滬杭客運專線自錨上承式拱橋關鍵技術研究

嚴愛國，尹書軍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司橋梁設計研究處，武漢 430063)

1 工程概況[1，2]

滬杭客運專線自上海至杭州，全線長約154 km，雙線，線間距 5.0 m，設計速度 350 km/h，全線于2009年4月開工建設，2010年10月通車運營。

客運專線在跨越滬杭高速公路與杭州市石大路時，采用了(88+160+88)m自錨上承式拱橋，圖1為大橋竣工后實景照片。該橋拱肋計算跨度153 m，拱肋矢跨比1/6，計算矢高25.5 m，拱肋線形采用二次拋物線，拱肋采用預應力混凝土結構，拱墩基礎固結、拱梁固結結構形式。

拱肋采用單箱單室截面，拱肋橫向寬度采用7.5 m，拱腳處截面高度 6.0 m，跨中處截面高度3.0 m，截面高度采用立特規律變化;拱上連續梁一般截面高度3 m，與拱肋固結處漸變為4.5 m;拱上立柱均采用圓端形實體截面，拱腳立柱縱向厚度2.0 m，兩邊拱肋立柱縱向厚度1.8 m。各立柱橫向寬度6.0 m，上部采用花瓶形狀，橫向寬度由6.0 m過渡到7.8 m。樁基礎采用18根φ2.0 m鉆孔樁。考慮轉體施工的需要，承臺設置成長11.9 m×寬22.9 m×高6.5 m。

圖1 大橋竣工后實景

2 關鍵技術研究

滬杭客運專線(88+160+88)m自錨上承式拱橋[3]，單邊轉體自重達168 000 kN，為世界同類轉體橋梁之最;橋型方案為高速鐵路橋梁首次采用，設計中結合結構受力特點、工期、高速列車行車舒適性等要求，對多項關鍵技術展開了研究。

2.1 拱梁結合方式研究

自錨上承式拱橋結構主要由基礎、中拱、邊拱、立柱及拱上連續梁等組成，其中拱肋及拱上連續梁直接作為橋面并承受二期恒載及活載;邊拱作為系桿的錨固端，將系桿軸向力傳遞至基礎，以平衡主拱的水平推力[4]。

體系中，拱梁的連接方式可分為2種:①拱梁分離，即拱上梁體通過支座支撐在拱肋及立柱上;②拱梁固結，即拱上連續梁兩端分別與邊拱及中拱固結，中間通過支座支撐于立柱上。2種連接方式所形成的結構體系不同，雖然整體結構外在形式差別不大，但結構細節構造、施工過程及成橋階段結構受力均有很大差別。

在成橋過程中，拱梁分離體系施工時，在公路兩側順公路方向搭設支架，先后現澆(79+79)m的拱肋、拱上立柱、拱上連續梁，張拉8束55－φj15.2臨時系桿，并采取措施臨時固結拱梁，拆除支架，見圖2;準備就緒后轉體就位，封鉸，邊、中跨合龍，解除拱梁臨時連接，再交替張拉14束85－φj15.2永久系桿、拆除8束55－φj15.2臨時系桿;拱梁固結施工時，先在公路兩側順公路方向搭設支架，先后現澆(79+79)m的拱肋、拱上立柱、拱上連續梁，拱梁固結前張拉8束 23－φj15.2體內預應力束及6束55－φj15.2臨時系桿，拆除現澆支架，準備就緒后轉體就位，封鉸，邊、中跨合龍，再交替張拉10束85－φj15.2永久系桿、拆除6束55－φj15.2臨時系桿。

圖2 轉體前結構狀態

2種結構體系成橋過程基本相同，主要區別是固結體系中無拱梁臨時固結及解除等過程。拱梁分離體系中，拱上系梁為純粹的(20+2×22+20)m四跨連續梁結構，僅將梁長度范圍的橋面荷載及其本身自重，通過支座以豎向力的形式傳至拱肋，后張的系桿力通過邊拱傳遞至基礎，平衡主拱推力。施工過程中，為平衡拱上連續梁及懸臂狀態下拱肋自重產生的彎矩，需要張拉大量臨時系桿，為增強結構穩定性，拱梁須臨時固結，中跨合龍、解除拱梁臨時約束體系形成后，逐步將臨時系桿置換為通長的永久系桿，此時，梁受力已完全獨立于拱;拱梁固結體系中，拱上系梁將邊拱與中拱連接為一整體，共同受力、相互影響;施工過程中，為抵消結構自重在拱肋內產生的彎矩，固結拱梁前張拉部分體內預應力束及臨時系桿，中跨合龍后張拉通長系桿。轉體前，邊拱、中拱1/2、系梁已形成穩定的結構體系，中跨合龍后，結構大部分恒載已不再會對基礎產生水平推力，所以后期需要的通長系桿要少很多。

2種結構體系主要分析計算結果見表1。拱梁固結體系，雖然構造相對復雜，但計算結果表明其梁端轉角顯著減少，結構剛度更大，拱肋應力相對合理，結構整體性明顯增強，穩定性也得以提高，且轉體施工過程中張拉的體內預應力索兼做永久系桿，臨時系桿及永久系桿數量均有所減少，優勢較為明顯，因此最終采用拱梁固結體系。

表1 兩種結構體系主要計算結果比較

2.2 拱上連續梁施工方法研究

對于固結形式的上承自錨式拱橋，拱上連續梁施工方法不僅涉及其自身施工過程的復雜與難易程度，同時直接影響到連續梁、乃至整個結構體系的最終受力狀態，因此研究合理的拱上連續梁施工方法，十分必要。根據拱上連續梁的形成過程，分別研究了先簡支后連續、一次現澆形成連續梁2種施工方法。

先簡支后連續施工方法中，首先在拱肋支架上現澆邊拱及中肋，張拉8束23－φj15.2體內預應力束(拱梁固結前按體外索設計)及6束55－φj15.2臨時系桿;然后在邊拱及中拱間上搭設支架現澆簡支梁;最后拆除拱肋及拱上支架，再現澆拱上連續梁間濕接縫及拱梁固結端，張拉拱上連續梁預應力索，見圖3，橋跨合龍后再交替進行10束85－φj15.2永久系桿張拉及6束55－φj15.2臨時系桿拆除。

圖3 先簡支后連續施工示意

一次現澆形成連續梁施工方法中，首先在拱肋支架上現澆邊拱及中肋，張拉8束23－φj15.2體內預應力束(拱梁固結前按體外索設計)及 6束 55－φj15.2臨時系桿;然后在邊拱及中拱間上搭設支架，同時在支架上一次澆筑拱上連續梁及拱梁固結端，張拉梁體內預應力索，最后拆除拱肋及拱上支架，見圖4。橋跨合龍后再交替進行10束85－φj15.2永久系桿張拉及6束55－φj15.2臨時系桿拆除。

圖4 一次現澆形成連續梁施工示意

2種施工方法成橋后，拱、梁運營階段應力分析主要結果見表2、表3，采用一次現澆形成連續梁施工方法時，拱、梁截面上、下緣均有較大的拉應力。

表2 不同施工方法拱肋運營階段正應力 MPa

表3 不同施工方法拱上連續梁運營階段正應力 MPa

拱上連續梁采用先簡支后連續的施工方法，因拱梁固結前，張拉了處于簡支狀態箱梁的部分底板索，該部分預應力索對拱梁無次內力影響;而一次形成連續梁施工方法中，梁固結后組成內部超靜定結構，箱梁張拉預應力索，該部分預應力索產生的次內力對拱梁均有影響。另一方面，先簡支后連續的施工方法中，形成連續梁體系前拱肋及梁體下方的支架已經拆除;而一次形成連續梁施工方法中，需待梁拱固結后方可拆除拱肋及梁體下方的支架，并引起拱肋變形，且變形大小隨拱肋位置不同而不同，導致連續梁各支點處發生不同變形，引起其內力的變化，使得梁體受力更加復雜不利。因此，最終選擇施工工藝相對復雜、但對結構受力明顯有利的先簡支后連續的方法施工拱上連續梁。

2.3 結構橋面線形研究

自重、活載、溫度變化、混凝土收縮徐變等因素，都會導致橋梁橋面線形的變化，為確保高速列車運行時的平穩性、舒適性，要求橋面線形后期變化必須限定在某一范圍內。其中結構自重及活載引起的變形，通過設置預拱度予以直接消除;溫度變化、收縮徐變引起變形雖然也是通過設置預拱度減小其影響，但因溫度變化有正、有負，特別是該橋式，橋面線形受溫度變化較敏感，因此必須結合合龍時溫度、環境溫度綜合考慮;而收縮徐變則是一個漫長的過程，本橋建設工期很短，合龍后不到2個月就鋪設橋上無砟軌道，收縮徐變變形基本上是在通車后逐步完成，因此要綜合考慮徐變發生前與完成后兩中橋面線形。

溫度變化對該橋型線形變化影響很大，無論外部環境溫度處于最高時，還是處于最低時，要確保高速列車在橋上平穩舒適運行，在鋪設無砟軌道時就必須考慮溫度變化對軌道高程的影響。跨滬杭高速公路主橋于2010年6月10日合龍，當天合龍溫度為18℃;該橋于2010年7月30日鋪軌，當天氣溫30℃。由于鋪軌當天溫度高于合龍當天溫度12℃，軌面相對于合龍階段產生了升溫12℃的變形，此時軌面高程調整為整體升溫12℃的線形與結構預拱度線形之和。按照上述思路，鋪設無砟軌道時，其軌道高程=設計高程+恒載(含收縮、徐變)變形反方向值+靜活載位移反向值(根據車橋動力線形值范圍確定靜活載系數)+升、降溫N(℃)(鋪軌階段系統溫度與合龍階段系統溫度差值)位移值。

結合本橋變形、施工過程等特點，在車橋動力分析[5]中，重點考察結構系統整體升降、溫和混凝土收縮徐變產生的影響，將其以組合曲線的形式疊加到軌道不平順中進行列車走行性分析，計算采用4種橋面初始變形曲線組合:①成橋3年軌面曲線(含收縮徐變)+整體升溫25℃位移曲線;②成橋3年軌面曲線(含收縮徐變)+整體降溫25℃位移曲線;③成橋3個月軌面曲線(含收縮徐變)+整體升溫25℃位移曲線;④成橋3個月軌面曲線(含收縮徐變)+整體降溫25℃位移曲線。根據4種橋面曲線車橋動力分析結果，優化橋面預拱度設置，再分別檢算，直到在每一種線形工況下，高速動車組以設計時速通過橋梁時，列車的乘坐舒適度均達到“良好”以上。

3 結語

滬杭客運專線跨滬杭高速公路橋梁采用的(88+160+88)m上承式拱橋結構及拱梁固結體系，大橋于2009年5月開工建設，2010年6月10日全橋合龍，2010年10月建成通車。上承式拱橋結構受力明確，拱肋高度相對較小，豎向剛度較大，采用轉體施工，工期短，施工時對公路行車影響小。拱梁固結體系，結構剛度大、整體性強，能較好地滿足鐵路行車要求。該橋型簡潔美觀，能適用平原及軟基地區，有較強的適用性及推廣價值。