簡支梁橋和拱橋組合鐵路橋的關鍵設計參數分析

李志強　王小妹

摘 要：根據寧啟線64 m簡支梁、拱橋組合的情況，詳述了這種橋梁的結構細節、關鍵設計要點和施工方案，并總結了該結構用于中等跨度鐵路橋時，與其他類型的橋梁相比較的優、缺點。

關鍵詞：鐵路；簡支梁和拱橋組合橋；參數分析；下承式橋梁

中圖分類號：U441 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.009

1 簡介

寧啟線以62°的夾角穿過滬通線，最大跨度為64 m。寧啟線區段的曲線半徑為1 600 m。為了確保該區段縱向坡度不大于11.4‰，該橋最大凈高為16.6 m。而滬通線的軌道高度為6 m，相應凈空為8 m。因此，新建橋梁的厚度應<2.4 m。簡支梁與拱橋組合橋作為一種新型橋梁結構，具有高度低、噪聲低、投資少和節省用地等優點。

該橋總長為65.5 m，最大跨度為64 m，矢跨比為1∶5，拱高12.8 m，橋拱采用二次拋物線。梁采用預應力混凝土梁，主梁端座部橋面面寬5.7 m，高2.4 m，厚1.0 m，腹板厚1.5 m。主梁中部橋面寬6.3 m，高1.9 m，厚0.5 m，腹板厚0.9 m。梁在縱向方向上由12 15-7Φ5預應力鋼筋張拉。拱肋由單肢充滿混凝土的鋼管構成。鋼管直徑為1.0 m。2個K型和1個H型支撐設置在兩拱肋之間。單個支撐水槽拱形復合橋的概況（正面圖、斷面圖、平面圖和拱肋截面）如圖1、圖2、圖3和圖4所示。

2 最佳設計分析

2.1 所有計劃采用的設計

采用64 m跨度的橋梁作為分析案例，本文比較了采用不同橋梁類型的3個方面的影響因素，分別是線性特點、技術要求和工程費用。

簡支梁槽girder-arch組合橋的概述具有多種方案，具體如表1所示。

設計鐵路橋時應遵循以下5點原則：①確保鐵路運行正常，滿足動態荷載的特性；②減少梁深度的同時，滿足凈空要求；③節約成本；④施工便捷；⑤較好的外形，與周邊環境融洽。

簡支梁和拱橋組合橋應滿足的要求主要有高度較低、適用于小半徑曲線、造型美觀和具有經濟性。

2.2 拱橋的關鍵設計細節

鐵軌可以鋪設在腹板的內側或外側。當鐵軌鋪設在腹板的內側時，火車將具有更大的運行空間，視覺效果也會更佳，橋梁的主要懸索將焊接在拱肋上。

下承式橋梁的梁有工型、T型、箱型和U型等，各具特色。中小跨度橋梁采用工型梁；雙線或中大跨度橋梁因需求較高的抗扭強度，一般采用箱梁。

此外，強度要求和外觀要求均需要考慮。如圖5所示，隨著拱剛度比增加，撓跨比不斷減少。當曲拱的剛度比超過22時，撓跨比穩定在1∶4 800. 恒載、活載和內力會隨著拱的高度增加而增加。當梁高度過低時，軸向拉力和力矩會變得非常大，難以安裝預應力鋼筋。因此，有必要在考慮強度、剛度和經濟性后，再決定梁的高度。

如圖6所示，當等跨度橋梁的矢跨比分別為1∶4.5，1∶5，1∶5.5時，拱腳軸向力分別為22 039 kN、23 656 kN、25 259 kN，固定靜負荷撓曲分別為15.2 mm、14.9 mm和14.8 mm。考慮到剛度、拱腳軸向力和其他設計分析，矢跨比為1∶5是合理的。

如圖7所示，當拱圈截面為不同類型時，對應的剛度是不同的。固定靜負荷作用于懸臂且并未發生變化時，梁的強度不會發生改變，但對拱圈的強度影響較大。因此，承壓能力決定著拱圈設計。當跨度較小時，選擇方鋼管灌注混凝土作為拱圈；大跨度的橋梁應采用圓鋼灌注混凝土作為拱圈材料。

相關設計參數包含拱圈矢跨比、拱軸系數、拱圈界面類型和斷面高度。因此，合理選擇參數可以確保結構安全，且具有適用性和經濟性。

矢跨比值通常應在1∶7～1∶3之間。本次研究對比分析了矢跨比分別為1∶4.5，1∶5和1∶5.5，相應的拱圈高度分別是16 m、12.8 m和11.64 m。從表2中提供的信息可以看到，通過比較不同跨度與高度的比例，拱座的軸向力分別是22 039 kN、23 656 kN和25 259 kN。同時，橋的活載撓度分別是15.2 mm、14.9 mm和14.8 mm。推薦的方案為：矢跨比采用1∶5，跨度高度為12.8 m，同時，考慮了剛度和景觀方面的要求。拱橋拱

軸的線性將直接影響拱圈內力和截面應力分布。此外，它與結構耐久性、經濟性和安全密切相關。選擇拱軸線的線性基本原理是使壓力線與其保持相同狀態，因此，選擇靜載壓力線作為拱軸線，以減少彎矩。

通常情況下，拱軸線的選擇應滿足以下要求：減少界面彎矩，降低荷載作用下主橋壓力變化性；在相同效果下，使施工更容易和方便；橋的幾何線形應符合審美觀。

甲板通過系桿拱將負荷傳遞給拱圈。由于垂直荷載均勻分布，合理的拱圈線性應為拋物線。在本次研究中，二次拋物線拱軸和兩個不同的m值分別為1.127和1.167.

由此可見，活載作用下三個拱軸線之間的差異較小，為14.8～14.9 mm。其中，二次拋物線拱軸線的拱座彎矩最小為1 967 kN·m。由于拱座彎矩比較復雜，所以，所有荷載應盡可能地減小。因此，二次拋物線拱軸線是本案例的最佳選擇。

當大跨度、雙線或多線橋梁、槽梁、嚴重開放截面抗扭強度的能力具有明顯的剪力滯后效應時，該方案并不是理想的選擇。利用箱形斷面主梁和跟蹤床，并采取支持橫梁可降低剪力滯效應。

3 結束語

簡支梁槽梁拱橋組合橋梁的梁深度較低，適合限制縱向坡度等，這是低高度梁的一個新選擇；槽梁與拱組合橋可優化設計和垂直邊坡設計，減少征用土地面積和投資，具有巨大的經濟效益和社會效益；槽梁可阻止噪聲的傳播，適用于市區或大型居住區。

參考文獻

[1]Hu K Z，Jiang X Y，Lu G L.Trough girder[M].Bei Jing：China Railway Press，1987.

[2]Zhang S D. Shear lag effect of thin-wall box girders [M].Bei Jing：China Communications Press，1998.

[3]Li X X，Shi X F，Ruan X，et al.Analysis of shear lag effect in wide single cell box girder PC bridges with low depth[J].Structural Engineers，2008，24（2）：43-47.

作者簡介：李志強（1988—），男，山西方山人，畢業于華東交通大學，助理工程師。王小妹（1989—），女，江西九江人，畢業于華東交通大學，助理工程師。

Abstract： According Ningxi to Qiyang 64 m simply supported beam， arch combination of circumstances， detailing the structural details of this bridge， the key design features and construction program， and summarizes the structure when used for medium span railway bridge， and other types of bridges compared to the advantages and disadvantages.

Key words： railroad； simply supported beam and arch composite bridge； parametric analysis； span bridge