京滬高鐵簡支系桿拱創(chuàng)新設(shè)計與發(fā)展

吳孟暢， 文望青， 許三平

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 中鐵建大橋設(shè)計研究院，湖北 武漢 430063；2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 中國鐵建股份有限公司橋梁工程實驗室，湖北 武漢 430063）

1 概述

京滬高鐵全長1 318 km，設(shè)計時速350 km，全線采用CRTSⅡ型板式無砟軌道，橋梁長度占比超過80%，是全世界一次建成里程最長的高速鐵路。京滬高鐵的建設(shè)支撐了我國大規(guī)模高速鐵路快速發(fā)展，提升了鐵路現(xiàn)代化水平，為推動我國科技進步作出重大貢獻，取得了舉世矚目的成就［1-2］。

20 世紀90 年代初，尚處于可行性研究階段的京滬高鐵就創(chuàng)新性地提出簡支系桿拱這一新型橋型，并開展了系統(tǒng)研究。鋼管混凝土系桿拱橋是利用梁的受彎拉和拱的受壓特點組成的組合結(jié)構(gòu)［3-6］。其中，鋼管混凝土拱肋作為主要受力構(gòu)件，承載能力大、施工方便，拱腳較大的水平推力通過預(yù)應(yīng)力混凝土系梁平衡；混凝土系梁除承擔水平推力外，還作為橋面系承擔橋面荷載；吊桿連接系梁和拱肋，起到傳遞荷載的作用。該橋型具有結(jié)構(gòu)剛度大、跨越能力強、建筑高度低、景觀效果好等優(yōu)良特點，并成功應(yīng)用于宣杭復(fù)線鐵路東苕溪特大橋［7］。在此基礎(chǔ)上，簡支系桿拱橋被推廣運用于京滬、武廣、滬杭、寧杭等多條高速鐵路橋梁建設(shè)中。

京滬高鐵徐滬段途經(jīng)黃河、淮河、長江三大流域、長三角城市群，沿線水系、路網(wǎng)發(fā)達。結(jié)合橋梁功能和景觀需求等因素，京滬高鐵徐滬段共設(shè)置21 處簡支系桿拱橋，跨度分為96 m、112 m 和128 m，并采用了“先梁后拱”［8］和“先拱后梁”［9-10］2 種施工方法，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益。

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

京滬高鐵徐滬段簡支系桿拱設(shè)計活載為雙線ZK，整體外部為靜定結(jié)構(gòu)、內(nèi)部為高次超靜定結(jié)構(gòu)，采用交叉斜吊桿體系（即尼爾森體系）平行拱或提籃拱。該線路3種跨度的簡支系桿拱主要結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

表1 京滬高鐵簡支系桿拱主要結(jié)構(gòu)尺寸

以112 m跨度簡支系桿拱為例，對其具體結(jié)構(gòu)構(gòu)造進行介紹，該跨度簡支系桿拱橋立面布置示意見圖1。

圖1 京滬高鐵112 m跨度簡支系桿拱橋立面布置示意圖

2.1 系梁

系梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁寬17.8 m、梁高2.5 m、底板厚30 cm，頂板厚30 cm、邊腹板厚35 cm、中腹板厚30 cm。底板在3.0 m 范圍上抬0.5 m，以減小風阻力。吊點處設(shè)橫梁，橫梁厚0.4～0.6 m。系梁縱向設(shè)70束12-7φ5 mm預(yù)應(yīng)力筋；橫向底板設(shè)3-7φ5 mm、4-7φ5 mm橫向預(yù)應(yīng)力筋，橫隔板設(shè)4 束9-7φ5 mm預(yù)應(yīng)力筋。系梁結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 系梁結(jié)構(gòu)示意圖

在系梁兩端底板設(shè)進人孔，各箱室均設(shè)檢查孔，便于在箱內(nèi)對吊桿等進行檢查與換索；底板設(shè)截水槽、泄水孔；邊腹板與中腹板上設(shè)通氣孔。

2.2 拱肋

拱肋采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高度h=3.0 m，沿程等高布置，鋼管直徑1 200 mm，由厚18 mm 的鋼板卷制而成，每根拱肋2個鋼管間用δ=16 mm的腹板連接。每隔一段距離，在圓形鋼管內(nèi)設(shè)加勁環(huán)、在2個腹板間焊接拉筋。拱肋結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖3 拱肋結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 吊桿

吊桿布置為尼爾森體系，在吊桿平面內(nèi)，吊桿水平夾角52.10°～68.67°；橫橋向水平夾角81°。吊桿間距8 m，2 個交叉吊桿間橫向中心距341 mm。吊桿均采用127 根φ7 mm 高強低松弛鍍鋅平行鋼絲束，冷鑄鐓頭錨，索體采用PES（FD）低應(yīng)力防腐索體，并外包不銹鋼防護。

2.4 拱腳

拱腳順橋向8.0 m 范圍設(shè)成實體段，橫橋向?qū)挾扔?7.8 m增至18.8 m，截面漸變處設(shè)倒角或過渡段。實體段內(nèi)設(shè)9-7φ5 mm橫向預(yù)應(yīng)力筋，分上下2排布置，分批張拉完成。拱腳混凝土分2 次現(xiàn)澆，現(xiàn)澆第1 次混凝土前，應(yīng)將拱肋鋼管、加勁鋼材等安放到位；二期恒載施工完成后，澆筑第2次混凝土。

2.5 橫撐

2 個拱肋間共設(shè)5 道橫撐，拱頂處設(shè)X 型撐，拱頂至2個拱腳間設(shè)4道K型橫撐。橫撐由直徑600、500和360 mm 圓形鋼管組成，鋼管內(nèi)部不填混凝土，其外表面需作防腐處理。

3 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)選取

3.1 吊桿布置形式

按照吊桿布置形式，簡支系桿拱橋分為豎直吊桿體系和尼爾森體系。豎直吊桿體系每榀拱肋的所有吊桿均布置于同一平面，結(jié)構(gòu)簡潔美觀；尼爾森體系因吊桿交叉，每榀拱肋的吊桿在橫橋向需排為2列，視覺上稍顯凌亂。

通過建立全橋模型計算分析可知：

（1）在橋面均布荷載作用下，2個體系拱肋和系桿的軸力無明顯變化，但拱肋彎矩差異較大。尼爾森體系拱肋最大彎矩約為豎直吊桿體系的32%，有利于拱肋設(shè)計。

（2）撓度影響線分析表明，尼爾森體系由于斜吊桿的存在，減小了結(jié)構(gòu)的剪切變形，其豎向撓度沿縱橋向變化率均小于豎直吊桿體系。因此，僅通過吊桿布置形式即可提高橋梁的豎向剛度。

3.2 拱肋傾角

簡支系桿拱橋按拱肋側(cè)向傾角可分為平行拱和提籃拱。平行拱是最基本的形式，結(jié)構(gòu)簡單、施工簡便。但寬跨比隨跨度增大而減小，平行式梁拱組合體系的側(cè)傾問題越來越突出。為提高梁拱組合體系的側(cè)傾穩(wěn)定性，將拱肋內(nèi)傾，形成內(nèi)傾式梁拱組合體系（即提籃拱）。相對于平行拱，提籃拱具有以下優(yōu)點：

（1）橫向穩(wěn)定性好，能有效解決面外穩(wěn)定問題；

（2）空間拱式結(jié)構(gòu)，景觀效果好。

3.3 矢跨比

矢跨比（f/L）又稱矢度，用于表征拱的坦陡程度，其對拱橋內(nèi)力、施工方法、景觀效果均有很大影響。矢跨比越小，拱的水平推力越大，需要的系梁（桿）預(yù)應(yīng)力越大；矢跨比越大，吊桿長度及拱肋弧長越大，同樣會增加工程量，加大高空拱肋的施工難度。因此，選擇合理的矢跨比對于簡支系桿拱橋非常重要。

一般情況下，矢跨比<1/5 為坦拱橋，矢跨比≥1/5為陡拱橋。以112 m 跨度簡支系桿拱為例，對3 種不同的矢跨比方案進行對比，其相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 不同矢跨比簡支系桿拱橋相關(guān)參數(shù)對比

當矢跨比取1/6 時，矢高18.7 m，拱肋高度低，拱腳水平推力較大，需要強大的系梁（桿）預(yù)應(yīng)力，在無推力簡支系桿拱橋中很少采用。矢跨比由1/4 減小至1/5 時，系梁軸力增大20%，預(yù)應(yīng)力增加20%，單側(cè)拱肋吊桿總長減小約20%，拱肋弧長縮短約8 m；相對于矢跨比取1/4，矢跨比取1/5 更節(jié)省材料。從美學(xué)角度考慮，矢跨比取1/5時曲線更流暢（見圖4）。因此，我國鐵路簡支系桿拱橋矢跨比一般取1/5。

圖4 不同矢跨比立面對比

3.4 拱軸線線形

對簡支系桿拱，為充分發(fā)揮材料性能，拱軸線應(yīng)盡可能接近壓力線。將拱上恒載視為均勻分布，理論上合理拱軸線為懸鏈線。因此，簡支系桿拱橋拱軸線大多采用懸鏈線。

為接近合理拱軸線，選擇合適的懸鏈線系數(shù)m非常關(guān)鍵。目前，已建簡支系桿拱橋m主要為1.0～1.7。以112 m 跨度簡支系桿拱為例，對3 種不同懸鏈線系數(shù)方案進行對比，其相關(guān)參數(shù)見表3。

由表3可知，懸鏈線系數(shù)對拱肋軸力影響不大，主要影響拱肋彎矩。當m=1.561時，拱肋彎矩起伏較大，分布最不均勻。m=1.167和m=1.347時，計算結(jié)果總體較接近；局部而言，當m=1.347時，拱腳、距拱腳1/8、距拱腳3/8處等關(guān)鍵截面彎矩均小于m=1.167，拱頂彎矩相當。

表3 不同懸鏈線系數(shù)簡支系桿拱橋相關(guān)參數(shù)對比

因此，鐵路大跨度簡支系桿拱橋拱軸線建議采用懸鏈線，懸鏈線系數(shù)m取1.347為宜。

4 施工方法

根據(jù)拱肋與系梁施工的先后順序，簡支系桿拱的2 種施工方法可分為“先梁后拱”和“先拱后梁”（見圖5）。

圖5 拱肋支架施工方法

4.1 “先梁后拱”

“先梁后拱”具有工藝成熟、安全可靠等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于系桿拱施工。系梁在原位支架現(xiàn)澆，張拉第一階段預(yù)應(yīng)力，再利用系梁為平臺進行拱肋施工。梁上拱肋施工分為支架拼裝、臥拼加豎轉(zhuǎn)和整體提升。如漢十鐵路云安特大橋跨越311 國道140 m 系桿拱橋、京滬高鐵跨越曹安公路96 m 系桿拱橋等，均采用“先梁后拱”的施工方法。

4.2 “先拱后梁”

采用“先拱后梁”一般是因為施工期間航道交通不能阻斷，橋下無法搭設(shè)支架進行現(xiàn)澆施工時選用。具體施工步驟為：首先現(xiàn)澆拱座及系梁實體段混凝土，將拱座與橋墩臨時固結(jié)，然后拱肋采用纜索吊裝施工或大型浮吊整體吊裝施工，在2個拱腳間張拉系桿索承受系梁施工期間拱腳水平力，再利用吊桿懸澆施工系梁。如東苕溪特大橋112 m系桿拱、商合杭鐵路西苕溪左線特大橋96 m系桿拱等，均采用“先拱后梁”的施工方法。

4.3 優(yōu)缺點分析

對于“先拱后梁”，其拱肋吊裝相對復(fù)雜，系梁施工時沒有滿堂支架支撐，且施工中存在體系轉(zhuǎn)換過程，施工風險較大，拱肋安裝質(zhì)量和系梁線型控制難以保證。當具備施工條件時，應(yīng)優(yōu)先選擇“先梁后拱”的施工方法。

5 技術(shù)發(fā)展

5.1 相關(guān)規(guī)范發(fā)布

隨著TB/T 3193—2016《鐵路工程預(yù)應(yīng)力筋用夾片式錨具、夾具和連接器》［11］、TB 10127—2020《鐵路橋梁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［12］、QCR 749.1—2020《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)及構(gòu)件保護涂裝與涂料》［13］等規(guī)范相繼發(fā)布，以鋼管混凝土拱橋等組合結(jié)構(gòu)的技術(shù)體系日趨完善。

5.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

5.2.1 梁端開槽

高速鐵路對軌道縱斷面線形要求高，根據(jù)無砟軌道橋梁的相關(guān)規(guī)范，當梁端懸出長度≤0.75 m，靜活載引起的梁端豎向轉(zhuǎn)角≤1‰；當梁端懸出長度＞0.75 m，梁端豎向轉(zhuǎn)角引起的位移≤1 mm［14-16］，必要時需對軌道應(yīng)力進行驗算。一般情況下，簡支系桿拱梁端懸出長度≥1.6 m。為了適應(yīng)無砟軌道行車要求，一般通過設(shè)置調(diào)節(jié)板解決橋面變形問題。如在武廣高鐵，在橋梁梁端設(shè)置軌道過渡板，過渡板沿線路縱向可自由伸縮，不可橫向移動，過渡板支座中心線與梁部支座中心對應(yīng)設(shè)置，從而保證梁端轉(zhuǎn)動時過渡板位移量最小，提高了無砟軌道行車平順性。

根據(jù)高速鐵路運營實踐可知，設(shè)置過渡板方案支座易出現(xiàn)病害，需重新更換支座，由于更換須在“天窗”時間進行，施工時間和空間十分有限，更換較困難。近年來，在商合杭、鄭萬等高速鐵路項目施工中，為控制靜活載作用下梁端豎向變形，改善鋼軌受力，在簡支系桿拱兩端行車道范圍內(nèi)的系梁上，各設(shè)置1個深0.5 m、寬13 m的槽口，將相鄰簡支梁（梁寬12.6 m）嵌入其中，既滿足拱座構(gòu)造所需尺寸，又減小梁端懸出長度，使靜活載引起的梁端豎向位移滿足≤1 mm 要求，很好地解決了梁端轉(zhuǎn)角導(dǎo)致的軌道不平順問題。

5.2.2 拱肋傾角調(diào)整

合理的拱肋傾角能給系桿拱橋帶來安全性、經(jīng)濟性和美觀性。拱肋內(nèi)傾可提高拱橋穩(wěn)定性及車橋動力特性，但隨著內(nèi)傾角增加，不僅壓縮了列車運行空間，系梁寬度增大還導(dǎo)致下部工程數(shù)量相應(yīng)增加，且拱肋傾斜導(dǎo)致施工定位復(fù)雜、運梁通過困難，冬天可能發(fā)生冰棱自吊桿處掉落。因此，應(yīng)結(jié)合具體工程綜合比選確定合適的拱肋傾角。近年來，平行拱取代提籃拱逐漸成為趨勢。提籃拱和平行拱的拱肋結(jié)構(gòu)示意見圖6。

圖6 拱肋結(jié)構(gòu)示意圖

5.2.3 橫撐形式優(yōu)化

橫撐形式與拱肋傾角密切相關(guān)，隨著提籃拱被平行拱取代，橫向穩(wěn)定性有所下降。橫撐形式也應(yīng)由K 型橫撐變?yōu)? 根鋼管組成的一字撐。以112 m 跨度簡支系桿拱為例，將橫撐由K 型橫撐改為一字撐后，雖然總用鋼量由63.15 t 增加至94.50 t，用鋼量增加49.6%，但經(jīng)驗公式下的橫向彈性穩(wěn)定系數(shù)由5.12 提高至6.37。

5.2.4 梁端進人孔優(yōu)化

將進人孔設(shè)置于梁底時，有一段梁底步道掛于梁底下方，不僅影響橋下凈空，且對系梁截面存在削弱效應(yīng)。在最新設(shè)計中，將進人孔設(shè)置于梁端實體段中心處，可與兩側(cè)簡支梁形成貫通的箱內(nèi)檢查通道（見圖7）。局部分析表明，剔除端部預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)的失真結(jié)果，在進人孔靠近端部內(nèi)壁處，有部分拉應(yīng)力超過限值部分，雖然有約4 MPa拉應(yīng)力，但不會破壞截面整體性能。借助拱腳主加附拱肋軸力應(yīng)力云圖可知（見圖8），進人孔取1 m高時，其安全性較高。

圖7 系梁端部透視圖

圖8 拱腳主加附拱肋軸力應(yīng)力云圖

5.3 橋型演變

簡支梁系桿拱具有跨越能力強、經(jīng)濟性好、系梁截面小等優(yōu)點，并且演變出一種新型梁拱組合結(jié)構(gòu)形式，即在該結(jié)構(gòu)兩端各增加一孔常用跨度形成連續(xù)結(jié)構(gòu)，被稱為連續(xù)系桿拱或系桿拱連續(xù)梁。連續(xù)系桿拱橋具有受力明確、建筑高度低、橋式美觀、維修養(yǎng)護方便、工程投資省等優(yōu)點，在連徐鐵路、杭溫鐵路、魯南高速鐵路及合新鐵路等鐵路橋梁工程中得到了成功應(yīng)用。其中，連徐鐵路東海特大橋（40+168+40）m連續(xù)系桿拱［17］是我國首座高速鐵路連續(xù)系桿拱橋。

6 展望

鐵路建設(shè)的快速發(fā)展促進了鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和進步，簡支系桿拱結(jié)構(gòu)橋梁自應(yīng)用于京滬高鐵以來，不斷發(fā)展、迭代，形成了成熟可靠的橋梁結(jié)構(gòu)體系和成套建造技術(shù)。未來，簡支系桿拱結(jié)構(gòu)的鐵路橋梁必將進一步向著高強度、輕型、耐久、大跨方向發(fā)展，并具有更強的競爭力。

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