鐵路500 m跨度上承式拱橋橋式方案研究

楊欣然 李 艷 季偉強

(中國鐵路設計集團有限公司 天津 300308)

1 引言

拱橋具有跨越能力強、結構剛度大、承載能力高、抗風性能良好、行車動力性能優、養護工作量小等特點[1]，上承式拱橋成為艱險山區高速鐵路大跨度橋梁的最佳橋型之一，尤其適用于跨越兩岸陡峭的V形深溝。

上承式拱橋主要包括鋼桁拱橋、鋼管混凝土拱橋、鋼筋混凝土拱橋三種類型[2]。我國結合高速鐵路的建設實踐，對上承式拱橋的合理構造、受力變形行為、徐變控制、施工建造工法等開展了較為系統的研究，并先后建設了滬昆北盤江、準朔鐵路黃河特大橋、大瑞鐵路怒江特大橋、拉林鐵路藏木特大橋等多座大跨度拱橋，其中主跨445 m滬昆高速鐵路北盤江大橋，為世界上最大跨度勁性骨架混凝土拱橋[3]；準朔鐵路黃河特大橋主跨360 m，為鐵路最大跨度上承式鋼管混凝土拱橋[4]；拉林鐵路藏木特大橋主跨430 m，為鐵路最大跨度中承式鋼管混凝土拱橋[5]；大瑞鐵路怒江特大橋主跨490 m，為世界上最大跨度鋼桁拱橋[6]。

近年來，拱橋在國外的高速鐵路中的應用也日益增多，西班牙、德國均建成了多座大跨度混凝土拱橋，典型工程為西班牙的阿爾蒙特河大橋，采用了主跨384 m上承式混凝土肋拱[7]。在建的有印度奇納布河大橋，采用了跨度467 m上承式鋼桁拱橋。

2 鐵路跨徑500 m上承式拱橋拱肋結構比選

2.1 橋址概況

結合某鐵路項目，橋址區為典型高山深切“V”型峽谷地貌，坡陡谷深，橋高約350 m，覆蓋層較淺，巖石裸露，卸荷裂隙較深，基巖為花崗閃長巖。擬采用主跨500 m上承式拱橋方案。

2.2 主要技術標準

(1)線路等級:國鐵Ⅰ級，客貨共線。

(2)正線數目及線間距:四線鐵路(橋上設越行站)，線間距5 m。

(3)設計荷載:ZKH荷載。

(4)軌道類型:有砟軌道。

(5)速度目標值:200 km/h。

(6)橋梁工點平面線形:直線。

(7)地基本烈度:7度，地震動峰值加速度Ag＝0.18 g。

2.3 上承式拱橋拱肋結構比選

本橋為跨度500 m上承式拱橋，經調研大跨度拱橋矢跨比范圍，并根據拱腳建造條件，擬定矢高105 m，矢跨比1/4.76，如圖1所示。拱上結構采用10×40.8 m連續鋼箱梁[8]，設置11處立柱，拱座采用斜井基礎。鋼桁拱橋、鋼管混凝土拱橋、勁性骨架混凝土拱橋均可行，需進行比選研究。

圖1 主跨500 m上承式拱橋立面圖(單位:m)

(1)鋼桁拱方案

鋼桁拱采用提籃變高“N”形桁架，拱頂處桁高11.0 m，桁寬22 m，拱腳處桁高16.0 m，桁寬32 m，節間長度為10.2 m，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數1.8。拱肋弦桿件采用箱形截面，截面寬度為2 200 mm，截面高度為2 600 mm，腹桿截面根據受力采用箱形或H型截面，兩片拱肋弦桿在節點處通過橫向聯結構成整體，橫聯采用K字型結構形式。拱肋采用Q500qENH鋼材。

(2)鋼管混凝土拱方案

鋼管混凝土拱肋采用提籃變高桁架，拱頂處桁高11.0 m，桁寬22 m，拱腳處桁高16.0 m，桁寬32 m，節間長度為10.2 m，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數2.0。單片拱肋的上下弦桿主管均采用2根內徑1 800 mm的直縫鋼管，弦桿的兩根鋼管通過通長的綴板連接成啞鈴型，鋼管橫向間距為2.8 m。上下弦桿之間采用“H”型或“口”型雙腹桿連接，兩片拱肋弦桿在節點處通過橫聯連成整體，橫聯采用“米”字型結構形式。拱肋鋼管采用Q500qENH鋼材，拱肋鋼管內混凝土采用C70高性能自密實補償收縮混凝土。

(3)勁性骨架混凝土拱方案

勁性骨架混凝土拱橋采用箱形肋拱結構，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m＝3.0。兩榀拱肋從拱腳向拱頂內傾形成提籃拱，拱肋為單箱單室、等寬、變高箱形截面，拱頂拱肋間中心線間距13 m，拱腳拱肋間中心線間距32 m。勁性骨架采用鋼管桁架結構，全斷面由8根內徑φ1 100 mm鋼管組成，內灌C70自密實補償收縮高性能混凝土，外包混凝土采用C60高性能混凝土。

(4)拱肋結構比選

通過對三種方案的靜動力分析，在結構靜力、抗震性能、動力特性等方面，三種橋式方案均可行，均滿足規范要求，主要計算結果見表1。

表1 方案主要計算結果對比

鋼桁拱橋技術成熟，具有跨越能力強、施工便捷、結構自重輕、抗震性能好等優點，但鋼桁拱橋存在溫度變化敏感、用鋼量大、經濟性差等缺點。勁性骨架混凝土拱橋具有結構剛度大，對溫度變化不敏感等優點，但同時存在拱圈自重大，施工工序多，施工工期長等缺點。鋼管混凝土拱橋采用組合結構，充分發揮了鋼材與混凝土的材料特性，與混凝土拱橋相比強度更大，與鋼桁拱橋相比剛度更大，具有跨越能力強、結構剛度大、溫度敏感性低、施工便捷、經濟性好等優點。各方案的結構動力特性及拱肋工程數量見表2。

表2 結構動力特性及拱肋工程數量

從工程造價、施工難易、施工工期、運營期養護維修等方面進行綜合比較，推薦采用鋼管混凝土拱方案。

3 鐵路跨度500 m上承式鋼管混凝土拱橋關鍵設計參數比選

大跨度鋼管混凝土拱橋關鍵設計參數主要包括拱肋結構、拱上立柱、拱上梁型等，由于篇幅所限，以前面方案比選推薦的鋼管混凝土拱橋基礎資料為例，本文僅對拱肋結構的拱軸系數、拱肋傾角、拱上立柱參數比選進行闡述。

3.1 拱軸系數

對拱橋而言，拱軸系數直接決定了主拱圈的線形，而主拱圈的線形決定了其控制截面的內力和位移大小與分布。進行拱軸系數比選分析時，拱軸系數取值范圍1.2～3.0。

(1)拱軸系數與拱肋剛度的關系

經計算比較，拱肋活載撓度隨著拱軸系數的增大而增大，拱軸系數m＝1.2與m＝3.0相對差值為10%。梁端轉角隨著拱軸系數的增大而減小，m＝1.2與m＝3.0相對差值為－1%。

(2)拱軸系數與拱肋內力的關系(見圖2)

圖2 拱軸系數與拱肋內力關系

由圖2可知:

①拱頂上弦拱肋鋼管及拱肋混凝土軸力(壓力為負值)與拱軸系數呈正相關，對應m＝1.2和m＝3.0，主力工況下鋼管軸力差值為26%，混凝土軸力差值為28%。

②拱頂下弦拱肋鋼管及拱肋混凝土軸力(壓力為負值)與拱軸系數呈負相關，對應m＝1.2和m＝3.0，主力工況下鋼管軸力差值為－33%，混凝土軸力差值為－23%。

③拱腳上弦拱肋鋼管及拱肋混凝土軸力(壓力為負值)與拱軸系數呈正相關，對應m＝1.2和m＝3.0，主力工況下鋼管軸力差值為31%，混凝土軸力差值為30%。

④拱腳下弦拱肋鋼管及拱肋混凝土軸力(壓力為負值)與拱軸系數呈負相關，對應m＝1.2和m＝3.0，主力工況下鋼管軸力差值為－17%，混凝土軸力差值為－16%。

(3)拱軸系數與拱肋抗震性能的關系(見圖3)

圖3 拱軸系數與拱肋抗震性能關系

由圖3可知:

①對于橫向地震、縱向地震，m＝1.2～2.0范圍時，拱肋鋼管最大應力(壓應力為負值)與拱軸系數整體基本呈負相關，m＝2.0～3.0范圍時，拱肋鋼管最大應力(壓應力為負值)與拱軸系數整體基本呈正相關。

②對于橫向地震、縱向地震，m＝1.2～3.0范圍時，拱肋混凝土最大壓應力(壓應力為負值)與拱軸系數呈正相關，最大應力與最小應力相對差值分別為11%、19%。

(4)小結

綜合以上分析，拱軸系數m＝2.0時拱管與拱管混凝土軸力分布較為均勻，拱腳彎矩相對適中，拱肋用鋼量相較于其他方案增加不多，地震工況構件總體應力水平較好，推薦拱軸系數采用m＝2.0。

3.2 拱肋傾角

雙肋式桁架拱橫向布置有平行拱與提籃拱兩種方式，通常提籃拱形式能提供更大的橫向剛度[9]，同時能節約拱肋間橫向聯接系工程量，但是提籃拱形式由于拱肋帶有傾角，施工較平行拱形式要困難。本文對兩種拱肋空間形式進行了研究。

方案一:平行拱方案

根據《鐵路橋涵設計規范》，拱肋中心距不宜小于計算跨度的1/20，同時考慮兩岸拱座處地形條件，兩片拱肋中心線間距取28 m。

方案二:提籃拱方案

拱肋內傾角度4.09°，拱頂中心距為17 m，拱腳中心距為32 m，拱肋平聯及拱上立柱相應調整。

(1)豎向撓度

活載作用下，平行拱方案拱肋豎向撓度127.1 mm，提籃拱方案拱肋豎向撓度123.2 mm，提籃拱方案豎向剛度有所增大。

(2)運營工況拱肋構件應力

在主力工況，提籃拱較平行拱的拱肋構件應力減小幅度為1% ～3%，相差不大。在主附工況下，提籃拱較平行拱的拱肋鋼管及管內混凝土應力略有增加，但拱上立柱的應力水平減小幅度達到12%。

(3)抗震性能分析

由表3可知，橫向地震工況下，提籃拱較平行拱的拱肋構件應力水平下降幅度較大，提籃拱方案的抗震性能較好。

表3 橫向地震工況拱肋構件應力(負值表示壓應力)

(4)小結

綜上，提籃拱方案相較于平行拱方案，在結構靜力相應相差不大；提籃拱方案在地震工況下，構件應力水平總體相對較低。提籃拱的平聯和拱上立柱用鋼量較平行拱方案有所降低，經濟性較好。推薦采用提籃拱方案。

3.3 拱上立柱構造研究

(1)拱上立柱方案

對于鋼管混凝土拱橋來說，拱上立柱材質可采用鋼立柱、混凝土立柱、鋼混組合立柱三種形式。

方案一:鋼立柱方案

拱上立柱采用框架形鋼立柱，立柱根部與主桁架節點板相連，頂部設置橫梁放置支座。拱上立柱共有5種類型，最高為78.5 m，最矮為4.9 m。拱上立柱采用箱形斷面，橫橋向寬2.8 m，最高立柱順橋向寬3.2 m，其余寬2.8 m，板厚28～40 mm。立柱之間采用K型撐連接，撐架直桿采用箱形斷面，斷面寬1 m，高1 m，斜桿采用H型截面，寬1 m，高0.8 m。

方案二:混凝土立柱方案

混凝土立柱截面采用空心剛架立柱，橫橋向寬3.5 m，順橋向長4.0 m，壁厚60 cm；立柱蓋梁采用箱形截面，蓋梁高3.5 m，寬度與立柱順橋向長度一致，壁厚40 cm，為預應力混凝土構件。立柱之間采用K型撐連接，K撐直桿、斜桿采用箱形截面，高2.0 m，寬2.0 m，壁厚40 cm。

方案三:鋼混組合立柱方案

拱上立柱采用混凝土立柱方案結構型式，立柱間連接系采用鋼結構，其中斜撐采用H型截面，寬1 m，高1 m，橫撐采用箱形截面，寬1 m，高1 m。

(2)靜力計算

由表4可知，相較于鋼立柱方案，混凝土及組合立柱方案，拱橋各部件受力均有一定程度的增加。鋼立柱方案，拱肋混凝土最大拉應力出現在拱腳處。混凝土立柱方案，拱肋混凝土最大拉應力出現在2＃立柱與拱肋相交處。鋼混組合立柱方案，拱肋混凝土最大拉應力出現在2＃立柱與拱肋相交處。

表4 拱橋各構件應力對比(負值表示壓應力)

(3)抗震分析

由表5可知，相較于鋼立柱方案，混凝土及鋼混組合立柱方案，拱橋各部件受力均有一定程度的增加，混凝土立柱方案應力增加量略大于組合立柱方案，應進行彎矩曲率抗震性能檢算。

表5 橫向地震工況各構件應力對比(負值表示壓應力)

(4)小結

相較于鋼立柱方案，混凝土立柱方案節省了5 204 t鋼材，增加9 790 m3混凝土；相較于鋼立柱方案，鋼混組合立柱方案節省了4 030 t鋼材，增加6 645 m3混凝土，均有效提高了結構經濟性。

混凝土立柱或鋼混組合立柱，相較于鋼立柱，在運營工況下拱肋構件應力水平有所增加，其中柱底拱肋混凝土在主附工況下局部拉應力有所增大，可通過局部應力分析確定加強措施。

綜合考慮結構受力和技術經濟性，推薦采用鋼混組合立柱。

4 鐵路大跨上承式鋼管混凝土拱橋抗震措施研究

雖然地震作用下通過彎矩曲率法計算能夠滿足抗震要求，考慮拱管內受拉區混凝土開裂退出工作，震后修復困難，建議大跨度拱橋研究采用合適的減隔震措施[10]。

4.1 減隔震支座

經分析拱橋的橫向地震控制設計，可通過拱上立柱與鋼梁間增加摩擦擺支座來降低地震工況結構響應[11]。為分析摩擦擺支座減震效應，除拱頂采用固結外，其余支座均采用摩擦擺支座，采用時程法進行了檢算，構件應力對比見表6，拱結構及拱上立柱均取得較好的減震效果。

表6 橫向地震工況各構件應力對比(負值表示壓應力)

4.2 拱肋間設置防屈曲支撐

防屈曲支撐是一種新型的支撐形式，在罕遇地震發生時，防屈曲支撐結構體系通過防屈曲支撐的屈服耗能，在主體結構進入彈塑性變形前率先發揮用，來轉移并消耗地震輸入結構的能量，從而減小結構的振動和變形，避免或延緩其遭受損傷或破壞，此為防屈曲支撐耗能減震原理[12]。

研究將主拱部分米字型橫撐的斜桿改為防屈曲支撐，見圖4，計算時按屈曲后剛度為屈曲前剛度的0.03倍進行取值。

圖4 防屈曲支撐布置(紅色桿件為防屈曲支撐)

設置防屈曲支撐后，橫向地震工況下拱肋構件應力明顯下降，見表7，減震率達到48%，效果顯著。

表7 橫向地震工況各構件應力對比(負值表示壓應力)

4.3 小結

(1)采用雙曲面球型減隔震支座對橫向地震力有較為明顯的減隔震效果，但支座間相對水平位移較大，應采取橫向限位措施。

(2)采用防屈曲支撐對橫向地震力有較為明顯的減隔震效果，減震效果與防屈曲支撐的設置位置和數量有明顯關系，實際工程采用時應進行詳細的實施研究。

5 結語

(1)對位于典型高山深切“V”型峽谷地貌的500 m跨度鐵路上承式拱橋比選了鋼桁拱、鋼管混凝土拱及勁性骨架混凝土拱三種方案，在結構靜力、抗震性能、動力特性等方面，各方案均可行。從結工程造價、施工難易、施工工期、基礎規模、運營期養護維修等方面進行綜合比較，鋼管混凝土拱方案更優越。

(2)500 m上承式鋼管混凝土拱橋的拱軸系數m＝2.0時拱管與拱管混凝土軸力分布較為均勻，拱腳彎矩相對適中，拱肋用鋼量相較于其他方案增加不多，地震工況構件總體應力水平較好，拱軸系數采用m＝2.0合理。

(3)500 m上承式鋼管混凝土拱橋的提籃拱方案相較于平行拱方案，在結構靜力相應相差不大；提籃拱方案在地震工況下，構件應力水平總體相對較低，用鋼量較平行拱方案降低約4%，綜合考慮提籃拱方案較好。

(4)拱上鋼混組合立柱比鋼立柱可節省4 030 t鋼材，可有效提高結構經濟性；運營工況下拱肋構件應力水平有所增加，可通過局部加強解決。綜合考慮結構受力和技術經濟性，推薦采用鋼混組合立柱。

(5)上承式鋼管混凝土拱橋的減隔震措施研究了雙曲面球型減隔震支座和防屈曲支撐，對橫向地震均有較明顯的減隔震效果，但減隔震支座相對水平位移較大，應采取橫向限位措施；防屈曲支撐的設置位置和設置數量對減震效果影響較大，實際采用時應進行詳細研究。