1.0 m和拱肋直徑0.8 m進(jìn)行對(duì)比，比較結(jié)果如表3所示。

表3 不同拱肋直徑控制參數(shù)對(duì)比表

3.5 方案研究的結(jié)論

不同拱管直徑和吊桿間距對(duì)橋梁的自振頻率影響不大，對(duì)豎向剛度和梁端轉(zhuǎn)角影響較大；系梁截面形式對(duì)其豎向剛度、自振頻率和轉(zhuǎn)角影響最明顯，箱梁比縱橫梁結(jié)構(gòu)剛度大一倍，而增加拱管直徑可以有效提高梁拱組合結(jié)構(gòu)的整體剛度，1 m管徑比0.8 m管徑減小梁端豎向轉(zhuǎn)角約20%，減小吊桿間距可以提高系梁的豎向剛度約10%。

根據(jù)方案研究比選結(jié)論，確定系梁采用箱形截面，拱管直徑采用1.0 m，吊桿間距采用4 m。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)尺寸擬定

梁部全長(zhǎng)58 m，為降低系梁自重，采用單箱五室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，梁高1.4 m。系梁斷面圖，如圖2所示。

圖2 系梁斷面示意圖(mm)

吊桿采用平行布置，為了增加梁部剛度，盡量減小吊桿間距，間距采用4 m,全橋共設(shè)11對(duì)吊桿。

拱肋橫斷面采用啞鈴型鋼管混凝土變截面，拱頂截面高度h=2.2 m，拱腳截面高度h=2.8 m，鋼管直徑為1 m，由厚14 mm的鋼板卷制而成，每根拱肋的兩鋼管之間用δ=14 mm的腹板連接，如圖3所示。

圖3 拱肋截面示意圖(mm)

橋面寬度：防護(hù)墻內(nèi)側(cè)凈寬8.8 m，橋面板寬16 m。

4.2 結(jié)構(gòu)分析

4.2.1計(jì)算模型

整體模型采用空間有限元程序MIDAS CIVIL計(jì)算。主橋分別采用梁?jiǎn)卧桶鍐卧M(jìn)行分析，梁?jiǎn)卧Ｐ椭饕糜谥鳂驈?qiáng)度分析、系梁配束計(jì)算等，板單元模型主要用于主橋剛度、動(dòng)力特性、考慮剪力滯效應(yīng)有效寬度計(jì)算及拱肋穩(wěn)定分析[7]。

采用梁?jiǎn)卧r(shí)，對(duì)于系梁、拱肋及橫撐的各桿件采用三維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，其截面特性按照實(shí)際設(shè)計(jì)截面定義。拱軸線為二次拋物線，拱肋采用啞鈴形截面，鋼管和腹桿內(nèi)均填充混凝土，為變截面，拱高從拱頂2.2 m逐漸過(guò)渡到拱腳2.5 m，采用“雙單元、共節(jié)點(diǎn)”的方法模擬鋼管混凝土拱肋。吊索采用桁架單元模擬，僅考慮其軸向的拉伸剛度,梁?jiǎn)卧w模型，如圖4所示,考慮了有效分布寬度。

圖4 梁?jiǎn)卧Ｐ?/p>

采用板單元建模時(shí),系梁采用板單元，以截面頂板、底板和腹板中心線為軸線建立板單元，并分別賦予其相應(yīng)的板厚，拱肋、橫撐和吊桿等構(gòu)件模擬方法和梁?jiǎn)卧Ｐ拖嗤?。板單元整體模型，如圖5所示。

圖5 板單元模型

4.2.2變形及剛度分析

(1)主梁豎向撓度：列車豎向靜活載+0.5倍溫度作用下梁體豎向撓度13.04 mm，0.63倍列車豎向靜活載作用+全部溫度作用下梁體豎向撓度10.05 mm，均小于 56 000/1 900=29.4 mm。

(2)梁端豎向折角控制：在ZK活載靜力作用下，梁端豎向折角最大值0.58 ‰rad，滿足文獻(xiàn)[2]第7.3.7條，梁部結(jié)構(gòu)在ZK活載靜力作用下，梁端豎向折角不應(yīng)大于1‰的要求。

(3)系梁豎向殘余徐變變形為6.61 mm，滿足文獻(xiàn)[2]第7.3.2條，豎向殘余徐變變形不大于L/5 000，即11.2 mm。

4.2.3系梁強(qiáng)度分析

強(qiáng)度分析如圖6、圖7所示。

圖6 主力作用下強(qiáng)度安全系數(shù)

圖7 主加附作用下強(qiáng)度安全系數(shù)

4.2.4拱肋強(qiáng)度分析

拱肋鋼管混凝土截面抗壓強(qiáng)度結(jié)果，如表4所示。

表4 拱肋鋼管混凝土截面抗壓強(qiáng)度(kN)

在主力組合下N01/γ0NS最小值為3.2，在主力+附加力組合下N01/γ0NS最小值為2.5，均滿足文獻(xiàn)[3]第5.2.4條γ0NS≤N01的要求。

4.2.5吊桿驗(yàn)算

吊桿的內(nèi)力計(jì)算直接考慮施工二期后，拆除臨時(shí)墩由于結(jié)構(gòu)自重形成的吊桿內(nèi)力，并與成橋階段荷載引起的內(nèi)力進(jìn)行組合，保證吊桿的安全系數(shù)n≥2.5。吊桿最大應(yīng)力幅為109.3 MPa，滿足規(guī)范要求。按不中斷行車更換一對(duì)吊桿工況檢算，更換受力最大的D8吊桿時(shí)，本橋吊桿最小安全系數(shù)為2.59，滿足要求。

4.2.6動(dòng)力特性及列車走行性分析

動(dòng)力仿真結(jié)論及建議：戴河橋設(shè)計(jì)方案具有良好的動(dòng)力特性及列車走行性，當(dāng)國(guó)產(chǎn)高速、法國(guó)TGV、德國(guó)ICE、日本500系以不超過(guò)420 km/h速度通過(guò)橋梁時(shí)，橋梁動(dòng)力響應(yīng)及各車的車體豎、橫向振動(dòng)加速度滿足限值要求，列車行車安全性滿足要求；當(dāng)車速不超過(guò)該橋設(shè)計(jì)速度350 km/h時(shí)，列車的乘坐舒適度均達(dá)到“良好”以上，當(dāng)速度不超過(guò)420 km/h時(shí)，列車的乘坐舒適度達(dá)到“合格”標(biāo)準(zhǔn)。

5 關(guān)鍵技術(shù)研究

5.1 箱梁截面矮梁高、小吊桿間距密等橫梁施工難題

為了降低梁高及減少梁重，梁部截面采用高度僅1.4 m高箱梁，箱內(nèi)高度僅0.7 m，且吊桿間距較小，4 m長(zhǎng)度就有一道橫梁，使得梁內(nèi)空間縱向也無(wú)法貫通。箱梁內(nèi)模的選擇成為一個(gè)制約條件，一般箱內(nèi)空間較小時(shí)可采用橡膠氣囊、木模拼裝、傘式抽芯內(nèi)?；蛘咂囱b式鋼模板作為內(nèi)模。本文研究的箱梁縱橫向均沒(méi)有拆除模板的通道，模板拆除的話僅能考慮從板頂留進(jìn)人洞進(jìn)行模板拆除。

由于采用橡膠氣囊模板不能保障結(jié)構(gòu)定位準(zhǔn)確，不宜采用。傘式抽芯內(nèi)模從側(cè)面拆除較為簡(jiǎn)單，針對(duì)本文在頂部開(kāi)孔較小，而平面尺寸相對(duì)較大，研發(fā)較困難。拼裝式鋼模板基本無(wú)法拆除，若留在梁內(nèi)則成本太高。

本橋根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用木模板拼裝較為簡(jiǎn)單，采用較小的組裝單元，在箱梁板頂留有適當(dāng)工作空間便于拆除內(nèi)模。

5.2 梁端預(yù)應(yīng)力張拉空間受限問(wèn)題

本文研究的橋梁采用2孔56 m簡(jiǎn)支系桿拱橋，梁縫僅20 cm，無(wú)法滿足張拉空間，若采用較大的后澆段則對(duì)拱腳位置受力有不利影響。為保障結(jié)構(gòu)受力更合理，在中間墩位置靠近梁端的鋼絞線均采用固定錨具，在另外一側(cè)進(jìn)行單端張拉。橋臺(tái)頂部影響梁部張拉的部分考慮在梁部張拉完成后進(jìn)行澆筑。

5.3 無(wú)砟軌道相鄰梁端橫向變形控制

TB 10621-2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定“無(wú)砟軌道橋梁相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支點(diǎn)橫向相對(duì)位移不應(yīng)大于1 mm?！卑凑粘Ｒ?guī)設(shè)計(jì)支座布置為一側(cè)固定支座，另一側(cè)為橫向活動(dòng)支座。在整體升溫25 ℃作用下，活動(dòng)支座一側(cè)軌道的橫向位移為2.1 mm，不滿足規(guī)范的要求。為了滿足規(guī)范需要，在梁部中間設(shè)置橫向限位裝置，限制梁部的橫向位移，兩側(cè)均設(shè)置橫向活動(dòng)支座，如圖8所示。在這種支座布置下，支座的橫向位移為0.6 mm，滿足規(guī)范需要。

圖8 支座布置示意圖

6 結(jié)論

系桿拱結(jié)構(gòu)將部分恒載及活載通過(guò)吊桿傳至拱肋，由拱肋直接傳到主梁根部，因而與同跨度簡(jiǎn)支梁及連續(xù)梁橋相比，有效的降低了主梁高度。當(dāng)線路跨越道路和通航河流，橋下凈高受到限制，系桿拱是一種較為合適的橋跨結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)上述分析研究，系桿拱橋進(jìn)一步壓低結(jié)構(gòu)高度后，靜力計(jì)算及動(dòng)力仿真分析顯示各方面均可以滿足高速鐵路運(yùn)營(yíng)要求；實(shí)際運(yùn)營(yíng)沒(méi)有出現(xiàn)不良表現(xiàn)，可以拓寬高速鐵路結(jié)構(gòu)適用范圍，適應(yīng)跨度大結(jié)構(gòu)高度小的實(shí)際需要，為鐵路橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用進(jìn)行有益的補(bǔ)充。