四線鐵路簡支拱設計方案研究

摘要 當簡支拱這一結構形式應用于多線鐵路時，由于橫梁計算跨徑加大，常見的雙拱肋混凝土系桿拱橋便不再適用，為解決這一問題，可在常規雙拱肋的基礎上增加一個拱肋，形成三拱肋的系桿拱橋，也可通過主梁采用鋼結構來減小結構自重，解決橫梁的受力問題。文章以某四線鐵路橋為工程背景，分別研究了鋼箱拱及三拱肋混凝土拱橋的方案，經研究兩種方案均可滿足四線鐵路的受力需要，并分析了各自的優缺點，可為同類型多線鐵路橋梁設計提供借鑒。

關鍵詞 四線鐵路；簡支拱；鋼箱拱；三拱肋

中圖分類號 U448.225 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）08-0047-03

0 引言

下承式拱橋尤其是簡支系桿拱橋，以其跨越能力和簡支結構的適應能力，廣泛應用于城市橋梁建設中[1]。同時，由于這種結構梁高可以做到很小，可以盡量壓低縱斷面高度，節省投資，在凈空控制的位置也是較為合理的橋式方案[2]。多線鐵路橋，橋面較寬，橫梁受力增加，因此需要采取措施來解決橫梁受力問題[3]。這里通過拱肋鋼箱拱和三拱肋混凝土拱橋兩種方式來解決由于橋面加寬帶來的橫梁受力增加的問題。該文分析了兩種結構各部位受力，驗證了其工程應用的可行性，并分析了兩種結構各自的優缺點。

1 主要設計標準

根據工程實際需要，擬定的主要技術標準如下：①時速250 km；②高速行車ZK活載；③支點距為100 m；④線路數目為四線鐵路；⑤線間距為（4.4+8+4.2）m。

2 方案一：兩拱肋鋼箱拱方案

2.1 結構形式

該方案按照鋼箱拱橋設計，跨度100 m，采用剛性系梁、剛性拱的結構形式，全長102.7 m。拱橋兩拱肋平行布置，因需要盡量降低梁高，因此采用上下拱組成疊拱的形式增加拱肋的剛度。上、下拱肋的橫截面為等高度的鋼箱矩形，上拱肋截面內部高度1.6 m，內部寬度1.6 m，下拱肋內部高度1.2 m，內部寬度1.6 m，上下拱肋至近拱腳處合二為一。拱肋軸線采用拋物線，上拱肋高度22 m，矢跨比f/l=1∶4.571。下拱肋高度18 m，矢跨比f/l=1∶5.556。結構形式如圖1所示。

2.2 主要材料

主橋結構包括主梁、拱肋、橫撐及吊桿等均采用鋼結構，材質為Q345qD鋼材，對于灌注孔、排氣孔、拱肋檢查梯等臨時性、輔助性構件等采用Q235qD或Q235B。鋼材材質應符合《鐵路橋梁用結構鋼》（GB/T 3556—2020）規定。

2.3 結構形式

（1）縱梁。縱梁采用等高度鋼箱矩形截面，內高2.7 m、內寬為1.6 m。整個縱梁根據受力需要共分為兩種截面形式，縱梁兩側預留與橫梁的拼接接頭，縱梁頂板預兩側預留接頭鋼板，端部上側按1∶8的坡度加工為與正交異性鋼橋面板等厚。頂底板厚度24 mm，腹板厚度20 mm，腹板設置2道水平加勁肋，每隔2 m設置1道隔板，隔板開人洞。

（2）橫梁。橋面系橫梁分為端橫梁、主橫梁及次橫梁三種類型，按密橫梁體系設置，腹板高分別為2.7 m、2.7 m、1.4 m，端橫梁為箱型截面，主橫梁和次橫梁均為倒T形截面。

（3）吊桿。采用剛性吊桿，截面為工字型，吊桿間距為6 m，全梁共設置吊桿30根。吊桿腹板設置過風孔，吊桿腹板及翼緣板均與拱肋相聯。

（4）橫聯。在拱肋間設橫聯5道，其中3道位于拱頂附近，間距12 m，其他2道分居兩側，與中間最近的橫聯間距18 m。橫聯均為桁架式，上下橫桿采用箱型截面，中間腹桿采用工字型截面。

2.4 主要檢算結果

（1）豎向撓度。在溫度以及活載的作用效應疊加下，豎向最大變形量為59.2 mm，滿足不大于1.4*l/1 000的要求；在拱橋的l/4跨度處，由列車豎向靜活載所產生的上下變形值（絕對值）之和為72.6 mm，滿足撓跨比不大于1/800的要求。

（2）梁端轉角。活載靜力作用下梁端豎向折角：正彎1.875‰，反彎?0.85‰，小于限值2.0‰。

（3）橫向變形。運營階段列車在橫向荷載作用下，其中包括搖擺力、風力及溫度作用下，主梁結構橫向最大位移量為2.37 mmlt;l/4 000=25 mm，滿足規范要求。

（4）支座噸位。該結構按照梁端雙支座設計，單支座最大支反力為30 000 kN。

（5）鋼結構應力情況。按照鐵路容許應力法考慮，所有桿件應力均能滿足鋼結構容許應力要求。

3 方案二：三拱肋鋼管混凝土方案

該方案采用鋼管混凝土的結構形式。計算跨度為100 m，拱高22 m，主拱圈矢跨比為f/l=1∶4.545 4。系梁采用混凝土梁，全長102.7 m，梁端為矩形截面，寬29.5 m，高2.5 m，大小里程兩端各長6.0 m。系梁標準段寬采用單箱六室截面，寬28 m，高2.5 m，長90.7 m（含兩端過渡段各2.5 m）。結構形式如圖2所示。

3.1 結構構造

（1）拱肋。拱肋采用三拱肋結構形式，形成空間三拱肋的鋼管混凝土拱橋。拱肋立面投影矢高22 m，采用二次拋物線變化，以100 m的計算跨度計算，主拱矢跨比為f/l=1∶4.545 4。

兩個拱肋的中心距13.4 m。拱肋橫斷面為啞鈴型，采用鋼管混凝土組合而成的結構形式，全截面形式相同。邊拱拱肋截面全高3.0 m，其中鋼管直徑為1.1 m，鋼管由20 mm的鋼板卷制而成。中拱截面全高3.0 m，鋼管直徑為1.2 m，由16 mm的鋼板卷制而成，每根拱肋的兩鋼管之間用δ=16 mm的腹板連接。每隔一段長度，在上述拱肋圓形鋼管內設設置有勁箍及加勁肋，在拱肋的兩腹板中焊接拉桿。拱管及腹腔內用C55自密實補償收縮混凝土填充滿布。

（2）橫撐。橫撐采用圓端形截面，設置于拱肋之間。橫撐的高度1.5 m、寬度1.2 m、圓端外徑1.2 m，由18 mm的鋼板卷制而成；同時為增加穩定性，設置斜撐，斜撐采用外徑0.8 m厚12 mm的圓形鋼管，鋼管內均不填充混凝土。

（3）吊桿。吊桿平行布置，吊桿橫橋向中心距與拱肋間距相同，均為13.4 m，吊桿之間縱向中心間距為5 m。全橋共設有吊桿51組，吊桿采用高強低松弛鍍鋅平行鋼絲材質，其中邊拱吊桿均規格為139根，中拱吊桿規格為采用163根，索體采用PES（FD）低應力防腐索體，并外包不銹鋼防護。錨頭采用冷鑄錨。

（4）梁部。系梁全長102.7 m，梁端采用矩形截面，寬29.5 m，高2.5 m（不含橋面坡），兩端等厚段長度6.0 m。跨中標準截面采用單箱六室截面，寬度為28 m，高度為2.5 m（不含橋面坡），長度為90.7 m（含兩端過渡段各2.5 m）。

箱梁頂板厚度300 mm，梁端局部加厚至600 mm；底板厚度300 mm，梁端局部加厚至600 mm；橫向設置七道腹板，吊桿所在腹板厚1 200 mm，梁端局部加厚至2 700 mm。一般位置腹板厚度350 mm，梁端局部加厚至1 350 mm；吊點處設橫梁，橫梁的厚度400～600 mm。梁端設進人孔，吊點橫隔板設過人孔，底板設泄水孔，邊腹板和中腹板每箱室均設通氣孔。

3.2 結構計算結果

（1）豎向撓度。溫度及活載共同作用下，梁體豎向最大位移為20.8 mm，滿足不大于1.4*l/1 000的要求；拱橋l/4跨度處，由列車豎向靜活載所產生的上下變形值（絕對值）之和為23.1 mm，滿足撓跨比不大于1/800的要求。

（2）梁端豎向轉角。在活載作用下，梁端的豎向折角均小于限值2.0‰，其中正彎0.65‰，反彎?0.35‰。

在列車靜活載作用下，梁端最大豎向向上位移為0.83 mm，最大豎向向下位移為0.79 mm。

（3）主梁橫向位移。運營階段列車搖擺力、風力及溫度作用下，主梁結構橫向最大位移為0.1 mmlt;l/4 000

=25 mm，滿足規范要求。

（4）支座反力。該結構按照梁端三支座設計，邊支座噸位40 000 kN，中支座噸位50 000 kN。

（5）主梁主要計算結果。混凝土主梁按全預應力構件進行設計。經過計算，混凝土主梁全截面均為受壓狀態，其中最大壓應力11.4 MPa，最小壓應力0.34 MPa，強度安全系數最小3.61，大于2.2，抗裂安全系數最小1.66，大于1.2，均不大于規范要求限值[5]。

（6）拱肋鋼管應力。鋼管應力最大為205.5 MPa，可以滿足規范要求。

（7）吊桿計算結果。吊桿的內力計算充分考慮了不同工況，吊桿力由初張力、恒載及運營階段荷載等會引起的吊桿內力變化的荷載進行荷載組合，得到的吊桿安全系數不小于2.5。經計算，運營工況下，邊拱吊桿最小安全系數3.17，中拱吊桿按系數為4.28，均滿足規范要求[4]。

吊桿疲勞應力幅按200 MPa考慮，邊拱吊桿，經計算最大應力幅107.08 MPa，中拱吊桿最大應力幅120.23 MPa，均滿足規范限制。

4 兩方案對比

通過研究，對兩拱肋鋼箱拱橋和三拱肋鋼管混凝土拱橋兩個方案來進行比較，對比情況如表1所示。

5 結語

該文以某四線鐵路橋為例，在傳統鋼管混凝土拱橋的基礎上，研究了鋼箱拱和三拱肋混凝土拱橋兩種方案來適應多線鐵路橋的情況。經過研究，采用兩種方案均可滿足此類工點的需要，并從結構剛度、梁部造價、施工適應性等多角度進行了優缺點分析，發現混凝土拱橋造價更低，鋼結構造價更高，但鋼結構可應用于頂推等施工方案，對于不同工點可以選擇適用的方案。該研究可為同類型橋梁設計提供借鑒。

參考文獻

[1]王淑妹， 錢振東. 下承式鋼管混凝土系桿拱橋拱肋力學分析[J]. 交通運輸工程與信息學報， 2006（4）： 41-45.

[2]李文治. 某三拱肋系桿拱橋設計與受力分析[J]. 城市道橋與防洪， 2019（5）： 130-133.

[3]柴增鏵， 曹永睿. 三拱肋下承式系桿拱橋力學特點分析[J]. 公路交通技術， 2013（6）： 50-53.

[4]鐵路橋梁鋼管混凝土結構設計規范： TB10127—2020[S]. 北京：中國鐵道出版社， 2021.

[5]鐵路橋涵設計規范： TB10002—2017[S]. 北京：中國鐵道出版社， 2017.