文功啟

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 武漢 430063）

1 橋式應(yīng)用及特點

128 m下承式尼爾森提籃系桿拱是由我院開發(fā)，能很好適應(yīng)鐵路在跨越高等級公路、主要城市道路及河流時所用橋型。該橋式是在原我院設(shè)計的宣杭線東茹溪112 m下承式提籃系桿拱的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)的系列跨度下承式尼爾森體系提籃系桿拱（96，112，128，140 m）之一。目前該橋型已成功應(yīng)用于甬臺溫沿海鐵路、京滬高速、寧杭、杭長及鄭開等多條線路當(dāng)中。該橋式按雙線鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，是一種應(yīng)用成熟且經(jīng)濟(jì)性很好的橋型。

本橋型外部屬簡支靜定、內(nèi)部超靜定自平衡結(jié)構(gòu)，對基礎(chǔ)的適應(yīng)性強(qiáng)［1－2］。但由于拱肋的內(nèi)傾或外傾，使得拱肋線型較常規(guī)平行拱要復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)較強(qiáng)。斜拉的吊桿增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度。與其他鋼管混凝土橋相比，尼爾森體系提籃系桿拱主要有如下結(jié)構(gòu)特點［3］：①結(jié)構(gòu)體系力學(xué)性能優(yōu)良；②橋梁剛度大，有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；③動力性能好，能提供很好的行車安全及舒適度指標(biāo)；④結(jié)構(gòu)超載能力強(qiáng)；⑤外部靜定，建筑高度低，橋式美觀。

另外，本橋可根據(jù)現(xiàn)場施工條件，靈活采取“先梁后拱”或“先拱后梁”的施工方法。在“先拱后梁”的施工方法中，由于要采用臨時墩拱固定，且在張拉體外索的同時，拱上設(shè)掛籃施工系梁分段，體系轉(zhuǎn)換多，考慮結(jié)構(gòu)及施工的復(fù)雜性，一般盡量優(yōu)先采用“先梁后拱”施工方案。

2 提籃拱結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 橋型布置

本提籃拱全橋長132 m，計算距徑128 m，全橋布置見圖1～圖3。

圖1 提籃拱橋立面圖（單位：c m）

圖2 提籃拱橋平面圖（單位：c m）

圖3 提籃拱橋側(cè)面圖（單位：c m）

2.2 拱肋

線型采用二次拋物線，矢跨比1／5。拱肋采用豎置啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高3.4 m，等高布置；鋼管直徑為1 200 mm，由厚18 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。每隔一段距離，在圓形鋼管內(nèi)設(shè)加勁環(huán)和加勁角鋼，在腹板縱向加勁肋間設(shè)計拉筋，以防管內(nèi)微膨脹混凝土灌注時腹板發(fā)生向外的變形。

拱肋在橫橋向內(nèi)傾9°，形成提籃式，拱頂處兩拱肋中心距7.846 m，拱腳處兩拱肋中心距16.2 m。

2.3 橫撐

兩拱肋之間共設(shè)5道橫撐，拱頂處設(shè)X形撐，拱頂至兩拱腳間設(shè)4道K形橫撐。橫撐各框架均作共面設(shè)計。橫撐由直徑600，500和360 mm的圓形鋼管組成，鋼管內(nèi)部不填混凝土，其外表面需作防腐處理。

各橫撐均由幾個空間平面框架構(gòu)成，如K撐由3個平面框架組成，而一個平面內(nèi)有4個點，斜撐中4個點如果不共面，由此產(chǎn)生的附加力對結(jié)構(gòu)是不利的，而且這個問題往往被設(shè)計者忽視。下面簡單介紹4點共面設(shè)計。如圖4所示，拱肋上、下弦管s1，x1；一字撐上下弦偏中2點s2，x2。

圖4 橫撐設(shè)計示意圖

計算時，可先給定s1，x1及s2的空間座標(biāo)，由3點的空間座標(biāo)（xi，yi，zi）能確定一個平面：

分別將3點坐標(biāo)代入后，可確定3個未知數(shù)B，C，D，進(jìn)而確定平面方程式。

現(xiàn)考察x2點，設(shè)其坐標(biāo)（xx2，yx2，zx2）。由于x2位于一字撐下弦直線上，而直線的方程是確定的（順橫向xx2及豎向yx2座標(biāo)已定），進(jìn)行聯(lián)立式（2）可確定下弦直線與平面的交點即為x2的座標(biāo)：

值得注意的是，在設(shè)計中，由于鋼管的構(gòu)造偏心要求，s2不能取上一字撐上弦的中心點，需向y向偏移合適的距離。

2.4 系梁

系梁按整體箱形梁布置，采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，橋面箱寬17.8 m，梁高2.5 m；拱腳順橋向8 m范圍內(nèi)設(shè)計成實體段，橫橋向?qū)挾扔?7.8 m增加至18.8 m，截面漸變處設(shè)過渡段。系梁頂、底板厚度均為30 c m，邊腹板厚度35 c m，中腹板厚度為30 c m。底板在3.0 m范圍內(nèi)上抬0.50 m，以減小風(fēng)阻力，見圖5。對應(yīng)吊點處設(shè)橫梁，橫梁厚度為0.4 m。系梁兩端底板上設(shè)進(jìn)人孔，每個箱室均設(shè)檢查孔，便于在箱內(nèi)對吊桿等進(jìn)行檢查與換索。底板上設(shè)截水槽和泄水孔，邊腹板與中腹板上設(shè)通氣孔。

圖5 系梁橫截面（單位：c m）

系梁按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計，縱向設(shè)78束12-7Φ5預(yù)應(yīng)力筋，橫隔板上設(shè)4束12-7Φ5預(yù)應(yīng)力筋，橫向在底板設(shè)3、4-7Φ5的橫向預(yù)應(yīng)力筋。

2.5 吊桿

吊桿布置采用尼爾森體系，每2根吊桿只交叉一次，吊桿與系梁的順橋向水平夾角在50.462°～68.662°之間，橫橋向水平夾角為81°。吊桿間距為8 m，2交叉吊桿之間的橫向中心距為341 mm。吊桿采用127根直徑7 mm高強(qiáng)低松弛鍍鋅平行鋼絲束，冷鑄鐓頭錨，索體采用PES（FD）低應(yīng)力防腐索體，并外包不銹鋼防護(hù)。吊桿上下端設(shè)有保護(hù)罩，更換方便，吊桿更換時遵循對稱原則，每次可對稱更換2對，吊桿正常更換時需限速行駛。

提籃拱采用尼爾森體系的吊桿后，內(nèi)外吊桿的座間坐標(biāo)比平行拱要復(fù)雜得多，需通過一系列的計算，主要是確定吊桿傾角。如圖6約定坐標(biāo)系：拱肋設(shè)計起點為原點，大里程順橋向方向為X軸，高度方向為Y軸，Z向為橫橋向指向梁體外方向。

圖6 吊桿座標(biāo)計算示意圖（單位：c m）

吊桿的內(nèi)傾角計算關(guān)鍵是確定吊桿與拱肋與系梁的交點坐標(biāo)，設(shè)定系梁高h(yuǎn)，拱肋側(cè)傾角為β，內(nèi)外吊桿間距Δ。吊桿與拱肋x軸交點坐標(biāo)向量為x0，由拱肋方程y＝f（x）可知，吊桿與拱肋交點y坐標(biāo)向點為f（x）；吊桿與系梁錨固點的交點坐標(biāo)向量為x1，錨固點距梁面高度為h0，側(cè)吊桿與錨固點的y坐標(biāo)為

相繼求出各吊桿的傾角為

3 結(jié)語

128 m下承式尼爾森提籃系桿拱橋主體結(jié)構(gòu)采用了鋼管混凝土拱肋、整體單箱三室預(yù)應(yīng)力系梁及尼爾森體系的吊桿，使結(jié)構(gòu)具有良好靜、動力學(xué)性能的同時，整體橋面剛度大，能適應(yīng)不同等級鐵路的技術(shù)要求。設(shè)計前，應(yīng)對工點的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行充分研究，尤其是曲線時要對橋面布置仔細(xì)分析，以便確定合適的橋面寬度。在架橋機(jī)與運梁車需過橋時，合理安排橫撐的位置以滿足各種限界要求，并對各種工況進(jìn)行檢算，以保證結(jié)構(gòu)的安全。

由于橋式跨度大，建筑高度低，直梁、曲拱、斜吊桿的合理搭配極具韻律和美感，在鐵路橋梁建設(shè)中具有良好的推廣應(yīng)用前景。

［1］ 蔡紹懷.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］ 陳寶春.鋼管混凝土拱橋計算理論研究進(jìn)展［J］.土木工程學(xué)報，2003，36（12）：48-49.

［3］ 馮楚橋.高速鐵路無咋軌道112 m尼爾林體系提籃系桿拱橋設(shè)計［J］.鐵道工程學(xué)報，2007（S）：232-239.