重載鐵路中承式拱橋拱肋方案設(shè)計研究

徐洪權(quán) 楊欣然

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300142)

重載鐵路因其運能大、效率高、運輸成本低等優(yōu)點，已成為鐵路貨運發(fā)展的方向[1]。鋼管混凝土拱橋為組合結(jié)構(gòu)，具有較大的承載能力，近年來在我國發(fā)展很快[3]。中承式拱橋適用于橋下立交排洪控制凈空受限的情況，在地質(zhì)條件較好的山間峽谷應(yīng)用較多[4]。桁式鋼管混凝土和勁性骨架鋼管混凝土拱肋結(jié)構(gòu)主體都為鋼管(鋼管內(nèi)灌注混凝土)；勁性骨架需要外掛模板后分段分環(huán)澆筑外包混凝土[5]。許多學(xué)者對該結(jié)構(gòu)進行了研究：徐升橋?qū)︿摴芑炷两Y(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)和鐵路橋梁工程的技術(shù)特點進行總結(jié)，提出疊加法設(shè)計公式[6]。麥梓浩對勁性骨架葵形拱橋的施工和受力特點進行了研究[7]。謝海清以北盤江特大橋為工程背景，對特大跨度鐵路勁性骨架混凝土拱橋結(jié)構(gòu)選型、施工全過程的力學(xué)行為進行了研究[8]。王亞超等介紹了瀾滄江特大橋拱橋拱肋的設(shè)計和施工過程[9]。唐成對鋼管混凝土勁性骨架拱橋外包混凝土澆筑縱向分段、線形控制、吊裝控制、纜索系統(tǒng)等方面進行了分析和研究[10]。雍家林等研究了拱肋橫撐對整體橋梁結(jié)構(gòu)抗彎剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的影響[11]。呂宜賓等分別采用聯(lián)合截面法、統(tǒng)一理論法、雙單元法建立混凝土灌注全過程有限元模型，研究了鋼管混凝土拱橋主拱灌注階段的拱肋應(yīng)力和線形精度要求[12]。魏港以南盤江特大橋為研究對象，分析斜拉扣掛法分環(huán)連續(xù)澆筑主拱圈及外包混凝土施工過程的受力和穩(wěn)定性能[13]。陳寶春等從鋼管混凝土拱肋截面溫度場分析、核心混凝土水化熱計算模型、鋼管混凝土拱橋溫度應(yīng)力計算、溫度變化與脫黏關(guān)系等方面，提出溫度場的簡化計算方法，同時研究溫度變化與脫黏關(guān)系等溫度問題[14]。閆雯研究了日照作用下截面溫度場隨時間和空間的變化與分布規(guī)律[15]。以上研究多基于公路或者普通鐵路橋梁，以下將結(jié)合重載鐵路荷載特性、橋址環(huán)境、建橋條件、施工工法及周期等，對桁式鋼管混凝土和勁性骨架混凝土的拱肋方案進行綜合對比研究，以確定適應(yīng)性好、施工方便、工期短等綜合性能優(yōu)的鋼管混凝土拱肋方案。

1 概述

1.1 工程概況

新建蒙華鐵路龍門黃河大橋于晉陜交界處的禹門口地區(qū)跨越黃河。橋址處河道較順直，河床平坦且基巖裸露，無邊灘，河道水流方向與線路正交。河道底寬約90 m，上口寬約150 m，小里程側(cè)岸坡較為平坦，上覆新黃土，大里程側(cè)岸坡較為陡峭，基巖出露，岸邊高出河底約50 m。綜合考慮重載鐵路荷載、橋址環(huán)境、地質(zhì)情況、線路縱斷面和技術(shù)經(jīng)濟等方面因素，推薦橋式方案為中承式拱橋(見圖1)。

圖1 中承式拱橋總體布置(單位：m)

1.2 中承式拱橋方案選擇

(1)橋址地質(zhì)概況

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和分析，橋址區(qū)兩岸的穩(wěn)定邊坡坡角約為73°，橋梁小里程和大里程側(cè)岸邊坡角約為40°和63°，都小于穩(wěn)定邊坡的坡角，兩側(cè)橋臺所處自然坡體總體穩(wěn)定性評級為“較安全”。浩勒報吉側(cè)河岸表層覆蓋約2～15 m的濕陷性新黃土，基本承載力為150 kPa，下伏強風(fēng)化至弱風(fēng)化奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r，基本承載力在600～1 200 kPa。三門峽側(cè)出露奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r，灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，強風(fēng)化至弱風(fēng)化，基本承載力在600～1 200 kPa。綜合確定拱橋的起拱線高程約為428 m。

(2)線路平縱斷面

橋位處線路縱斷面坡度為i=-4.0‰，線路平面位于直線上。橋梁小里程側(cè)接路塹，大里程側(cè)接禹門口隧道。橋梁中心處軌面高程453.883 m，河床高程約373 m，河床至軌面距離約為81 m。

(3)橋式方案選定

根據(jù)地質(zhì)和線路縱斷面情況，考慮兩岸穩(wěn)定坡腳線、峽谷地形、黃河通航要求等對基礎(chǔ)埋深和跨度的影響，最終選擇孔跨布置合理、拱腳嵌巖適當、結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡潔、兩端接線順暢、便于施工組織的主拱跨度為202 m的中承式拱橋方案。

1.3 拱肋結(jié)構(gòu)方案選用構(gòu)思

大跨中承式拱橋拱肋結(jié)構(gòu)為主要受力桿件，其受力形式主要表現(xiàn)為承受軸向壓力。實體拱肋構(gòu)造簡單，施工方便，但其截面效率不高，對于跨徑較大(大于120 m)的鋼管混凝土拱橋，宜選用桁肋。桁式拱肋能夠以較小的鋼管直徑取得較大的縱橫向抗彎剛度，且桿件以軸向受力為主，能夠充分發(fā)揮材料的特性[3]。

鐵路橋梁承受活載大，要求結(jié)構(gòu)剛度大。為了減輕拱肋結(jié)構(gòu)自重，增加其承載能力和提高結(jié)構(gòu)剛度，拱肋宜采用桁式鋼管混凝土或勁性骨架鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)形式均采用拱肋鋼管作為拱肋混凝土施工的勁性骨架，可以節(jié)省支架，方便施工，且都在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。以下對兩種拱肋結(jié)構(gòu)進行比選研究。

2 桁式鋼管混凝土拱肋方案

2.1 拱軸線形

拱軸線形的選取對拱橋受力性能影響較大。為充分發(fā)揮鋼管混凝土的材料性能，拱軸線應(yīng)接近壓力線。不同結(jié)構(gòu)形式的拱橋，由于受力性能方面的差異，所采取的拱軸線形也有區(qū)別。從統(tǒng)計分析來看，對于中承式拱橋而言，懸鏈線橋形的比例最高，且由于鐵路荷載的特殊性，本橋選取懸鏈線作為拱軸線形[3]。

已建的中承式拱橋拱軸系數(shù)m值大多在1.2～1.8之間。m值越大，曲線的四分點位越高，拱軸線在拱腳處越陡，拱腳負彎矩越小[4]。

矢跨比是拱的一個重要參數(shù)。矢跨比小，拱軸線較平坦，拱的推力大，拱所受的軸力大，拱以受軸力為主的優(yōu)勢也更明顯，但超靜定結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力也越大。同時，拱的推力越大，下部工程的造價也越高，反之亦然。故拱橋的矢跨比需要結(jié)合線形規(guī)劃、地形條件、景觀美學(xué)要求等因素確定。從已建的橋梁可知，大多數(shù)的中承式拱橋的矢跨比在1/5～1/4之間[4]。

結(jié)合以往設(shè)計經(jīng)驗，確定桁式鋼管混凝土拱肋采用矢跨比為1/4、拱軸系數(shù)m=1.6的懸鏈線形式。

2.2 拱肋橫傾角

隨著跨徑的增大和寬跨比的減小，拱肋的橫向穩(wěn)定問題較為突出。將兩拱肋內(nèi)傾呈提籃拱，可較大程度地加強結(jié)構(gòu)整體的橫向穩(wěn)定性，增強美學(xué)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(nèi)極限承載力。因此，拱肋的內(nèi)傾角度需要在一個合理范圍內(nèi)[6]。

拱肋內(nèi)傾角過大會引起吊桿上錨固端與拱肋弦管及其聯(lián)結(jié)系、吊桿下錨固端與橋面系布置等困難。故選取0°、3°和6°(分別對應(yīng)拱腳中心距17.2 m、18.6 m和20.2 m)這三種拱肋內(nèi)傾角度，在拱肋為四管桁式截面(φ1 000 mm)、壁厚24 mm、設(shè)9道一字橫撐、鋼-混結(jié)合梁橋面系的條件下，對其自振頻率進行對比分析，選取前5階振型，見表1。

表1 不同拱肋橫傾角條件下結(jié)構(gòu)動力特性 Hz

對比可知，內(nèi)傾3°的自振基頻比0°提高了10%，內(nèi)傾6°的自振基頻比0°提高了31%。從提高結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性和拱肋結(jié)構(gòu)線性美觀方面考慮，采用拱肋內(nèi)傾6°的方案。

2.3 拱肋截面構(gòu)造

鋼管混凝土拱肋截面可分為實體式和桁式。實體拱肋構(gòu)造簡單、施工簡便，適用于較小跨徑。桁式拱肋能夠以較小的鋼管直徑獲得較大的縱橫向抗彎剛度，且桿件以軸向受力為主，能夠充分發(fā)揮材料的特性，是大跨徑鋼管混凝土拱橋的合理截面形式。桁式拱肋截面常見的有三肢(管)式、四肢(管)式、多肢(管)式、橫向啞鈴形式和組合式等[3]。

鋼管混凝土拱肋一般采用等高度以便于制作和安裝，當跨徑較大時，可通過鋼管壁厚或拱肋截面形式的變化來適應(yīng)截面的受力要求。通常是在拱腳段將管壁加厚，或在拱腳段的腹桿內(nèi)填充混凝土，形成箱形截面，甚至做成實體矩形截面。拱橋拱跨越大，拱肋的跨中與拱腳截面內(nèi)力相差越大，故兩部位的截面不宜采用等截面。

根據(jù)國內(nèi)外拱橋設(shè)計經(jīng)驗和試算分析，選擇鋼管混凝土桁式拱肋，每榀拱肋由4根φ1 000 mm，拱腳處壁厚為28 mm，其余厚18 mm，管內(nèi)灌注C50補償收縮混凝土。截面采用等寬變高形式，桁寬3.0 m，拱腳桁高為7.6 m，拱頂桁高為5.6 m，如圖2。

圖2 鋼管混凝土拱肋截面(單位：mm)

2.4 拱肋管徑

拱肋及內(nèi)填混凝土是主要受力構(gòu)件，鋼管管徑的選擇需要考慮結(jié)構(gòu)鋼和混凝土的受力，以及拱肋加工制造、吊裝和管內(nèi)混凝土頂升等施工條件，選取800 mm、900 mm和10 000 mm三種管徑進行分析，見表2。

表2 不同拱肋管徑條件下的對比分析匯總

綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟性和施工便利性，桁式拱肋鋼管管徑選擇900 mm。

2.5 拱肋橫向聯(lián)接系

對于中承式拱橋，橋面以上橫向聯(lián)結(jié)系的布置受到行車空間的限制，其形式和布置對提高結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性、動力特性和美觀都至關(guān)重要。

參照現(xiàn)有中承式拱橋橫撐設(shè)置方式，分別對橋面以上拱肋間設(shè)置一字形單排桁式撐、一字形空間桁式撐、箱形空間桁式撐、K形空間桁式撐和X形空間桁式撐的情況進行結(jié)構(gòu)自振特性對比分析，見表3。

表3 不同橫撐形式條件下結(jié)構(gòu)動力特性

對比發(fā)現(xiàn)，各橫撐設(shè)置形式的第1～3階均為面外失穩(wěn)，第4階開始為面內(nèi)失穩(wěn)。目前，還沒有設(shè)計規(guī)范對鋼管拱橋結(jié)構(gòu)自振頻率進行規(guī)定，參照已建橋梁和相關(guān)資料，拱肋自振基頻需滿足1/(0.011L)[3]，本橋取為0.45。

按照剛度要求和桿件布置簡潔合理的原則，采用K形空間桁式撐作為橋面以上拱肋的橫撐形式。

2.6 拱肋施工工期

拱肋采用纜索吊裝、斜拉扣掛法施工，拱肋混凝土采用接續(xù)對稱持續(xù)頂升。根據(jù)現(xiàn)場條件，在保證節(jié)段穩(wěn)定，控制節(jié)段吊重和施工工期的前提下，結(jié)合現(xiàn)場施工組織，拱肋施工進度計劃見表4。

表4 鋼管混凝土拱肋施工工期計算

2.7 鋼管混凝土拱肋方案綜述

采用鋼管混凝土提籃拱橋方案時，主要參數(shù)為：主拱計算跨度202 m，矢跨比1/4，拱軸系數(shù)m=1.6的懸鏈線，拱肋橫向內(nèi)傾6°，四管桁式φ900 mm拱肋鋼管，拱肋間設(shè)6道K形空間桁式橫撐。

3 勁性骨架混凝土拱肋方案

為了便于對比分析，勁性骨架鋼管混凝土拱肋方案的主拱跨度、矢跨比、橫向內(nèi)傾角度、拱肋中心距等均與桁式鋼管混凝土拱肋方案相同。鑒于兩者在結(jié)構(gòu)和施工方面的不同，需要對勁性骨架的拱軸系數(shù)進行比選。勁性骨架拱肋選用4根φ600 mm鋼管，管內(nèi)灌注混凝土；上下弦管之間腹桿為250×255×14工字鋼，拱腳至1/4跨度之間的腹桿交叉布置，其余為“N”形布置，拱腳至第一根吊桿的腹桿節(jié)間距為4.0 m和3.5 m，其余部位腹桿節(jié)間距為3.0 m；上、下平縱聯(lián)的橫桿和斜桿均為H250×255×14工字鋼，斜桿采用交叉布置。

骨架外包混凝土拱肋截面除拱腳以上6 m為實體外，其余均為單箱單室箱形，側(cè)板厚50 cm，頂、底板厚70 cm。外包混凝土拱肋截面為等寬2.5 m，拱腳處截面高6.5 m，拱頂處截面高4.0 m，拱肋截面高度按“李特”規(guī)律變化，見圖3。

圖3 勁性骨架混凝土拱肋截面(單位：cm)

3.1 拱軸系數(shù)比選

勁性骨架鋼筋混凝土拱肋方案拱軸線形為懸鏈線，拱軸系數(shù)是懸鏈拱橋軸線的重要參數(shù)，既影響拱肋受力，又影響方案的造型。分別對m=1.6、m=2.2和m=2.8進行分析比選，主橋豎向剛度、動力特性等結(jié)果見表5。

從拱肋應(yīng)力結(jié)果看，當拱軸系數(shù)m=1.6時，拱肋外包混凝土的拱腳上緣拉應(yīng)力為最大，拱頂拉應(yīng)力最??；當拱軸系數(shù)m=2.8時，拱肋外包混凝土的拱腳上緣拉應(yīng)力為最小，拱頂拉應(yīng)力最大；當拱軸系數(shù)m=2.2時，拱腳和拱頂應(yīng)力分別介于兩者之間。由于拱腳拉應(yīng)力較大，需加強鋼筋布置并采用鋼纖維混凝土；鋼骨架下弦桿拱腳區(qū)域應(yīng)力偏高，可采用局部加強截面解決。

綜合分析，選擇拱軸系數(shù)m=2.2。

表5 不同拱軸系數(shù)條件下的結(jié)構(gòu)豎向剛度及動力特性

3.2 拱肋施工工期

在保證節(jié)段穩(wěn)定，控制節(jié)段吊重和施工工期的前提下，結(jié)合現(xiàn)場施工組織，拱肋施工進度計劃見表6。

表6 勁性骨架混凝土拱肋施工工期計算

4 拱肋方案綜合比選

桁式鋼管混凝土和勁性鋼骨架混凝土拱橋部分指標對比分析見表7。

由表7可知：

①與勁性骨架混凝土拱相比，桁式鋼管混凝土拱具有通透性好、造型美觀、張拉錨固較為方便等優(yōu)點。

②桁式鋼管混凝土拱可節(jié)省拱肋外包混凝土澆筑的一次性模板，施工方便，且施工周期短。

③本橋橋址區(qū)域溫差大，溫度力容易導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋，在受溫度力影響較大的拱腳部位，桁式鋼管混凝土拱的耐久性更好。

④在養(yǎng)護維修方面，勁性骨架混凝土拱比桁式鋼管混凝土拱的后期養(yǎng)護維修費用低。

表7 兩種拱肋方案綜合對比分析

5 結(jié)論

本橋為重載鐵路橋梁，所處地區(qū)溫差較大，建橋條件復(fù)雜，所選橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿足大跨度鐵路橋梁行車安全、舒適度及陡峭岸坡的穩(wěn)定性要求，充分考慮交通不便、場地狹窄等困難。

經(jīng)過綜合比選，選定的最終方案為中承式拱橋桁式鋼管混凝土拱肋方案：采用4φ900 mm、內(nèi)傾6°的鋼管桁式拱肋，拱軸系數(shù)m=1.6的懸鏈線，矢跨比為1/4，橋面以上設(shè)6道K形橫撐，纜索吊裝、斜拉扣掛法施工，工期約145 d。