高速鐵路大跨度中承式鋼桁拱橋設(shè)計研究

閆巖

中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安710043

我國現(xiàn)代鋼拱橋技術(shù)起步較晚，發(fā)展較慢?；谖覈毺氐牡乩憝h(huán)境條件和國外技術(shù)經(jīng)驗，我國建成了多座世界先進的鋼拱橋（表1）。如建成的大瑞（大理—瑞麗）鐵路怒江特大橋，主拱跨度為490 m，采用上承式鋼桁拱橋形式，一跨過江，刷新了我國鐵路鋼拱橋的記錄，標志著我國鋼拱橋設(shè)計理論和施工工藝的修建技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平［1-3］。

表1 國內(nèi)已建成部分鐵路鋼拱橋

現(xiàn)代鋼拱橋多采用高強材料，承載能力已不是起控制作用的因素。提籃拱橋由于改變了傳統(tǒng)拱結(jié)構(gòu)的靜力計算圖式而獲得較大的橫向穩(wěn)定性，解決了拱橋施工中的橫向面外穩(wěn)定性問題［4］，但是中承式鋼桁拱橋在我國鐵路橋梁領(lǐng)域尚無應(yīng)用實例。本文以西十高速鐵路鐵路漢江特大橋為對象，對中承式鋼桁拱橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計及重點結(jié)構(gòu)參數(shù)進行研究。

1 工程概況

西十高速鐵路是設(shè)計時速350 km的雙線高速鐵路，位于陜西省東南部和湖北省西北部，漢江特大橋是西十高速鐵路的控制性重難點工程。橋址處呈現(xiàn)開闊的深U形河谷，河谷寬度約500 m，設(shè)計軌面與最高水位高差約30 m。橋址兩岸基巖裸露，橋址處斷裂構(gòu)造不發(fā)育，工程地質(zhì)條件較好。對于跨度400 m左右的橋梁，可采用拱橋、斜拉橋和懸索橋。結(jié)合橋址條件，低橋位方案宜采用中承式鋼桁拱橋方案［5］。該方案不僅能夠滿足通航要求，避免深水基礎(chǔ)，且對自然環(huán)境的影響較小。中承式鋼桁拱橋橋梁結(jié)構(gòu)剛度大，受力性能優(yōu)，景觀效果好。

2 中承式鋼桁拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

主橋為1×420 m中承式提籃鋼桁拱結(jié)構(gòu)，采用2片拱形桁架，通過平聯(lián)及橫聯(lián)連接成整體?？鐝讲贾脼椋?1.5+31.5+360+35+35）m，兩側(cè)均接橋臺，主橋全長為509.9 m。全橋上弦矢跨比1∕4.15，下弦矢跨比1∕3.86，拱軸線均采用二次拋物線，主桁為N形桁架，拱頂和拱腳處拱肋面內(nèi)桁高分別為8、15 m，2片桁架內(nèi)傾3.5°。拱腳處2片桁架間距25 m，節(jié)間水平投影長度10 m。

2.1 拱肋

弦桿為箱形截面，上弦截面尺寸1 600 mm（高）×1 600 mm（寬），下弦截面尺寸1 600～2 000 mm（高）×1 600 mm（寬），板厚32～50 mm，主桁采用焊接整體節(jié)點結(jié)構(gòu)形式。為滿足局部穩(wěn)定的要求，在箱形截面四面每塊板上設(shè)置一道縱向加勁肋。箱形截面桿件內(nèi)設(shè)置橫隔板，板厚16 mm，橫隔板間距不大于3 m。主桁腹桿除橫梁處為箱形截面，其余均為H形截面，H形截面高1 600 mm，翼緣截面寬1 000～1 600 mm，板厚24～40 mm。為滿足局部穩(wěn)定的要求，H形截面腹板設(shè)置2道縱向加勁肋。主桁桿件均采用Q370qD鋼材。

拱肋上、下弦平面內(nèi)設(shè)平聯(lián)，米字形布置；部分平聯(lián)采用1 000 mm×800 mm的工字形截面，板厚24 mm，部分平聯(lián)采用1 200 mm×1 200 mm的箱形截面，箱形截面四面每塊板設(shè)置一道縱向加勁肋。主梁以下拱肋每個節(jié)間均設(shè)置橫聯(lián)，主梁以上拱肋每2個節(jié)間設(shè)置1處橫聯(lián)，全橋共21處。橫聯(lián)桿件采用1 000 mm×800 mm的工字形截面，板厚24 mm。橫向聯(lián)結(jié)系采用Q345qD鋼材。拱肋立面布置見圖1。

2.2 主梁

綜合考慮鐵路限界、接觸網(wǎng)柱、電力、通信信號電纜槽等控制因素，橋面結(jié)構(gòu)寬取17.0 m（圖2），吊桿橫向間距14.4 m。主梁采用正交異性鋼箱梁，頂板厚16 mm，底板厚18 mm，腹板厚24 mm。頂?shù)装寰捎肬肋加勁，頂板U肋厚10 mm，間距600 mm；底板U肋厚8 mm，間距800 mm，腹板采用板肋加勁，沿橋梁縱向每隔3 m設(shè)置橫隔板。主梁采用Q370qD鋼材。

2.3 吊桿

短吊桿采用PES7-223型和PES7-151型平行鋼絲束成品吊桿，其余吊桿采用PES7-127型平行鋼絲束成品吊桿，錨具采用對應(yīng)規(guī)格的錨固裝置。全橋共設(shè)31對柔性吊桿，吊桿最長為67.4 m。吊桿上端錨固于拱肋下弦桿，下端錨固于鋼箱梁錨固區(qū)域。

2.4 拱座

主拱基礎(chǔ)采用分離式斜樁+豎直樁嵌固基礎(chǔ)，全橋共設(shè)4個拱座。拱座采用C40混凝土，拱座寬10 m，高18.6 m，拱肋深入拱座6 m（圖3）。拱腳處拱肋下弦內(nèi)填充混凝土，通過在拱肋的端部焊接端板和加勁肋的方式增強局部承壓能力?；A(chǔ)豎直樁采用8 m×8 m方樁，斜樁采用7.0 m×8.5 m的馬蹄形斷面。

圖3 拱腳立面（單位：cm）

2.5 計算模型及荷載

采用MIDAS∕Civil軟件建立有限元模型，拱肋桿件和主梁均采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬。全橋模型共有1 128個單元，561個節(jié)點。

鋼結(jié)構(gòu)自重考慮整體節(jié)點板等構(gòu)造，對其重度進行調(diào)整計算；二期恒載為180 kN∕m；考慮基礎(chǔ)變位的影響進行最不利工況組合；列車活載采用ZK活載圖式；列車橫向搖擺力為l00 kN，將其作為一個集中活載作用于橋梁結(jié)構(gòu)最不利位置，作用點位于垂直線路中心線的鋼軌頂面；瞬時最大風(fēng)速為17.8 m∕s，基本風(fēng)壓取400 Pa；全橋整體升溫30℃，降溫25℃；鋼拱橋上下游側(cè)面溫差為±10℃。

2.5.1 主梁靜力計算結(jié)果

計算主橋主要桿件在主力、主力+附加力作用下的受力，結(jié)果見表2?？芍袄呱舷孪揖軌?，上弦拱頂和下弦拱腳鋼混結(jié)合處為受力最不利位置。

表2 主橋主要桿件計算結(jié)果

2.5.2 主梁剛度

利用有限元軟件移動荷載分析模塊對全橋進行影響線分析，計算得到主橋剛度指標，見表3。

表3 主橋剛度指標

由表3可知，結(jié)構(gòu)最小豎向撓跨比為1∕1 629，橫向撓跨比為1∕4 045，均滿足TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》要求。橋梁整體剛度較大，能很好地滿足行車安全及舒適性的要求。

2.5.3 運營整體穩(wěn)定系數(shù)

對鋼桁橋進行穩(wěn)定分析得到成橋階段（恒載作用）和運營階段（中跨布置雙線活載）的穩(wěn)定系數(shù)，見表4?？芍?，該在成橋階段及運營階段穩(wěn)定系數(shù)最小值為12.74，大于TB 10002—2017中規(guī)定的4.00，表明該橋穩(wěn)定安全系數(shù)較大，整體具有較好的穩(wěn)定性。

表4 整體穩(wěn)定系數(shù)

2.5.4 車橋耦合動力仿真結(jié)果

CRH3動車組以速度180～420 km∕h通過中承式鋼桁拱橋時，動車與拖車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內(nèi)，保證了高速列車的行車安全，豎向和橫向舒適性均達到優(yōu)，其動力性能符合要求。

3 技術(shù)難點及關(guān)鍵點

3.1 拱圈拱軸線的選取

拱橋拱軸線的線形對結(jié)構(gòu)彎矩分布影響較大，合理的拱軸線形使得拱肋各部分桿件受力均勻，更方便統(tǒng)一桿件截面尺寸［6-7］。該橋采用懸鏈線拱軸線，選取拱軸系數(shù)m為1.0、1.3、1.6和2.0進行對比分析。拱軸系數(shù)為1.0時拱軸線為二次拋物線。

3.1.1 拱軸線對軸力的影響

主力作用下不同拱軸系數(shù)的拱肋軸力對比見圖4。可知：拱軸系數(shù)從1.0增至2.0，上弦拱腳軸力增加了42%，上弦拱頂軸力增加了21%，下弦1∕4處軸力增加了16%，而下弦拱腳軸力減小了17%，下弦拱頂軸力減小了26%，上弦1∕4處軸力減小了19%。

圖4 主力作用下不同拱軸系數(shù)的拱肋軸力對比

3.1.2 拱軸線對彎矩的影響

主力作用下不同拱軸系數(shù)的拱肋彎矩對比見圖5?？芍汗拜S系數(shù)為1.3時，下弦拱腳負彎矩變?yōu)檎龔澗?，其變化最劇烈；上下弦拱頂?shù)恼龔澗仉S拱軸系數(shù)的增大而增大，但變化幅度較小；上下弦1∕4處的正彎矩隨拱軸系數(shù)的增大而減小，但變化幅度不大。

圖5 主力作用下不同拱軸系數(shù)的拱肋彎矩對比

3.1.3 拱軸線對偏心距的影響

不同拱軸系數(shù)的偏心距見圖6?？芍孩偕舷夜澳_偏心距隨拱軸系數(shù)變化最劇烈。當(dāng)拱軸系數(shù)為1.0時，主力最大作用下拱腳偏心距為-45.2 mm，主力最小作用下拱腳偏心距為134.9 mm；當(dāng)拱軸系數(shù)為2.0時，主力最大作用下拱腳偏心距為-261.8 mm，主力最小作用下拱腳偏心距為33.49 mm。②下弦拱頂和拱腳偏心距幅值隨拱軸系數(shù)增大而增大。當(dāng)拱軸系數(shù)為1.0時，主力最大作用下拱腳偏心距為38.4 mm，主力最小作用下拱腳偏心距為129.66 mm；當(dāng)拱軸系數(shù)為2.0時，主力最大作用下拱腳偏心距為-104.1 mm，主力最小作用下拱腳偏心距為50 mm。

圖6 不同拱軸系數(shù)的偏心距

綜上，當(dāng)拱軸系數(shù)為1.0時，在主力作用下，上下弦偏心距相對值接近0，更靠近合理拱軸線。為保證拱肋桿件在全拱軸線上受力均勻，使桿件截面尺寸變化合理，該橋拱軸系數(shù)取1.0，采用二次拋物線作為弦桿拱軸線。

3.2 內(nèi)傾角

拱橋結(jié)構(gòu)支承的荷載達到臨界值時，整個拱結(jié)構(gòu)失去平衡穩(wěn)定性，或在拱的平面內(nèi)發(fā)生純彎屈曲，或傾出平面之外發(fā)生彎扭屈曲。因此，有必要研究大跨度拱橋的穩(wěn)定性。

拱肋橫橋向傾斜一定角度可顯著提高拱橋的穩(wěn)定性，增大主拱的穩(wěn)定安全系數(shù)，特別是對寬跨比較小的窄橋，拱肋內(nèi)傾對其橫向穩(wěn)定性的影響非常顯著［8］。但是對于鋼桁拱橋，其單側(cè)拱肋抗扭剛度及橫向剛度很小，橫向穩(wěn)定性由橫撐（平聯(lián)）提供，一旦內(nèi)傾，其穩(wěn)定性會降低。

根據(jù)橋面布置及限界，固定拱梁交匯處的橫梁長度為20 m，以此為基點旋轉(zhuǎn)拱肋，分別對內(nèi)傾1°～5°進行計算。不同內(nèi)傾角時拱肋間距見表5，整體穩(wěn)定安全系數(shù)對比見圖7。

表5 不同內(nèi)傾角時拱肋間距

圖7 不同內(nèi)傾角整體穩(wěn)定安全系數(shù)對比

由圖7可知：①拱肋橫向整體穩(wěn)定系數(shù)隨內(nèi)傾角的增大而降低，且下降速率增加。當(dāng)內(nèi)傾角為5°時，成橋階段橫向整體穩(wěn)定安全系數(shù)為16.17，滿足TB 10002—2017要求的整體穩(wěn)定安全系數(shù)大于4.00的要求。②拱肋豎向穩(wěn)定系數(shù)隨內(nèi)傾角的增大而增加，但是增加幅度不大，說明拱肋內(nèi)傾能夠小幅提高鋼桁拱橋的豎向穩(wěn)定性。

從平聯(lián)設(shè)置方面考慮，由于節(jié)間距取10 m，當(dāng)內(nèi)傾5°時，拱頂間距為6.2 m，平聯(lián)與弦桿的夾角為31°（圖8），節(jié)點板設(shè)置十分困難，且小角度桿件次內(nèi)力會增加。提籃式拱橋的拱肋內(nèi)傾后會降低拱肋橫向穩(wěn)定性，但仍在安全范圍內(nèi)，故該橋內(nèi)傾角采用3.5°。

圖8 內(nèi)傾角5°時拱頂構(gòu)造

3.3 拱腳下弦桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化

拱軸線為二次拋物線，拱肋上下弦基本受力均勻，但是下弦拱腳受力較大，拱肋下弦須采用1.6～2 m（高）×1.6 m（寬）的箱形截面，拱腳采用3 m（高）×2 m（寬）的截面才能滿足受力要求。為保證拱橋下弦截面高度一致，在下弦拱腳的箱形截面內(nèi)灌注C50自密實補償收縮混凝土，從而提高拱腳的受力性能［9-10］。當(dāng)拱腳不灌注混凝土?xí)r，拱腳下弦桿主力作用下的應(yīng)力為190.7 MPa，而灌注混凝土后應(yīng)力為161.5 MPa。灌注混凝土對鋼桁拱橋橫向剛度有一定提高，且箱形尺寸能與其他下弦桿件保持一致，故推薦在拱腳下弦桿內(nèi)灌注混凝土的方案。

3.4 主梁形式比選

拱橋多采用由混凝土橋面板與鋼主梁和鋼橫梁形成的結(jié)合梁體系?；跍p振、降噪、結(jié)構(gòu)受力和耐久性的需要，選擇4種主梁方案（表6）進行比選：方案1，混凝土橋面板結(jié)合梁；方案2，正交異性板鋼縱橫梁；方案3，正交異性板鋼箱梁；方案4，混凝土橋面板扁平鋼箱。不同主梁方案工程量和造價對比見表7。

表6 不同主梁方案撓跨比

表7 不同主梁方案工程量和造價對比

由表6和表7可知：4種方案的豎向剛度非常接近，橫向剛度差別大；方案2橫向剛度最差，在風(fēng)荷載和搖擺力及溫度作用下的橫向撓跨比達到了1∕4 634，接近限值1∕4 000。綜合工程量估算和整體計算結(jié)果，方案1和方案3的剛度較好，雖然方案3用鋼量較大，但方案1的工程造價略高于方案3，即便進一步優(yōu)化結(jié)合梁的構(gòu)造，其工程造價優(yōu)勢并不明顯。因此設(shè)計時優(yōu)選方案3。

4 結(jié)論

1）拱軸系數(shù)變化對主拱軸力的影響較小，對彎矩和偏心距的影響明顯，最終選取二次拋物線作為拱軸線，使得拱肋受力均勻合理。通過對拱腳處桿件灌注自密實補償收縮混凝土，優(yōu)化了拱腳處桿件截面，使得全橋桿件高度過渡自然合理。

2）拱肋內(nèi)傾對結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性影響較大，對該橋拱梁交匯處橫梁的長度進行固定，且以此為基點對拱肋進行內(nèi)傾，最終選擇拱肋內(nèi)傾3.5°。

3）根據(jù)工程量估算和整體計算結(jié)果，選擇正交異性板鋼箱梁作為主梁時結(jié)構(gòu)性能較好。