金臺鐵路156m簡支系桿拱結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

王 冰

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

下承式混凝土簡支系桿拱橋?qū)儆诘湫偷牧汗敖M合橋梁，其受力明確，養(yǎng)護(hù)方便，橋式美觀，單跨跨越能力大，橋梁建筑高度低。在地勢平坦的地區(qū)有益于降低橋頭路堤填高，壓低線路縱斷面，有效降低工程總投資，比同等跨度簡支鋼桁梁結(jié)構(gòu)剛度大，造價低，后期維護(hù)工作量小，且較大跨度時無需在梁端設(shè)置軌道溫度伸縮調(diào)節(jié)器，降低了軌道結(jié)構(gòu)運營隱患。在鐵路跨越高等級道路時有很好的適應(yīng)性，具有較好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會效益。

目前已建成的鐵路混凝土簡支系桿拱橋較多，其中單線鐵路跨度較大的有紅神鐵路格丑溝特大橋136 m系桿拱和商合杭鐵路西苕溪右線特大橋140 m 系桿拱，運行速度均為160 km/h。雙線鐵路跨度最大的是寧杭客運專線京杭運河特大橋140 m 提籃拱，為無砟軌道客運專線，運行速度350 km/h，吊桿采用了尼爾森體系?？缍瘸^150 m 的鐵路混凝土系桿拱工程實踐較少。本文以金臺鐵路156 m 單線簡支系桿拱（圖1）為依托，對結(jié)構(gòu)的各項靜力指標(biāo)、拱腳局部受力、屈曲穩(wěn)定等進(jìn)行分析，結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的各項受力性能均能滿足規(guī)范要求，具有良好的動力性能，擴(kuò)大了普速鐵路系桿拱的跨徑應(yīng)用范圍，對今后鐵路類似橋梁的設(shè)計施工具有一定的借鑒意義。

圖1 系桿拱成橋照片

1 工程概況

金臺鐵路位于浙江省中東部的金華、麗水、臺州地區(qū)，為設(shè)計時速160 km 的單線有砟鐵路，設(shè)計活載采用中-活載。線路于羅橋跨越既有臺金高速公路，與道路右前角成25°，橋位處地勢平坦，線路縱坡+7.8‰，平面位于直線上。臺金高速公路為雙向四車道，設(shè)計行車速度100 km/h，現(xiàn)狀路面寬25 m，遠(yuǎn)期規(guī)劃預(yù)留雙向八車道條件，規(guī)劃路面寬42 m，立交凈高5.5 m。臺金高速公路中央分隔帶無立墩條件，線路斜交角度較小。結(jié)合高速公路紅線寬度，橋梁跨度須達(dá)到156 m 左右，受橋下凈空控制，選用橋梁建筑高度較低的下承式結(jié)構(gòu)較為合適［1］，如簡支系桿拱、簡支鋼桁梁等。簡支鋼桁梁雖然施工周期快、干擾小，但工程造價偏高、結(jié)構(gòu)剛度較小，156 m 的溫度跨度需在梁端設(shè)置軌道溫度伸縮調(diào)節(jié)器，后期養(yǎng)護(hù)維修工作量大，優(yōu)勢不明顯。綜合比較，主橋最終采用1 孔156 m鋼管混凝土簡支系桿拱結(jié)構(gòu)，為目前國內(nèi)單線鐵路同類型橋梁最大跨度。系桿拱總體布置見圖2。

圖2 156 m系桿拱總體布置（單位：m）

橋址區(qū)地層主要為人工堆積層、粉質(zhì)黏土，下伏基巖為砂巖、礫巖及凝灰?guī)r、斷層角礫。通過優(yōu)化基礎(chǔ)尺寸，使基坑最大限度地遠(yuǎn)離高速公路坡腳。10#墩采用挖井基礎(chǔ)，垂直開挖，基礎(chǔ)邊緣至規(guī)劃路基擋墻最小距離為2.8 m；11#墩采用14-?1.5 m 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，按柱樁設(shè)計，承臺距離規(guī)劃路基擋墻最小距離為3.9 m。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系梁及拱腳

系梁采用C50 混凝土，單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，橋面按11.6 m 等寬設(shè)計，兩側(cè)設(shè)置聲屏障?？缰薪孛媪焊?.5 m，底寬10.4 m，頂板厚0.35 m，底板厚為0.30 m，邊腹板厚0.60 m，中腹板厚0.4 m［2］。系梁斷面見圖3。

系梁在梁端拱腳順橋向11 m 范圍內(nèi)設(shè)成實體段，梁高漸變至3.0 m，底寬漸變至11.6 m。系梁在每個吊點處設(shè)橫梁，全橋共19道，橫梁厚度為0.4～1.0 m。系梁設(shè)置縱、橫向預(yù)應(yīng)力，縱向預(yù)應(yīng)力采用17-?15.2 mm鋼絞線，吊點橫梁橫向預(yù)應(yīng)力采用7-?15.24 mm 鋼絞線，梁端實體段橫向預(yù)應(yīng)力采用12-?15.24 mm 鋼絞線。

拱腳采用C50 聚丙烯纖維混凝土，單側(cè)橫橋向?qū)挾葹?.0 m，豎向高度為5.9 m，順橋向長度為11 m。拱腳豎向預(yù)應(yīng)力筋采用?32 mmPSB830高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋，伸入系梁底部。

圖3 系梁斷面（單位：cm）

2.2 拱肋及橫撐

本橋為單跨內(nèi)部超靜定、外部簡支的無推力系桿拱結(jié)構(gòu)［3］，已建成的鐵路系桿拱橋［4-5］矢跨比一般在1/6～1/4。矢跨比過小會引起較大的拱腳水平推力，系梁受力性能較差；矢跨比過大則拱肋施工難度高，視覺效果差。本橋跨度較大，綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性等因素，矢跨比取1/5，矢高31.2 m。設(shè)計拱軸線選用二次拋物線，理論拱軸線方程為y=0.8xx2/195。

拱肋采用受力性能明確、制造焊接工藝成熟的鋼管混凝土啞鈴形結(jié)構(gòu)，橫橋向設(shè)置2道拱肋，中心橫向間距9.6 m。拱肋按等截面設(shè)計，避免了變截面拱肋切面焊接問題，焊縫質(zhì)量更容易保證。拱肋截面高3.4 m，由2 個直徑1.2 m 的鋼管和腹腔組成，管壁厚20 mm（拱腳附近局部區(qū)域壁厚24 mm），上下兩弦管中間距離為2.2 m，拱肋鋼管及腹腔內(nèi)灌注C50 自密實補(bǔ)償收縮混凝土。拱肋斷面見圖4。

圖4 拱肋斷面（單位：cm）

本橋系梁截面的豎向抗彎剛度EIL=3.45×108kN·m2，拱肋標(biāo)準(zhǔn)截面的面內(nèi)抗彎剛度EIg=2.69×108kN·m2，梁拱抗彎剛度比［6］為EIL/（EIg）=1.28，系梁與拱肋的剛度相差不大，屬于剛性系桿剛性拱結(jié)構(gòu)。鐵路橋梁荷載大且對結(jié)構(gòu)豎向剛度有比較高的要求，采用剛性系桿剛性拱具有優(yōu)勢。

兩拱肋之間共設(shè)8道K形橫撐，拱頂處設(shè)1道X形橫撐。橫撐由?600×14 mm，?500×14 mm 和?360×12 mm的圓形鋼管組成，橫撐和斜撐均為空鋼管，鋼管內(nèi)部不填混凝土，其外表面做防腐處理。

2.3 吊桿

本橋共設(shè)置19對柔性單吊桿，順橋向間距7 m，第1 對吊桿距離梁端17 m。吊桿采用PES（FD）7-127 型低應(yīng)力鍍鋅平行鋼絲束，雙層高密度聚乙烯保護(hù)層，并在距橋面2.5 m 高度范圍內(nèi)外套復(fù)合不銹鋼管。吊桿配套使用冷鑄鐓頭錨，上端穿過拱肋，錨于拱肋上緣張拉底座，下端錨于腹板下緣處固定底座。吊桿內(nèi)設(shè)光纖壓力傳感器，便于對施工過程及后期吊桿應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測。

3 靜力計算結(jié)果

采用有限元軟件MIDAS/Civil和BSAS分別進(jìn)行全橋的空間及平面受力分析，按施工流程計算各階段結(jié)構(gòu)各截面內(nèi)力、應(yīng)力和位移。

系梁、拱肋及橫撐均采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬。系梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，計算荷載包括恒載、列車活載、預(yù)應(yīng)力、溫度荷載、風(fēng)荷載、橫向搖擺力等。

3.1 系梁計算結(jié)果

主要施工階段拱肋和系梁變形見表1，負(fù)號表示位移向下?？芍?，成橋階段，系梁1/4 跨處豎向撓度最大，軌道鋪設(shè)后梁體豎向殘余徐變變形為-6.6 mm，拱肋和系梁應(yīng)按照恒載+1/2 靜活載撓度反向設(shè)置預(yù)拱度。

表1 主要施工階段拱肋和系梁變形 mm

運營階段，系梁主要靜力計算結(jié)果見表2?？芍盗旱膽?yīng)力和強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，且有一定的富裕度。

表2 系梁運營階段主要計算結(jié)果

在列車橫向搖擺力、風(fēng)荷載和溫度荷載的作用下，系梁的最大水平撓度為5.6 mm，小于L/4 000=39 mm（L為橋梁計算跨度）。在ZKH 靜活載及溫度荷載作用下，系梁最大豎向撓度為-68 mm，小于0.6L/800=117 mm。梁端豎向轉(zhuǎn)角為1.8‰。

3.2 拱肋計算結(jié)果

在主力和主力+附加力作用下，拱肋鋼管最大壓應(yīng)力分別為143.4，158.1 MPa，最小壓應(yīng)力分別為71.7，66.8 MPa；拱肋混凝土最大壓應(yīng)力分別為7.5，8.4 MPa，最小壓應(yīng)力分別為2.6，1.8 MPa。

按偏心受壓構(gòu)件對拱肋進(jìn)行強(qiáng)度檢算，按軸心受壓構(gòu)件對拱肋進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定性檢算。不同位置拱肋計算長度有所不同，平均約65 m，撓度對偏心距影響的增大系數(shù)在1.36～1.80 倍，長細(xì)比為61.4～73.0，對應(yīng)縱向彎曲系數(shù)為0.72～0.82，拱肋強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢算結(jié)果見表3?？芍黜棛z算結(jié)果均能滿足規(guī)范要求。

表3 拱肋強(qiáng)度及穩(wěn)定性檢算結(jié)果 MPa

本橋跨度大，拱肋軸力大。為提高截面剛度，上下拱管和腹腔均灌注自密實補(bǔ)償收縮混凝土。對腹腔混凝土脫空的不利工況進(jìn)行檢算，即腹腔混凝土不計入主拱截面受力，僅計入自重影響。該工況下拱肋面內(nèi)抗彎剛度為EIg=2.0×108kN·m2，梁拱抗彎剛度比為1.73。各截面拱肋軸力減少6%，拱腳根部彎矩增大約30%，其他位置彎矩變化不大，拱肋混凝土壓應(yīng)力平均增加3 MPa左右。

3.3 吊桿計算結(jié)果

主力作用下，吊桿最大拉應(yīng)力397.9 MPa，最小拉應(yīng)力262.6 MPa。主力+附加力作用下，吊桿最大拉應(yīng)力400.1 MPa，最小拉應(yīng)力260.6 MPa。吊桿強(qiáng)度安全系數(shù)4.2，大于規(guī)定值3，滿足要求。在疲勞荷載作用下吊桿最大應(yīng)力幅為65.8 MPa，小于規(guī)定值150 MPa，滿足要求。

4 拱腳局部實體分析

梁拱結(jié)合部位是系桿拱橋的關(guān)鍵傳力節(jié)點，為準(zhǔn)確分析該部位結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，對拱腳區(qū)域建立實體有限元模型進(jìn)行局部分析［7］。實體建模范圍選取梁端至第2 根吊桿位置附近23 m 左右。拱腳局部應(yīng)力云圖如圖5所示。

由圖5可知，拱腳與系梁結(jié)合部位、梁端、吊點及截面突變位置均存在一定程度的應(yīng)力集中。拱腳位置最大主拉應(yīng)力均不超過1.1 MPa，拱腳區(qū)域縱向剪應(yīng)力較大，拱腳與主梁結(jié)合面最大剪應(yīng)力為2.6 MPa，系梁端部最大剪應(yīng)力為4.0 MPa，出現(xiàn)在頂面表層，范圍較小。拱腳應(yīng)力均在規(guī)范容許范圍內(nèi)，在拱腳應(yīng)力較大和構(gòu)造復(fù)雜位置應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)配筋。

圖5 拱腳應(yīng)力云圖（單位：MPa）

5 彈性屈曲分析

屈曲穩(wěn)定計算分析主要考慮以下荷載工況：恒載+風(fēng)荷載（橫向、縱向）+列車活載（最不利位置）+橫向搖擺力。梁拱組合體系在面內(nèi)由梁和拱通過吊桿形成桁架結(jié)構(gòu)，所以面內(nèi)剛度較大，其穩(wěn)定問題主要為面外失穩(wěn)［8］。橫撐的形式及布置方式對整體穩(wěn)定至關(guān)重要，拱肋跨中位置屬于薄弱環(huán)節(jié)，拱頂設(shè)X 形加強(qiáng)橫撐對整體穩(wěn)定性有較大貢獻(xiàn)。

經(jīng)分析，本橋前16階失穩(wěn)模態(tài)均為拱肋面外橫向彎曲。第1 階為拱肋橫向反對稱失穩(wěn)，彈性屈曲穩(wěn)定系數(shù)為8.76，第17 階失穩(wěn)模態(tài)為拱肋面內(nèi)縱向失穩(wěn)，彈性屈曲穩(wěn)定系數(shù)為30.11，縱橫向穩(wěn)定均滿足規(guī)范中穩(wěn)定系數(shù)不得小于4 的規(guī)定。成橋階段前4 階失穩(wěn)模態(tài)見圖6。

圖6 前4階失穩(wěn)模態(tài)

6 車橋動力性能

通過車橋耦合空間振動分析對本橋的動力性能以及列車運行安全性、平穩(wěn)性及舒適性進(jìn)行評價，結(jié)構(gòu)1階豎向自振頻率0.66 Hz、橫向自振頻率0.95 Hz，最大脫軌系數(shù)0.43＜0.80，最大輪重減載率0.58＜0.60，最大輪軌橫向力23.8 kN＜80 kN，舒適性指標(biāo)客車 2.37＜2.50，貨 車 2.86＜3.00，最 大 豎 向 加 速 度1.88 m/s2＜3.50 m/s2。

各項分析指標(biāo)表明，本橋具有較好的動力性能，能夠滿足普通旅客列車以速度80～200 km/h和貨車C70以速度60～120 km/h運行時的安全性和舒適性要求。

7 施工方案

結(jié)合現(xiàn)場及臺金高速公路行車條件，本橋采用先梁后拱的施工方法［9-11］，系梁采用碗扣式滿堂支架現(xiàn)澆施工，拱肋鋼管在工廠制作加工后，運至現(xiàn)場拼裝?？缭脚_金高速公路部分采用2×10.5 m 連續(xù)貝雷門架結(jié)構(gòu)，從而減少施工期間對橋下交通的影響。

系梁橫橋向一次澆筑，縱橋向分段施工，設(shè)2個合龍段。線路縱坡為+7.8‰，吊桿沿鉛垂方向布置，隔墻按鉛垂方向澆筑。系梁施工完畢后，張拉第1 批縱向預(yù)應(yīng)力，在橋面搭設(shè)臨時拱架，安裝拱肋空鋼管及橫撐。拱肋管內(nèi)混凝土采用泵送頂升法灌注，泵送順序為先上管、后下管、再腹腔。弦管內(nèi)混凝土采用接力泵送，腹腔混凝土采用三級泵送。每榀拱肋上下弦管各設(shè)1 處隔倉；腹腔內(nèi)設(shè)5 處隔倉，按50 cm 間距設(shè)加勁拉筋，并在每段隔倉底部區(qū)域進(jìn)行加密。待拱肋混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，拆除橋面臨時拱架，安裝并張拉吊桿，單根吊桿張拉順序、初張力及成橋索力見表4。張拉第2 批縱向預(yù)應(yīng)力，完成體系轉(zhuǎn)換，進(jìn)行橋面系施工，檢測并調(diào)整吊桿索力至設(shè)計值。最后對拱肋等鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)涂裝，施工完成后竣工驗收，驗收合格后方可通車運營。

表4 吊桿張拉順序及索力 kN

8 結(jié)論

1）雖然規(guī)范對時速160 km 客貨共線鐵路的梁端轉(zhuǎn)角沒有嚴(yán)格限定，但設(shè)計時需要采取措施加以控制。車橋耦合仿真分析時應(yīng)考慮梁端不平順的影響，156 m 跨度簡支拱用于更高時速時，應(yīng)對梁拱合理剛度比進(jìn)一步研究，輔以剛性或尼爾森體系吊桿、梁端扣槽等措施來滿足結(jié)構(gòu)受力和行車要求。

2）計算啞鈴形鋼管混凝土主拱時，腹腔混凝土是否參與主拱受力對拱肋強(qiáng)度影響較大，應(yīng)同時對腹腔混凝土脫空的不利工況進(jìn)行檢算，以保證結(jié)構(gòu)有足夠的安全富裕量。

3）大跨度單線系桿拱拱肋橫向間距較小，穩(wěn)定性問題突出，橫撐的形式對整體穩(wěn)定至關(guān)重要。拱肋跨中位置屬于薄弱環(huán)節(jié)，通過合理布置第1道橫撐，拱頂采用X形加強(qiáng)橫撐，可顯著提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

4）隨著系桿拱跨度的加大，拱腳軸力及梁拱交接區(qū)域縱向剪應(yīng)力相應(yīng)增加，采用加長拱腳及梁端實體段長度、設(shè)置三向預(yù)應(yīng)力體系、受力復(fù)雜位置適當(dāng)加強(qiáng)配筋等措施，可有效解決拱腳受力較大問題。

5）系桿拱跨既有高速公路采用支架法施工時，應(yīng)結(jié)合道路行車條件制定可行的支架施工方案。對道路交通進(jìn)行合理優(yōu)化，設(shè)置有效的防護(hù)措施，減少對道路行車的干擾，并保證施工過程的安全性。