拱橋在我國鐵路建設(shè)中的應(yīng)用

嚴　翯

(武漢鋼鐵集團公司第三子弟中學(xué), 湖北武漢 430080)

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拱橋在我國鐵路建設(shè)中的應(yīng)用

嚴翯

(武漢鋼鐵集團公司第三子弟中學(xué), 湖北武漢 430080)

【摘要】拱是一種自然結(jié)構(gòu)形式，它總是令人賞心悅目而且清晰地表達出自身的功能。而拱橋曲線圓潤，宛如垂虹臥波，富有動態(tài)感，極易融入環(huán)境且滿足大眾的審美習(xí)慣與需求。拱橋在中國早期鐵路中較少應(yīng)用，而常見于現(xiàn)代鐵路橋梁中，較好地體現(xiàn)了現(xiàn)代中國橋梁人的審美與智慧。

【關(guān)鍵詞】拱橋;橋面系;高速鐵路

1鐵路拱橋歷史

拱橋作為一種古老的建筑，其發(fā)展歷史悠久[1]。國內(nèi)鐵路拱橋的應(yīng)用始于19世紀(jì)未20世紀(jì)初，如東清鐵路(后改為東省鐵路)及滇越鐵路北段等，由于沿線盛產(chǎn)石料，1901年建成的東省鐵路穆棱河橋是我國最早修建的鐵路石拱橋之一。20世紀(jì)初，滇越鐵路修建了石拱橋88座，占沿線橋梁總長的60 %左右，最大凈跨15 m。中華人民共和國成立后，建國初期，由于鋼材缺乏，曾修建石拱橋300多孔，1970年建成的成昆鐵路老昌溝一線天石拱橋是當(dāng)今世界上跨度最大的鐵路石拱橋，外形具有民族傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式，該橋孔跨54 m，全長63.14 m。

在19世紀(jì)90年代，我國開始生產(chǎn)水泥，混凝土的應(yīng)用日益廣泛。自1905年起，先后在多條鐵路線上修建混凝土拱橋400多孔，跨度12～44 m。混凝土拱橋由于自重大圬工數(shù)量多，跨越能力小，沒有石拱橋因地制宜就地取材的優(yōu)點，所以發(fā)展受到限制。

隨著材料性能的提高、以及計算機數(shù)字仿真技術(shù)的發(fā)展，使得橋梁設(shè)計手段更加先進[2]。在鐵路建設(shè)過程中，鋼筋混凝土拱橋、鋼拱橋及鋼混組合拱橋不斷涌現(xiàn)，這種古老的結(jié)構(gòu)形式得到了廣泛應(yīng)用。1966年建成的風(fēng)沙二線永定河7號橋，橋式為150 m拼裝式鋼筋混凝土中承空腹拱肋橋。在本世紀(jì)初，中國近代鐵路橋梁運用鋼筋混凝土內(nèi)包鋼管勁性骨架的技術(shù)，來提高拱肋的承載能力，進而提高拱橋的跨度。這其中，有代表性的有2003年建成的贛龍鐵路吊鐘巖特大橋，主跨140 m；2008年建成的宜萬線落步溪大橋，跨度178 m；2010年大瑞鐵路瀾滄江特大橋主橋跨度高達342 m。短短的50年間，在中國廣大橋梁人的努力下，中國的橋梁包括拱橋設(shè)計發(fā)生了質(zhì)的飛躍，已處于世界橋梁的領(lǐng)先地位，如在朔準(zhǔn)鐵路黃河特大橋主跨采用了主跨380m上承式鋼管混凝土拱橋；宜萬線萬州長江大橋主跨168.7 m+360 m+168.7 m連續(xù)鋼桁拱橋。南廣鐵路西江特大橋主跨采用了486 m中承式鋼箱系桿拱橋。隨著中國鐵路的發(fā)展，我們有理由相信拱橋這種古老的橋型將會重新散發(fā)出新的活力。

2高速鐵路拱橋

2.1受力特點

拱橋景觀性強、結(jié)構(gòu)高度低、剛度大，同時，施工可因地制宜選取支架拼裝、拖拉、浮運、轉(zhuǎn)體等方法，對高速鐵路有很好的適應(yīng)性。當(dāng)前高速鐵路橋梁中，最為常見的是拱式橋梁，該橋式中，通過橋面梁和吊桿傳遞荷載，轉(zhuǎn)化為拱圈壓力、并以拱圈受力為主，但是，由于拱肋的拱腳固結(jié)作用， 拱肋受吊桿力特別是在溫度的影響，1/4拱肋處往往會向上變形，過渡到拱頂部分又會向下變形。拱肋的這種向上與向下的豎向變形，使得橋面梁產(chǎn)生上下變形，加上吊桿受拉伸長，使得橋面梁變形曲線呈現(xiàn)出多個半波形，這些變形都會影響高速行車。對于簡支拱，活載作用下，梁端會產(chǎn)生較大豎向轉(zhuǎn)角，進而影響高速列車行駛舒適性。

橋面梁主要承受橋面二期恒載、運營列車荷載等，在高速行車條件下，要求橋面梁有良好的整體受力性能和橫向穩(wěn)定性[3]。

2.2設(shè)計關(guān)注點

為滿足高速鐵路行車要求，在拱橋的設(shè)計中，需重點關(guān)注以下幾個問題：

2.2.1結(jié)構(gòu)體系的選擇

簡支拱橋是一種外部靜定結(jié)構(gòu)，受力明確，可以是單孔也可以是多孔，不需要邊跨，相對具有較好的經(jīng)濟性，這種結(jié)構(gòu)體系常常為高速鐵路橋梁首選。但是要注意，對于較大跨度的簡支拱橋，梁端豎向轉(zhuǎn)角過大而不滿足高速列車行車要求時，需采取特別措施進行處理。

如果跨度較大，可以選擇剛架系桿拱橋。這種拱橋體系是將拱肋與橋墩剛性聯(lián)結(jié)，拱肋的拱腳固結(jié)在墩頂形成剛架拱，帶邊跨的橋面梁中支點由墩頂拱腳處橫梁支撐，用較少的邊跨以減少簡支拱橋梁端過大的豎向轉(zhuǎn)角，以滿足高速行車要求。

帶邊跨的中承式拱橋也可以滿足高速鐵路行車要求，不過這種結(jié)構(gòu)體系邊拱端部由于傳遞系桿水平力的需要而與橋面梁固結(jié)，加上邊拱和中拱的拱腳固結(jié)在拱座基礎(chǔ)，當(dāng)跨度不夠大時，會使結(jié)構(gòu)體系因溫度作用產(chǎn)生結(jié)構(gòu)力和變形均較大，增加結(jié)構(gòu)的處理難度。

當(dāng)橋面較高時,上承式拱橋也會在高速鐵路橋梁中采用。上承式拱橋可以帶邊拱也可以不帶邊拱，帶邊拱的上承式拱橋可以將橋面梁與邊中拱肋固結(jié)，使得結(jié)構(gòu)整體性更好。由此而設(shè)想，為了盡量減少修建高架橋接近100 m的高墩和基礎(chǔ)，在上承式拱橋中，若地質(zhì)條件較好，可以將上承式拱橋的橋面梁設(shè)計為三跨連續(xù)梁，中跨梁與拱肋頂部同長度范圍結(jié)合，兩端邊跨梁拱分離，形成上承式梁拱結(jié)合橋。

現(xiàn)代大跨度拱橋的拱肋大多采用鋼、鋼混組合或勁性鋼骨架鋼筋混凝土截面，鋼結(jié)構(gòu)拱肋有鋼箱和鋼桁，鋼混組合結(jié)構(gòu)拱肋有單鋼管混凝土、雙鋼管混凝土和多鋼管混凝土。拱肋線型可以根據(jù)拱的受力情況選取，100 m以上跨度的拱橋拱肋，一般采用較小拱軸系數(shù)m值。吊桿可采用柔性成品吊桿或鋼吊桿，柔性吊桿纖細美觀，疲勞性能好；剛性吊桿能適度增大橋面橫向強度，豎向變形也很少，而且，橋面承受偏載時，能提高橋面抗扭的能力，耐久性也強。

2.2.2剛度與變形

增加拱肋剛度的有效方法是加大拱肋截面高度和增大拱肋的矢跨比，拱肋矢跨比的選取與拱橋結(jié)構(gòu)的受力方式有關(guān)，上承式拱橋的拱肋矢跨比一般比下承式拱橋的拱肋矢跨比要大，而拱肋截面高度與采用單一或桁式拱肋有關(guān)。

一般來說，拱肋為鋼結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)變形受溫度影響比較大，鋼箱截面拱肋尤為突出，設(shè)計中要充分考慮這一點。

在無砟軌道中，由于拱橋的拱肋布置在橋面梁外側(cè)，使得橫向固定、活動支座布置與相鄰跨橋梁支座布置差距較大，不滿足梁縫兩側(cè)鋼軌支座處橫向相對變位不得大于1 mm的要求。采取橫橋向拱橋只設(shè)活動支座，在兩線高速鐵路間設(shè)置限制橫向位移的剪力卡榫，以減少與相鄰跨橋梁支座布置差距來滿足軌道橫向變形的要求。

2.2.3鋼系梁拱橋橋面系

高速鐵路尤其是無砟軌道橋面，由于橋面梁是直接承受二期恒載及列車活載，對橋面的整體性與豎向剛度要求更高，通常還要重視溫度以及混凝土結(jié)構(gòu)后期收縮、徐變引起的變形。不僅如此，由于高速鐵路行車密度大，橋面系在保證耐久性的同時，后期的維護量要少，以保證運營的經(jīng)濟性。

對于鋼系梁，可采用的橋面形式主要有如下：

(1)混凝土道碴板橋面結(jié)構(gòu)?；炷恋啦臧逶阡撹炝簶蛎嫦瞪系脑O(shè)置方式有兩種：一種是將混凝土道碴板簡支在鋼縱橫梁上，此種橋面受力明確，但存在斷縫處鋼梁養(yǎng)護困難，整體性與動力性能相對而言差一些。另一種是將混凝土道碴板與鋼橋面系的縱、橫梁結(jié)合，不與主桁的弦桿結(jié)合。此種橋面部分參與主梁受力，但受力不是很明確，施工簡單，整體與動力性能較好，有利于鋼橋面系的保護，后期養(yǎng)護量少。

(2)混凝土板整體橋面結(jié)構(gòu)。鐵路混凝土板整體橋面結(jié)構(gòu)中，混凝土板不僅起道碴槽板的作用，而且通過和主桁上弦桿或下弦桿結(jié)合，參與主桁受力。此種橋面受力復(fù)雜，節(jié)點處混凝土板易開裂，不利于養(yǎng)護，對橫梁的受力影響較大，優(yōu)點是增大了主梁的剛度。

(3)正交異性鋼整體橋面結(jié)構(gòu)。此種橋面提高了整體剛度，結(jié)構(gòu)自重輕。為了傳遞縱向水平力，正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)必須與主桁弦桿的翼板焊接，可是，這種主要焊縫在現(xiàn)場焊接會影響焊接質(zhì)量，主桁弦桿節(jié)點結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜。為保證橋面橫梁的面外受力，可在節(jié)點處增設(shè)水平K撐，正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)不與主桁弦桿的翼板焊接，克服了與主桁弦桿連接焊接和構(gòu)造的復(fù)雜性。該種橋面用鋼量高，現(xiàn)場焊接工作量大。

(4)整體箱形橋面。此種橋面一般利用箱形橋面梁，通過在頂板設(shè)置剪力釘，鋪設(shè)現(xiàn)澆混凝土橋面板。橋面整體剛度大。但拱腳處的受力復(fù)雜，梁拱連接處橋面構(gòu)造困難。也可以采用不設(shè)置剪力釘和不鋪設(shè)現(xiàn)澆混凝土的橋面板，直接在鋼箱頂板鋪設(shè)性能良好的防水層兼作防護層，可直接承受道砟的長期碾壓。既減輕了恒載重又簡化了施工，避免了結(jié)構(gòu)構(gòu)造受力的復(fù)雜問題。

3結(jié)束語

拱橋由于自身的受力特性，橋型景觀性好，在中國現(xiàn)代高速鐵路中有較多的應(yīng)用案例。如在武廣高鐵橋梁中，就有 1孔80 m跨度下承式推力拱橋，為世界高速鐵路首座下承式橢圓形鋼箱混凝土推力拱橋，還有跨度分別為112 m、128 m、140 m系列下承式尼爾森體系鋼管混凝土提籃拱橋，提籃式內(nèi)傾提高了拱肋的穩(wěn)定性，尼爾森體系吊桿與預(yù)應(yīng)力混凝土箱形系梁，橋面整體性好，剛度大，能很好適應(yīng)無砟軌道高速行車。滬杭高速鐵路跨度88 m+160 m+88 m自錨上承式混凝土拱橋，采用支架現(xiàn)澆，水平轉(zhuǎn)體就位的施工方法。該橋型充分發(fā)揮了拱肋、拱上梁、拱上立柱相互作用、共同受力的特性，具有結(jié)構(gòu)剛度大、列車走行性優(yōu)、抗風(fēng)抗震性好、抗疲勞性能高的優(yōu)點，有較高的技術(shù)含量。貴廣、南廣高速鐵路東平水道特大橋創(chuàng)新采用雙拱肋鋼桁架拱橋，跨度為85 m+286 m+85 m。該橋式巧妙地結(jié)合既有的地物、地形現(xiàn)狀，采用0.3的邊中跨比，在國內(nèi)橋面系設(shè)計中首次采用帶水平K撐的正交異性板結(jié)構(gòu)，妥善地解決橋面系結(jié)構(gòu)縱向水平力傳遞積累的難題，確保了結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性能[4-5]。

上述拱橋從受力方式上看，有推力拱、無推力拱橋；從拱肋材料及橋面梁截面形式上看，有鋼筋混凝土箱形、鋼管混凝土啞鈴型拱肋、加勁鋼箱以及鋼桁拱橋。從施工方法來看，有拖拉法、轉(zhuǎn)體、支架現(xiàn)場拼裝。這些拱橋的建成，為中國高速鐵路添加了一道道亮麗的風(fēng)景線。

參考文獻

[1]魏樂永.拱式結(jié)構(gòu)體系研究[D].上海：同濟大學(xué)，2007.

[2]陳寶春.拱橋技術(shù)成就及展望[C]//第二屆全國公路科技創(chuàng)新高層論壇論文集，2004.

[3]范立礎(chǔ).橋梁工程(上)[M].北京:人民交通出版社，2001.

[4]鄭健.中國高速鐵路橋梁[M].北京:高等教育出版社，2008.

[5]鐵道部工程設(shè)計鑒定中心[C].中國鐵路大橋資料選編，2011.

[作者簡介]嚴翯(1999～)，學(xué)生。

【中圖分類號】U442.5+4

【文獻標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-10-13