高速鐵路大跨度網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋設(shè)計

楊平 于貞波

收稿日期：2023-11-08

作者簡介：楊平（1976—），男，工學(xué)碩士，高級工程師，從事橋梁設(shè)計相關(guān)工作。

摘要 西渝高鐵跨營達(dá)高速公路大橋，采用網(wǎng)狀吊桿鋼箱系桿拱橋，以提高結(jié)構(gòu)剛度滿足高速列車運(yùn)行要求，是國內(nèi)首座高速鐵路大跨度網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋。文章以西渝高鐵跨營達(dá)高速公路大橋為設(shè)計背景，通過對大橋構(gòu)造形式和設(shè)計細(xì)節(jié)的分析研究，探討了高速鐵路大跨度鋼箱系桿拱橋的在吊桿布置形式和梁端構(gòu)造上的創(chuàng)新設(shè)計。研究表明，采用西渝高鐵跨營達(dá)高速公路大橋設(shè)計方案，結(jié)構(gòu)受力滿足要求，高速列車運(yùn)行平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)較為經(jīng)濟(jì)。

關(guān)鍵詞 大跨度系桿拱橋；網(wǎng)狀吊桿布置；梁端轉(zhuǎn)角；高速鐵路

中圖分類號 U448.225文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）01-0083-03

0 引言

系桿拱橋的主梁結(jié)構(gòu)高度較低，特別適用于橋下凈空受限條件，如鐵路跨越公路、河道等位置，以降低線路整體標(biāo)高，節(jié)省工程投資。同時，系桿拱橋是無推力簡支體系，對地形、地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)。近年來，系桿拱橋在高速鐵路建設(shè)中應(yīng)用日漸廣泛，如武廣、京滬、福廈、貴南、成達(dá)萬、西渝、漳汕等鐵路項目中，均有多座系桿拱橋。

系桿拱橋按吊桿結(jié)構(gòu)形式可分為柔性吊桿和剛性吊桿。鋼管混凝土拱肋+混凝土系梁系桿拱橋通常采用柔性系桿拱橋，如武廣客專胡家灣特大橋[1]、京滬高鐵蘊(yùn)藻浜特大橋[1]、貴南高鐵麻芝鋪大橋等。鋼箱拱肋+鋼系梁系桿拱橋通常采用剛性吊桿，如京滬高鐵跨濟(jì)兗公路四線鋼箱系桿拱橋[2]、武廣客專汀泗河雙線大橋[3]、福廈鐵路木蘭溪特大橋[4]等。剛性吊桿一般采用豎直布置；柔性吊桿在系桿拱橋跨度較小時通常采用豎直布置，跨度較大時為提高結(jié)構(gòu)剛度，部分采用尼爾森體系。吊桿布置形式直接影響結(jié)構(gòu)剛度。

研究表明，隨著吊桿逐漸傾斜，吊桿間交點(diǎn)由0，增加到1（尼爾森體系），再增加到2個及以上（網(wǎng)狀吊桿布置），結(jié)構(gòu)剛度顯著增加[5]。網(wǎng)狀吊桿布置的系桿拱橋，在相同構(gòu)造條件下，梁端轉(zhuǎn)角可控制得更好，更加適應(yīng)于高速鐵路橋梁。鐵路網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋在國外普速鐵路已有應(yīng)用，如塞爾維亞Danube River Railroad Bridge等，國內(nèi)應(yīng)用較少。

1 工程概況

西渝高鐵（Xi'an-Chongqing High-speed Railway）是國家《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》“八縱八橫”高鐵通道中包（銀）海通道、京昆通道的重要組成部分，安康至重慶段正線全長478 km。

新建西渝高鐵自達(dá)州南站引出后，在DK258+400處以28.6 °小角度與營達(dá)高速（路面寬度24.5 m）交叉，線路上跨高速公路。考慮高速公路遠(yuǎn)期拓寬要求及橋下凈空條件，采用144 m系桿拱橋。為減少對營達(dá)高速公路運(yùn)營的影響，系桿拱橋采用在邊跨進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)整體拼裝，然后帶吊桿整體頂推就位，原位現(xiàn)澆混凝土橋面板的施工方式，僅在路邊及中央分隔帶設(shè)置鋼管立柱。結(jié)合橋跨類型及施工方案，采用鋼箱拱肋、鋼系梁、密鋼橫梁+混凝土橋面板結(jié)構(gòu)。該橋跨度較大，為滿足高速鐵路運(yùn)營對結(jié)構(gòu)剛度的要求，采用網(wǎng)狀吊桿布置，是國內(nèi)首座高速鐵路大跨度網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋。總體布置如圖1所示。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計速度：設(shè)計運(yùn)行速度350 km/h。

設(shè)計荷載：ZK活載。

路線情況：雙線，直線，正線線間距為5 m。

軌道結(jié)構(gòu)形式：CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 拱肋

大橋位于運(yùn)梁通道，拱肋間凈寬考慮運(yùn)梁空間要求，按13 m控制，拱肋橫向中心距15 m。拱肋計算跨徑144 m，拱腳處縱向伸出支承中心線1.5 m。拱軸線采用懸鏈線，矢跨比1/4.8，拱軸系數(shù)m=1.625。

拱肋采用變高度矩形鋼箱截面，箱寬2 m，拱頂截面高3 m，沿拱軸線線性變高，拱腳處理截面高4.5 m。拱肋除拱頂左右2 m范圍內(nèi)的4 m段曲線直做外，其余位置曲線曲做。拱肋典型橫斷面如圖2所示。

拱肋頂板、底板厚28 mm，設(shè)置2道20×260 mm加勁肋；腹板厚26 mm，設(shè)置3～5道20×250 mm加勁肋。拱肋底板加勁肋與吊點(diǎn)附近局部加強(qiáng)板一體化設(shè)計。腹板加勁肋間距隨拱肋高度變化均勻變化，設(shè)計原則為：拱肋高度3～3.4 m段，設(shè)置3道加勁肋，加勁肋間距730～830 mm；拱肋高度3.4～4.2 m段，設(shè)置4道加勁肋，加勁肋間距670～820 mm；拱肋高度4.2～4.5 m段，設(shè)置5道加勁肋，加勁肋間距690～740 mm。

拱肋橫隔板間距按不大于3 m設(shè)置一道，普通橫隔板板厚12 mm，橫撐對應(yīng)橫隔板及吊桿橫隔板截斷處的橫隔板厚16 mm，吊點(diǎn)處橫隔板厚28 mm。除吊點(diǎn)處橫隔板、橫撐對應(yīng)位置橫隔板按吊桿或橫撐布置外，橫隔板按垂直于拱軸線布置。

拱肋節(jié)段采用全焊連接。拱肋截抗彎剛度，特別是拱腳附近截面抗彎剛度對大橋梁端轉(zhuǎn)角影響較大。為更好地控制梁端轉(zhuǎn)角，建議在拱肋截面積相同（材料用量相同）、滿足局部穩(wěn)定要求的情況下，盡可能加大拱肋高度和抗彎剛度。

3.2 橫撐

全橋共設(shè)置8道橫撐。橫撐采用箱形截面，寬1 m、高2 m，頂、底板和腹板均采用20 mm鋼板。拱肋上在廠內(nèi)焊接40 cm接頭，到現(xiàn)場與剩余橫撐節(jié)段焊接。橫撐均按中心線垂直于拱軸線布置。

3.3 系梁

采用鋼箱系梁，系梁寬2 m、高2.1 m，中間段頂?shù)装搴?8 mm，腹板厚24 mm；靠近拱腳附近端頂板厚34 mm，腹板厚28 mm。全橋共設(shè)置2道系梁，橫向中心距15 m，系梁全焊連接。在系梁上預(yù)留40 cm長橫梁接頭，便于橫梁現(xiàn)場焊接連接。系梁底板與腹板間隔50 cm左右設(shè)置加勁板，以適應(yīng)頂推施工。

3.4 吊桿

吊桿采用平行鋼絲吊桿，吊桿索體PES（C）7-1670-91-ZnAl，錨具型號LZM7-91。系梁上吊點(diǎn)縱向間距6 m，傾角均為60 °，吊桿采用網(wǎng)狀布置，吊桿間交叉點(diǎn)數(shù)最大達(dá)5個點(diǎn)。全橋共設(shè)置84根吊桿。吊桿分內(nèi)外兩層設(shè)置，右傾吊桿統(tǒng)一布置在外層，“左傾”吊桿統(tǒng)一布置在內(nèi)層。吊桿在拱肋箱內(nèi)設(shè)置張拉端，采用承壓套筒將吊桿力傳遞到橫隔板上，后傳遞至拱肋腹板上；在系梁頂面以上設(shè)置錨拉板。

采用網(wǎng)狀吊桿與豎直吊桿布置相比，在相同截面尺寸條件下，列車靜活載作用下豎向撓度及梁端轉(zhuǎn)角減少約40%～50%，效果顯著。網(wǎng)狀吊桿布置會帶來吊桿疲勞應(yīng)力幅度顯著上升，增加幅度可達(dá)豎直吊桿的60%以上。因此，采用低強(qiáng)度高應(yīng)力幅吊桿材料更加合適。此外，吊桿截面面積對大橋梁端轉(zhuǎn)角影響較大。結(jié)合施工條件及材料性能，最終選用抗拉強(qiáng)度1 670 MPa平行鋼絲吊桿，吊桿容許疲勞應(yīng)力為250 MPa。

3.5 橋面系鋼橫梁

采用密布橫梁體系，不設(shè)置縱梁。橫梁縱向3 m左右一道，普通橫梁為工字形截面，高2.1 m，頂?shù)装鍖?.55 m，頂/底板厚20/24 mm，腹板厚16 mm。梁端4道采用面外剛度、抗扭剛度較大的箱形橫梁，除端橫梁外，箱形橫梁寬0.85 m，高2.1 m，頂/底板厚20 mm，腹板厚16 mm；端橫梁寬1.8 m，高2.1 m，頂/底板厚24/34 mm，腹板厚34 mm。其中，普通工字形橫梁靠近系梁附近頂板局部加厚至28 mm。

端橫梁剛度對梁端轉(zhuǎn)角、軌道受力等影響顯著，建議采用箱形斷面，并盡可能采用較大尺寸，以提高縱橫向剛度和抗扭剛度。

3.6 橋面板

橋面板采用現(xiàn)澆C50鋼筋混凝土+帶肋鋼板組合結(jié)構(gòu)。在拱肋系梁、橫梁形成的空腔處滿布8 mm厚頂面帶肋鋼板，兼做橋面混凝土澆筑模板，橫向軌道座板下厚30 cm。橋面板待拱橋鋼結(jié)構(gòu)整體頂推就位后，原位澆筑。

多數(shù)鐵路系桿拱橋，為更好地處理拱肋與系梁、橋面系的連接，支點(diǎn)到梁端距離較大，這為本來就較難控制設(shè)計的梁端轉(zhuǎn)角帶來更加不利影響。該橋在設(shè)計過程中，考慮運(yùn)梁需要，拱肋間凈距較大，故將相鄰跨簡支梁伸入拱腳之間（如圖3所示），橋面系端橫梁及橋面板向系桿拱橋側(cè)偏移，在拱腳端部懸出支點(diǎn)1.5 m條件下，橋面系僅懸出支承中心線0.7 m。這樣，在相同梁端轉(zhuǎn)角工況下，對軌道結(jié)構(gòu)影響大幅降低，可進(jìn)一步放松對梁端轉(zhuǎn)角的控制，大幅節(jié)省拱肋、系桿材料。

3.7 支座

大橋設(shè)置4個27 500 kN的球鋼支座，由兩個橫向活動支座、兩個多向活動支座組成。橋梁兩端右線正下方各設(shè)置一個縱向活動橫向限位裝置，以降低與相鄰混凝土箱梁橫向溫度變形差。

該橋拱肋橫向箱寬較大而結(jié)構(gòu)較輕，支座上座板橫向尺寸小于拱肋箱寬，支座無法直接支撐腹板。一種處理方式是設(shè)置4個支座，即兩個拱肋四道腹板下均設(shè)置支座。但就該橋而言，每個拱肋下方兩支座距離較小，受力分配不明確。故該橋通過特殊設(shè)計支座，加大支座上座板橫向尺寸，并在支點(diǎn)設(shè)置強(qiáng)橫隔板，完全將腹板剪力轉(zhuǎn)換，確保支座處結(jié)構(gòu)傳力。

4 主要計算結(jié)論

4.1 梁體剛度計算指標(biāo)

梁體剛度計算指標(biāo)，如表1所示。

由表1計算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)剛度指標(biāo)均滿足規(guī)范要求[6]。

4.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要計算結(jié)果

結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要計算結(jié)果，如表2所示。

由表2計算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)應(yīng)力指標(biāo)均滿足規(guī)范要求[7]。事實(shí)上，結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較低，結(jié)構(gòu)設(shè)計受構(gòu)造、剛度，特別是梁端轉(zhuǎn)角控制。當(dāng)前，全橋主體結(jié)構(gòu)用鋼量約為17.3 t/m。

4.3 動力計算

橋梁自振特性計算，如表3所示。

如表3所示，由表3車橋耦合振動計算結(jié)果表明，在CRH3和CRH2以多速度檔通行條件下，車橋、橋梁各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求[6]。

5 結(jié)語

西渝高鐵跨營達(dá)高速公路大橋，采用網(wǎng)狀吊桿鋼箱系桿拱橋，以提高結(jié)構(gòu)剛度滿足高速列車運(yùn)行要求，是國內(nèi)首座高速鐵路大跨度網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋。大橋在吊桿布置形式和梁端構(gòu)造上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，在滿足高速列車運(yùn)營要求的前提下，節(jié)省鋼材用量。大橋正在施工，預(yù)計將于2028年底建成通車。

參考文獻(xiàn)

[1]陳良江， 文望青. 中國鐵路橋梁（1980—2020）[M]. 北京：中國鐵道出版社有限公司， 2020.

[2]馬勝雙. 京滬高速鐵路跨濟(jì)兗公路鋼箱系桿拱橋主橋方案設(shè)計[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計， 2007（2）： 85-88.

[3]金福海， 文功啟， 徐勇. 武廣鐵路客運(yùn)專線140 m鋼箱系桿拱橋設(shè)計及其在高速鐵路中的應(yīng)用[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計， 2010（1）： 107-110.

[4]郭建勛， 袁明， 陳列， 等. 福廈鐵路128 m鋼系桿拱橋設(shè)計[J]. 鐵道勘察， 2007（S1）： 34-37.

[5]湯虎， 王偉， 路輝， 等. 濟(jì)南齊魯黃河大橋420 m網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋主拱設(shè)計[J]. 橋梁建設(shè)， 2022（4）： 117-124.

[6]鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范： TB 10002—2017[S]. 北京：中國鐵道出版社， 2017.

[7]鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范： TB 10091—2017[S]. 北京：中國鐵道出版社， 2017.