重載鐵路中承式大跨鋼管混凝土提籃拱橋關鍵技術研究

徐洪權

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

1 概述

1.1 工程概況

浩吉鐵路于晉陜交界的禹門口地區以橋梁方式跨越黃河，是全線的重難點和控制性工程。橋位河道順直，河床平坦.基巖裸露，無邊灘，河道與線位正交。河道底寬90 m，上口寬150 m，陜西側岸坡較為平坦，上覆新黃土，山西側岸坡較為陡峭，基巖出露，岸邊高出河底50 m。橋址位于山陜高原，累年平均氣溫11.4 ℃，累年極端最高氣溫42.5 ℃，累年極端最低氣溫-19.9 ℃，累年最大風速26 m/s。地震動峰值加速度0.15g(Ⅶ度)，Ⅰ類場地，Ⅱ區，反應譜特征周期為0.30 s。

防洪要求一跨跨越黃河，不得破壞邊坡和影響行洪。橋位處四級航道。兩岸均有道路，其中龍虎公路立交凈空8.5 m×4.5 m，其為重要運煤通道，異常繁忙，交管部門不允許斷道施工。山西側岸坡陡峭，存在局部滑動風險，施工條件極差，且施工開挖會影響河道行洪和公路通行。綜合考慮防洪.通航.立交.地質.環保等要求，對斜腿剛構.懸索橋和拱橋等橋式方案開展技術經濟比選[1]，并考慮重載鐵路荷載特點[2-4].地形地貌.線路條件等外部條件和橋梁設計.施工.運維.養修等技術和經濟等方面因素，設計采用1-202 m中承桁式鋼管混凝土提籃拱橋，如圖1所示。

圖1 中承式拱橋方案布置概圖(單位：m)

1.2 關鍵技術研究概況

中承式鋼管混凝土拱橋[5]特別適用于山區峽谷地形，本橋首次將大跨中承式鋼管混凝土提籃拱橋應用于重載鐵路，荷載重.地震烈度較高，溫差較大，設計風速較大，非常有必要對橋梁在鐵路工程應用中所關注的剛度.強度.疲勞.穩定性.舒適性及動力性能等熱點問題進行深入研究，使橋梁既滿足使用功能，又具有技術創新性，并達到橋梁結構與建筑藝術的完美結合，為該結構應用提供技術依據，為我國在重載鐵路上應用大跨度橋梁的設計.施工積累經驗和翔實的技術資料，推進鐵路橋梁科技進步。

2 中承式拱肋關鍵技術研究

2.1 拱肋跨度研究[5]

由線路縱斷面和地質鉆孔(圖1)可知，橋梁兩側分別接路塹和隧道，橋長在260 m左右，考慮峽谷地形穩定坡腳線.通航等對基礎埋深和跨度的影響，確定拱跨在170～220 m，結合合適吊桿間距及其設置，分別選用拱跨184.202 m和210 m的中承式拱橋，對比分析見表1。

表1 拱跨綜合對比

從橋梁長度與兩側相接的路基.隧道的適應性，拱跨布置的對稱性與設計和施工制造難度，邊跨布置合理性與結構受力特性，拱座與地形地質適應性等技術和經濟方面綜合比選，選擇202 m拱跨方案。

2.2 拱肋設計參數研究[6-8]

拱軸線形的選取對拱橋受力性能影響較大，為充分發揮鋼管混凝土的材料性能，拱軸線應接近壓力線，由于重載鐵路荷載的特殊性，選取懸鏈線作為拱軸線。結合統計資料和計算分析，確定鋼管混凝土拱肋采用矢跨比為1/4，拱軸系數m=1.6的懸鏈線。

鋼管和混凝土的材料強度高，隨著拱肋跨徑增大.寬跨比減小，橫向穩定問題愈發突出。提籃拱可加強結構整體橫向穩定性，增強美學效果和抗震性能，但同時也會增大施工難度.降低拱肋的面內極限承載力。通過對拱肋內傾0°.3°和6°(分別對應拱腳中心距17.2.18.6 m和20.2 m)的分析，可知內傾3°的自振基頻比內傾0°提高了10%，內傾6°比內傾0°提高了31%。從工程量基本穩定，提高結構橫向穩定性和拱肋結構線性美觀出發，本橋拱肋采用內傾6°的方案。

鋼管混凝土拱肋截面分為實體式和桁式。實體拱肋構造簡單.施工簡便，適用于較小跨徑。桁式拱肋能夠采用較小的鋼管直徑取得較大的縱橫向抗彎剛度，是大跨徑鋼管混凝土拱橋的合理截面形式。根據國內外拱橋設計經驗和試算分析，選擇鋼管混凝土桁式拱肋，對拱肋鋼管直徑分別為800.900 mm和1 000 mm進行對比分析，綜合考慮技術經濟性和施工便利性，選擇900 mm管徑的等寬變高的鋼管桁式拱肋(圖2)。

圖2 鋼管混凝土拱肋截面(單位：mm)

同時參照已建橋梁和相關資料，拱肋自振基頻需滿足1/(0.011L)的要求，分析確定橋面以上拱肋間設置6道“K”形空間桁式撐，橋面以下拱腳間設置2道“X”形空間桁式撐。

經過計算分析，研究確定的拱肋方案用鋼量為13.88 t/延米，混凝土為6.7 m3/延米，拱肋四分跨豎向撓跨比為1/2 006，自振基頻0.475 Hz，橋臺最小支反力453 kN，主附工況下拱肋鋼管最大應力182 MPa(下弦拱頂)，鋼纖維混凝土最大拉應力4.0 MPa(上弦拱腳)，施工工期145 d。該方案具有拱肋通透性好，造型美觀.耐久性好，施工便利.便于維養等優點。

3 橋面系及橋跨布置研究

3.1 橋面系結構形式研究[9]

(1)正交異性鋼橋面板

正交異性鋼橋面板主要由面板以及與其焊接的橫梁.縱肋構成，橫梁主要為橫隔板，縱肋主要為U形結構，三者互為垂直，焊接成整體而共同作用。正交異性鋼橋面板不僅是橋面板，還是主梁截面的重要組成部分，它既是縱肋.橫肋的共同上翼緣，也是主梁的上翼緣，故其結構行為十分復雜，在縱向和橫向的結構性能和受力行為不同，受到多頻次循環荷載，尤其是重型車輛的通行帶動面板.縱肋和橫肋產生面外變形，在焊接連接約束處產生較大的次彎曲應力集中，易引發疲勞裂紋。本線為重載鐵路，荷載重.列車沖擊頻次高，結構疲勞問題尤為突出，對于直接承受列車荷載的橋面板，必須選擇疲勞性能良好的結構體系，而正交異性鋼橋面板的疲勞問題還有許多問題需要解決，不宜作為本橋橋面板。

(2)鋼-混結合梁橋面板

鋼-混結合梁橋面板是指通過抗剪連接件將鋼縱.橫梁與混凝土橋面板連接成整體，實現共同受力的梁體受彎結構，焊接栓釘連接件是常用的抗剪連接件，設計理論相對成熟，應用時間相對較長。國內外諸多學者開展了模型試驗和理論研究，基本解決了結合梁內力分配.剪切變形.剪力滯及滑移效應.承載力等難題，推動了鋼-混結合梁的工程應用。橋面采用鋼-混結合梁，能有效降低結構自重和橋面系建筑高度。施工時可先吊裝鋼縱橫梁節段，然后以鋼縱橫梁為平臺，安裝預制混凝土橋面板，現澆縱橫濕接縫，保證了橋面板施工質量，減小混凝土收縮徐變影響，且節段吊重顯著減小也降低對吊裝機具的要求。

綜上，橋面系推薦鋼-混結合梁形式。

3.2 鋼-混結合梁結構形式研究

鋼-混結合梁主要有以橫梁受力為主的密橫梁體系和縱橫結合的主縱梁體系兩種。小跨徑拱橋多采用縱鋪橋面板，即以橫梁受力為主，其受力明確，施工方便，但整體性較差，抗風險能力也較差，在中.下承式拱橋中，一旦吊桿破壞，橋面板極易落入河中，造成嚴重事故。對本橋主縱梁和密橫梁的結合梁橋面系進行了對比研究(表2)。

表2 主縱梁與密橫梁的結合梁橋面系對比

通過計算分析可知，主縱梁體系豎.橫向剛度均較大，利于重載鐵路拱橋在二期恒載和活載較大時行車安全性和平穩性，且用鋼量省，橋面板混凝土應力水平較低，故推薦雙主縱梁的鋼-混結合梁橋面系。

3.3 橋跨布置研究

對于橋面連續鋼-混結合梁，其支承跨度布置將直接影響到橋面系.拱肋.支座等結構受力。在保持吊桿間距和橋面系長度一致的基礎上，研究了將次邊支點設置在拱座上方的框架邊墩的邊墩方案和取消拱座上方邊墩設置在拱肋相交處上弦支墩的支墩方案。通過計算分析，橋面系支承跨度的布置影響排序為各處支座的支承反力.橋面系和拱肋，結構剛度影響較小。支墩方案橋臺支點出現負反力，而邊墩方案則有最少452 kN的支反力儲備，可保證最不利工況下支座受壓。目前，解決負反力影響的措施大致有橋面系壓重.梁端預頂位移.設置柔性拉力體系等，但這些措施要么增加混凝土方量，要么施工過程較為復雜，施工控制困難，要么需要進行特殊結構設計，后期維養工作量大，更換困難。故推薦拱座上方設置框架墩支承的邊墩方案，其橋跨布置為(15.0+9.0+13.5+17×9.0+13.5+9.0+15.0)m。

3.4 抗震.降溫效拱梁體系研究

為了降低高震區和大溫差對無鉸拱.長聯梁的不利效應[10-12]，經設計研究，本橋采用拱梁分離體系，即拱梁間設置支座。晉.陜側拱座邊墩上分別設置縱向固定和活動的支座，且后者增設4組液體黏滯阻尼器，兩墩共同分擔縱向地震力。橋面結合梁非震時可自由變形，顯著降低了大溫差的拱梁相互作用，且結合梁自重較輕，可顯著降低梁部結構產生的地震力，罕遇地震工況下橋墩仍可保持線彈性工作狀態，抗震性能良好。

4 超高疲勞性能吊桿體系研究

4.1 吊桿結構受力計算方法研究

吊桿作為橋面系結構的彈性支點，與剛性支承的支座不同，列車運行時，吊桿處橋面位移相對較大，拱梁共同分擔列車荷載。彈性支點不能簡單地將兩支點間距作為計算跨度，需進行單位力加載，求得各吊桿影響線的加載長度(圖3)，進而準確求得吊桿檢算的動力系數[13-14]。

圖3 D8吊桿活載影響線

綜合考慮累計百分率和安全性等因素，研究確定活載影響線加載長度：端吊桿取相鄰拱上橫梁與相鄰2倍吊桿間距較為合適，即13.5 m+2×9.0 m=31.5 m；其他吊桿取左右兩側各相鄰2倍吊桿間距較為合適，即2×9.0 m+2×9.0 m=36.0 m。

由于重載鐵路活載大引起吊桿疲勞應力幅值高，鑒于鐵路橋梁用吊桿的疲勞強度一般為200 MPa(冷鑄墩頭錨)或250 MPa(整束擠壓鋼絞線)，為了降低疲勞應力幅，需要增大吊桿規格，從而加大強度安全系數，需要取得結構的強度安全和疲勞安全的最佳平衡點。計算分析表明：

(1)吊桿強度安全系數取4時，吊桿的疲勞應力幅在183.6～220.1 MPa，結構在重載鐵路列車荷載作用下，非常不安全；

(2)吊桿強度安全系數取5時，吊桿的疲勞應力幅在185.5～195.5 MPa，滿足疲勞受力要求。

4.2 吊桿設置方案及錨固體系研究

4.2.1 吊桿設置方案研究

(1)吊桿橫斷面布置研究[15]

本橋為內傾6°的提籃拱，若吊桿采用傳統豎置，桁拱將承擔較大的面外扭矩，引起拱肋吊桿處局部扭轉和疲勞破壞，故在橋面吊桿處設懸挑橫梁，使吊桿傾斜角度與拱肋保持一致(圖4)。

圖4 全橋局部橫斷面及吊桿橫斷面

(2)雙吊桿方案研究

為了克服吊桿疲勞安全儲備不足和更換的困難，結合單吊桿換索構造，充分考慮景觀.施工及維養等，每個吊點設置2根吊桿，形成雙吊桿體系，進一步增大吊桿和結構的整體安全性。

①橫向雙吊桿方案：由于拱肋間橫向空間狹窄，僅有1.1 m，布置2根吊桿，制造困難，張拉施工空間受限，且計算表明吊桿上.下錨固端的總體等效應力均較大，超過500 MPa，會引起局部塑性變形，應力重分布，進而可能產生疲勞裂紋，影響結構安全。

②縱向雙吊桿方案：該方案極大地改善了吊桿上.下錨固端的施工.維養.檢修空間，也有效降低了錨固構造的應力集中程度，吊桿上.下錨固端的局部最大等效應力小于250 MPa。

綜上，選擇縱向雙吊桿方案(圖5)。

圖5 縱向雙吊桿示意(拱肋)(單位：mm)

4.2.2 吊桿錨固體系研究

重載鐵路荷載重，活載占比大.沖擊頻繁，對吊桿錨固體系的疲勞強度和疲勞壽命提出了相當高的要求，需要開展疲勞設計。本橋吊桿應力在138～340 MPa(即0.074fptk～0.183fptk)，采用高強度安全系數雙吊桿體系，有效降低了吊桿疲勞應力幅，但吊桿的最小應力水平小于0.1fptk，具有低應力水平超高疲勞應力幅的特點。

目前我國鐵路拱橋吊桿最大疲勞應力幅大多在100 MPa左右，而本橋接近200 MPa，吊桿疲勞問題突出。疲勞破壞屬于脆性破壞，具有突發性和不可預見性，故需要選擇容許疲勞應力幅較大的吊桿錨固體系。目前，平行鋼絲束容許疲勞強度為200 MPa，采用墩頭錨，低應力水平時鋼絲束不能充分拉緊，錨固效率保障率低，可能引起部分鋼絲發生疲勞斷絲等危及橋梁結構和行車安全，且冷鑄墩頭錨尺寸較大。整束擠壓鋼絞線的疲勞強度一般在250 MPa，且吊桿索體和兩端錨頭尺寸較小，減小了拱肋錨梁狹小空間構造設計的難度，增大了結構可靠性，施工.檢查和維養操作空間得以保障。

端吊桿拱肋錨固端設置在上弦，但長度也僅有13 m，短吊桿的附加應力和疲勞問題在工程中是個需要重視的問題，故研究確定吊桿拱肋張拉端采用球型螺母，橋面系懸挑橫梁固定端采用銷接叉耳構造(圖6)。為了增加吊桿的安全系數，設計過程中國內首次提出低應力水平超高容許疲勞應力幅300 MPa，使用壽命為50年的要求。

圖6 吊桿構造示意

5 施工方案及線形控制研究

5.1 施工方案研究

按照施工過程中拱結構的主要受力和成拱原理，可以分為支架法.勁性骨架法.懸臂施工法.轉體法.纜索吊掛法和大節段吊裝法等[5]。

本橋中等跨度桁架拱，拱肋高度小.腹桿長度較短，跨越黃河處施工場地受限，不便于采用支架法.勁性骨架法.懸臂施工法和轉體法。

以結構外形簡潔美觀.制安方便，盡量減少現場焊接作業的原則，鋼管拱和橋面系鋼梁均采用大節段制造和安裝。鋼管拱采用纜索吊裝.斜拉扣掛法，橋面系鋼梁采用纜索吊拼，并充分結合地形采用纜塔和扣塔一體塔架和巖錨(圖7)。

圖7 施工方案示意(單位：高程以m計，其余cm)

根據施工方案確定纜索吊最大吊重1 200 kN。拱肋采用單榀吊裝，纜索吊可橫向移動，以適應提籃式拱肋在拱腳與跨中拱頂不同的橫向位置，更好地發揮其承載能力。鋼管拱吊裝節段最大長度20 m.最大吊重760 kN，鋼梁吊裝節段最大吊重1 100 kN。

5.2 線形控制技術研究

目前主要有：正裝分析法.倒拆分析法和無應力狀態等3種線形控制計算方法[16-17]。

根據結構計算成果，確定線形控制要求為：鋼管拱懸拼線形與鋼管拱一次成拱線形相吻合；在考慮橋面系所引起的拱肋變形基礎上，鋼縱橫梁每個吊裝節段均不設預拱度。

5.2.1 鋼管拱線形控制研究[18-19]

(1)線形控制思路和方法

為滿足線形控制要求，需要確定懸拼過程中拱肋扣點預抬高值以及扣索的初索力及在各階段中的索力。設計中采用斜拉橋施工中的無應力狀態法，索力一次張拉到位，拆除扣索之后便是設計線形。以最大懸臂狀態作為拱橋施工過程的中間目標狀態，利用Midas未知荷載系數法對拱橋最大懸臂狀態進行索力優化分析，以最大懸臂狀態端點水平位移控制在0.000 5 m，轉角控制在0.000 5 rad范圍內為位移約束條件，通過索力影響矩陣，進而得出最大懸臂狀態各索索力，作為倒拆計算的開始，并求得正裝計算的無應力索長。

(2)計算結果誤差分析

通過倒拆和正裝計算，可以得到拆除扣索后各控制點的最終撓度值，將此撓度值與一次成拱撓度值進行對比(圖8)。可以看出最大誤差僅為1.348 mm，滿足工程精度要求。

圖8 分段拼裝和一次成拱拱肋撓度對比

5.2.2 橋面系線形控制研究

(1)線形控制思路和方法

在確定合理成橋索力時，一般方法有剛性支承連續梁法.零位移法.彎曲能量最小法等，本文對支承連續梁法進行改進，即考慮橋面系恒載所引起的拱肋變形。

(2)計算結果誤差分析

設計中采用支承連續梁法計算得到恒載作用下的吊桿初始索力和考慮拱肋變形的有應力索長，進而得到無應力索長再進行正裝驗算，最終得到成橋狀態橋面系控制點撓度(圖9)。

圖9 橋面系控制點成橋撓度

由圖可知，此方法進行橋面系施工控制，控制點最大撓度<1.5 mm，發生在橋面系跨中位置，成橋時橋面總體平順。

6 全橋動力仿真分析

本橋造型新穎.結構復雜，為保證列車行駛安全性和舒適性，需要研究車輛荷載下的橋梁振動特性[20]。通過建立車-線-橋空間耦合振動分析模型，對全橋開展動力仿真分析，結論如下。

(1)在C80型貨車以速度60～90 km/h通過和CRH2型客車以速度80～140 km/h通過，主梁跨中.拱頂及1/4拱圈處的豎向和橫向振動位移均較小；主梁跨中.拱頂及1/4拱圈處的豎向和橫向振動加速度均小于規范規定的限值，說明橋梁的振動性能良好。

(2)在C80型貨車以速度60～90 km/h.CRH2型客車以速度80～140 km/h通過時，車輛的脫軌系數.輪重減載率.輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內，列車行車安全。

(3)在C80型貨車以速度60～90 km/h.CRH2型客車以速度80～140 km/h通過時，重車(動車)與空車(拖車)豎向和橫向平穩性均達到“優良”。

綜上，本橋在C80貨車以速度60～90 km/h.CRH2動車組以速度80～140 km/h通行時，行車安全性和運行平穩性滿足要求，動力性能符合要求。

7 研究結論

首次將大跨中承式鋼管混凝土提籃拱橋應用于雙線重載鐵路，研究解決了重載鐵路活載大.結構疲勞應力幅值高.施工難度大.無縫線路受力和多跨連續鋼混結合梁橋面計算復雜等關鍵技術難題。

(1)研究采用吊桿與拱肋同平面布置的提籃式四肢空腹桁架式鋼管拱肋，吊桿錨固構造簡單，兩榀拱肋間距小，鋼管拱結構構造緊湊，拱肋內空間利用效率高，且結構剛度大，便于制造和安裝，景觀效果好，經濟合理，施工技術成熟。

(2)研究采用拱梁分離的半漂浮結構體系有效釋放了拱梁之間因不同步變形引起的溫度次應力，改善了拱梁結構受力，滿足了無縫線路受力要求，抗震性能良好。

(3)研究采用300 MPa超高疲勞應力幅的整束擠壓鋼絞線的縱向雙吊桿及其錨固系統，滿足了重載鐵路拱橋吊桿疲勞強度要求，便于換索且很好地適應了拱梁間縱向變形。

(4)鋼管拱和橋面系鋼縱橫梁均采用大節段制造和安裝技術，減少了現場焊接作業

(5)拱肋無應力狀態法和考慮拱肋變形的橋面系線形控制技術指導了施工，保證了成橋線形。

(6)車-線-橋耦合振動仿真分析表明，本橋行車安全性.運行平穩性和動力性能滿足要求。