施 威，孫大斌

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

長昆客運專線鐵路中承式異型拱橋設(shè)計研究

施 威，孫大斌

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

為解決長昆客運專線斜跨潭韶高速公路的問題，通過橋式方案比選，結(jié)構(gòu)構(gòu)造優(yōu)化，結(jié)構(gòu)靜力、動力計算分析，設(shè)計研究出拱肋沿橋軸線非對稱錯位布置、吊桿扇形布設(shè)、無風(fēng)撐拱肋的中承式斜置拱橋。該橋已投入實際運營，應(yīng)用良好。

鐵路橋；斜交拱橋；無風(fēng)撐拱肋；設(shè)計

國內(nèi)鐵路鋼管混凝土拱橋拱肋通常沿橋軸線對稱布置，吊桿采用豎直吊桿或相鄰吊桿傾斜角度交替布置形式。為加強拱肋的面外穩(wěn)定性，大部分拱橋均設(shè)有風(fēng)撐。

長昆客運專線鐵路“紅太陽”拱橋打破傳統(tǒng)拱橋形式，把拱肋沿橋軸線呈非對稱錯位布置，吊桿呈扇形布置。獨特的橋式讓其成為國內(nèi)拱橋中的新秀。

1 工程概況

新建長沙至昆明客運專線設(shè)計速度為300 km/h，正線為雙線，線間距5 m，采用CRTSI型雙塊式無砟軌道，設(shè)計活載為ZK活載。

長昆客運專線在里程DK62+611.12～DK62+749.45跨越潭韶高速公路，線路長度約138.10 m。該段線路位于R=9 000 m的圓曲線上，縱斷面位于4.562‰的縱坡上。

長昆客運專線與潭韶高速公路交叉點里程DK62+680.28，交叉角度43°5′。立交凈空要求：凈寬26 m×凈高5.5 m。

橋址線位平面如圖1所示。

圖1 橋址線位平面

2 方案研究[1]

該工點地處湖南省韶山市，所以橋式應(yīng)傳承紅色文化，盡顯地域特色。為此，進(jìn)行了多種方案設(shè)計，并進(jìn)行比選。

2.1 (50+90) m獨塔斜拉橋方案

由于潭韶高速公路較寬，且與長昆客運專線斜交角度較小，所以擬采用正交結(jié)構(gòu)的獨塔斜拉橋斜跨潭韶高速公路。

獨塔斜拉橋斜猶如一面旗幟，與紅色文化緊緊相扣，橋式布置見圖2。

圖2 (50+90) m獨塔斜拉橋方案(單位：cm)

2.2 1-96 m簡支系桿拱橋方案

根據(jù)橋位處實際地形地貌條件，按樁基礎(chǔ)滿足最小施工安全距離控制橋梁最小跨度，擬采用1-96 m簡支系桿拱橋。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁形式，拱采用鋼管混凝土構(gòu)造。

拱橋猶如一道彩虹，橫跨于高速公路上，與周圍環(huán)境相結(jié)合，盡顯和諧。橋式布置見圖3。

2.3 90 m中承式異形拱橋方案

跨越潭韶高速公路，交叉角度43°，考慮斜交斜做，綜合橋梁美學(xué)，擬采用斜交90 m中承式異形拱橋。

90 m中承式異形拱橋吊桿扇形布置，兩拱肋沿公路方向斜向錯位布置。拱肋擬采用啞鈴形鋼管混凝土拱肋。為滿足橋上架梁通道要求，橋面以上兩拱肋間無風(fēng)撐。

梁部擬采用縱橫梁結(jié)構(gòu)，整個橋跨受力體系為異形中承式拱加勁斜交連續(xù)梁受力體系或稱為斜支撐梁拱組合體系。梁部中支點支座沿公路方向斜向布置，大、小里程梁端沿曲線徑向布置。

拱橋吊桿與拱肋整體造型有如放射光芒的“紅太陽”。紅太陽，有著“旭日東升”之寓意，同時也融合于紅色氛圍中。橋式布置見圖4。

圖3 1-96 m簡支系桿拱橋(單位：cm)

圖4 90 m中承式異形拱橋方案(單位：cm)

2.4 方案比選

(50+90) m獨塔斜拉橋方案，斜拉橋豎、橫向剛度相對較低，在鐵路橋梁上較少采用。從施工方面考慮，梁部支架現(xiàn)澆，橋塔吊裝、斜拉索張拉等工序復(fù)雜，施工總周期比較長，施工對高速公路行車安全影響較大。

96 m簡支系桿拱橋方案，簡支系桿拱橋較常用于鐵路橋梁中，具有豎、橫向剛度大及低噪聲等優(yōu)點。從施工方面考慮，橋墩、基礎(chǔ)及梁部施工順序同獨塔斜拉橋，待梁部施工完畢后，支架安裝鋼管混凝土拱。最后施工橋面附屬。該方案施工工期較短，對潭韶高速公路行車安全影響較小，但是該橋式無新意，無法成為標(biāo)志性建筑。

90 m中承式異形拱橋方案，拱橋結(jié)構(gòu)受力體系不同于傳統(tǒng)橋梁，拱肋結(jié)構(gòu)與一般中、下承式拱橋類似，梁部結(jié)構(gòu)與一般斜交連續(xù)梁類似，但又不盡相同，是一種新型組合受力體系的橋梁結(jié)構(gòu)。它同樣具有豎、橫向剛度大及低噪聲等優(yōu)點。從施工方面考慮，拱橋施工及防護(hù)方案基本與1-96 m簡支系桿拱橋相同。該方案拱肋縱向錯位布置，吊桿扇形布置，施工略顯復(fù)雜，但施工工期與96 m簡支拱基本一致，對潭韶高速公路行車安全影響較小。從景觀方面考慮，該橋式比前兩個更勝一籌。橋式猶如一輪冉冉升起的紅太陽，彰顯韶山的紅色文化。它自然地與周圍環(huán)境融合，共同構(gòu)成一幅美麗的畫卷。

從經(jīng)濟(jì)性分析，獨塔斜拉橋造價較高，兩個拱橋造價相當(dāng)。

綜合設(shè)計、施工、景觀、經(jīng)濟(jì)多方面，最終采用90 m中承式異形拱橋方案，同時命名該橋為“紅太陽”拱橋，橋式效果見圖5。

圖5 “紅太陽”拱橋效果圖

3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

3.1 拱肋結(jié)構(gòu)[2]

拱肋計算跨度為90 m，立面投影矢高22.5 m，矢跨比為f/L=1∶4，拱肋采用m=3.5的懸鏈線。橋面以上拱肋不設(shè)橫撐，為敞開式結(jié)構(gòu)。

拱肋采用啞鈴形截面，上、下鋼管管徑1.2 m，上、下鋼管間距1.8 m，拱肋總高3.0 m，鋼管壁厚24 mm，連接上、下鋼管用的腹板板厚20 mm。

拱肋為部分鋼管混凝土拱肋，拱腳以上，橋面以上拱肋內(nèi)填充C55混凝土。

3.2 吊桿布置

為了實現(xiàn)“紅太陽”發(fā)散式吊桿達(dá)到光芒照射的效果，在結(jié)構(gòu)美學(xué)設(shè)計時，采用“光源”點至拱頂距離49.8 m。吊桿發(fā)散布置，邊吊桿最大傾斜角度48.1°。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)受力好，能表達(dá)吊桿“光芒”四射之感，尤其在高速公路行車時，視覺效果好，如圖6所示。

圖6 吊索光源布置

吊桿采用PES(FD)低應(yīng)力防腐索體，吊桿安全系數(shù)n不小于2.5。索體型號為PES(FD)7E-109，其破斷索力為7 005 kN。吊桿以虛擬圓心發(fā)散斜向布置，按照在梁面上間距不小于4 m布置，全橋共設(shè)11對吊桿，實際吊桿橋面間距4.7～5.8 m，如圖7所示。

圖7 吊索布置(單位：cm)

3.3 吊桿錨固[2]

吊桿錨固端設(shè)在拱腳上方。錨固防護(hù)罩高度長度為2 m，以達(dá)到“光芒”效果，能夠表達(dá)“紅太陽”光芒四射的景觀。

吊桿下錨點構(gòu)造采用總量錨固方案。在拱肋平面內(nèi)，吊桿與梁部錨固處縱橋向設(shè)置錨固縱梁，錨固縱梁通過橫梁與主縱梁連接。吊桿力通過下錨點傳至錨固縱梁，錨固縱梁再通過橫梁將力傳遞至主縱梁。錨固縱梁高2 m，橫向?qū)?.7 m。吊桿下錨點構(gòu)造設(shè)在錨固縱梁下方，在錨固位置處將錨固縱梁局部開槽，使吊桿下錨點嵌入槽內(nèi)，從外觀上看不到錨固裝置。整體景觀性較好。

3.4 梁部[3]

梁部全長130.165 m，采用縱橫梁體系，主縱梁采用實心矩形截面，梁高2.5 m，寬1.8 m，小縱梁為矩形截面寬0.25 m×高1.0 m，一般橫隔板為矩形截面寬0.4 m×高1.5 m，沿橋縱向4 m布置，中支點橫隔寬2 m，高1.5 m，端支點橫隔寬1.6 m，高1.5 m，橋面板厚0.28 m。梁部采用C55混凝土。梁部構(gòu)造平面見圖8。

3.5 橫梁

拱橋主梁下在拱肋之間設(shè)鋼橫梁。受拱肋尺寸限制，鋼橫梁高2.5 m，寬1.3 m，由t=22 mm的鋼板焊接而成。

3.6 橋面寬度

邊跨橋面總寬為12 m，中跨橋面總寬16.6 m，并采用4 m長過渡段過渡橋面寬度變化。梁部斷面見圖9。

4 結(jié)構(gòu)計算[3-11]

4.1 靜力分析

采用有限元軟件MIDAS CIVIL2006建立模型，進(jìn)行分析計算。主橋采用梁單元，吊索采用桁架單元進(jìn)行模擬，并僅考慮吊索軸向的拉伸剛度。

圖8 梁部構(gòu)造平面布置(單位：cm)

圖9 梁部斷面(單位：cm)

按照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加載，列車荷載采用ZK活載。并且分別考慮運營荷載及施工荷載。

運營荷載包括恒載(包括結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、混凝土收縮徐變、結(jié)構(gòu)變位)、活載(包括列車豎向靜活載、列車豎向動力作用、離心力、搖擺力、制動力)、風(fēng)力、溫度荷載、脫軌荷載等。

對于基礎(chǔ)變位，單支座不均勻沉降工況按5 mm考慮。

對于風(fēng)力荷載，加載于梁部之上的橫向風(fēng)荷載為1.75 kN/m，加載于拱肋之上的橫向風(fēng)荷載為1.87 kN/m，加載于拱肋之上的縱向風(fēng)荷載為0.21 kN/m。風(fēng)荷載按照橋上有車考慮，考慮列車承受風(fēng)荷載為2.1 kN/m，作用軌頂以上2 m位置。風(fēng)荷載按節(jié)點荷載加載于拱、梁單元上。

對于溫度荷載，按整體升降溫±20 ℃，頂?shù)装鍦夭? ℃，并考慮升溫時，鋼材比混凝土溫度高15 ℃，降溫時鋼材比混凝土溫度低10 ℃。

其他運營荷載取值及荷載組合均按規(guī)范執(zhí)行，此處就不再贅述。

施工荷載按照實際的施工順序進(jìn)行模擬。施工過程中，結(jié)構(gòu)的安裝與拆除、荷載的加載與卸載、邊界條件的改變等均通過相應(yīng)組的激活與鈍化實現(xiàn)。

下面就主要結(jié)構(gòu)計算分析加以敘述。

(1)拱肋計算[9，10]

分別對鋼管拱肋、鋼管混凝土拱肋、部分鋼管混凝土拱肋進(jìn)行建模，并進(jìn)行穩(wěn)定性分析。分析結(jié)果表明，當(dāng)采用鋼管混凝土拱肋時，拱肋有較好的穩(wěn)定性，剛度也較大，但局部混凝土出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，隨之混凝土將出現(xiàn)裂縫，從而削減一部分拱肋剛度。當(dāng)采用鋼管拱肋時，拱肋穩(wěn)定性也能滿足要求，但比鋼管混凝土拱肋提供剛度?。徊捎貌糠咒摴芑炷凉袄邥r，拱肋穩(wěn)定性雖提高的不多，但能夠提供較大的橫向剛度，能夠在一定程度上彌補拱橋拱肋橫向剛度偏弱的不足。因此拱肋結(jié)構(gòu)采用部分鋼管混凝土拱肋。

在主力組合下，拱肋鋼管最大壓應(yīng)力為136.55 MPa，最大拉應(yīng)力為8.05 MPa，在主力+附加力組合下，拱肋鋼管最大壓應(yīng)力為155.45 MPa，最大拉應(yīng)力為55.86 MPa。拱肋面內(nèi)穩(wěn)定安全系數(shù)為13.8，面外屈曲穩(wěn)定安全系數(shù)為5.02。結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

(2)主梁計算

分別檢算施工和運營階段主梁的強度、抗裂性、應(yīng)力及變形。施工階段梁部端支點處的最大壓應(yīng)力為14.2 MPa；運營階段，最不利荷載作用下，在主力組合下，混凝土最大壓應(yīng)力為16.52 MPa，最小壓應(yīng)力為2.29 MPa，在主力+附加力組合下，混凝土最大壓應(yīng)力為20.09 MPa，最小壓應(yīng)力為0.12 MPa?；炷磷畲笾骼瓚?yīng)力為0.921 MPa；最大主壓應(yīng)力為18.52 MPa。主力作用下強度安全系數(shù)最小值為2.46，主力+附加力作用下強度安全系數(shù)最小值為2.08。梁部最大豎向撓度33.3 mm，撓跨比1/2 727，梁端最大轉(zhuǎn)角0.29‰rad。以上檢算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

(3)拱腳局部應(yīng)力分析

利用Ansys有限元分析軟件，對拱腳建立了局部有限元模型，拱腳采用SOLID45單元。建立分析其在各種最不利工況下的受力性能，得出以下結(jié)論：拱腳與拱肋接觸面附近存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主拉應(yīng)力為4.46 MPa，超過了C40混凝土的容許應(yīng)力。但鑒于該處應(yīng)力集中的范圍很小，通過對該處加強配筋處理，可以有效地增大拱腳強度。拱腳其他部位的應(yīng)力均在容許值以內(nèi)。

4.2 動力分析

為了檢算“紅太陽”拱橋的自振頻率、跨中豎向與橫向動位移、跨中豎向與橫向加速度、墩頂橫向位移與加速度；檢算機車車輛的安全性和舒適度指標(biāo)，包括脫軌系數(shù)、輪重減載率、豎橫向加速度及Sperling舒適度指標(biāo)，對“紅太陽”拱橋進(jìn)行車橋耦合動力仿真分析。

分別采用軟件MIDAS以及橋梁結(jié)構(gòu)動力分析軟件BDAP V2.0，來建立“紅太陽”拱橋的動力分析模型。

(1)自振特性

自振特性頻率分析結(jié)果見表1。

表1 “紅太陽”拱橋自振特性計算結(jié)果

其中1、2、3階振型見圖10～圖12。

圖10 第1階右幅拱圈一階橫彎(俯視)

圖11 第2階主梁一階正對稱橫彎(俯視)

圖12 第3階主梁一階正對稱豎彎(立面)

(2)車橋耦合動力仿真分析

建立車橋一體空間模型，對該橋在ICE3、國產(chǎn)300和CRH2動車組作用下的車橋空間耦合振動進(jìn)行了分析，評價了該橋的動力性能以及列車運行安全性與平穩(wěn)性。其主要結(jié)論如下：跨潭韶高速公路特大橋1-90 m中承式拱橋具有足夠的豎向和橫向剛度，能夠滿足國產(chǎn)CRH2動車組以速度160～250 km/h、德國ICE3和國產(chǎn)300 km/h動車組以速度250～350 km/h運行時的安全性和良好的舒適性要求。

5 結(jié)語

長昆客運專線鐵路“紅太陽”拱橋拱肋沿橋軸線非對稱錯位布置且吊桿扇形布置形式，尚屬國內(nèi)在鐵路拱橋上首次采用。對“紅太陽”拱橋的吊桿布置形式、拱肋截面形式、吊桿錨固方式、橫梁等方面的設(shè)計進(jìn)行了介紹，并對拱橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析、穩(wěn)定性分析、拱腳局部應(yīng)力分析和車橋耦合動力仿真分析，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行指導(dǎo)，同時本橋的無風(fēng)撐拱肋設(shè)計能夠為今后的無風(fēng)撐結(jié)構(gòu)布置設(shè)計提供參考。

“紅太陽”拱橋布置形式新穎、美觀，實現(xiàn)橋梁與建筑的完美結(jié)合。同時該橋具有一定寓意，象征著光芒四射的紅太陽，建成后將成為一座地標(biāo)式建筑物。

[1] 鄭建.中國高速鐵路橋梁[M].北京:高等教育出版社，2008.

[2] 孫樹禮.青藏鐵路拉薩河大橋[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[3] 黃平明.混凝土斜梁橋[M].北京：人民交通出版社，1999.

[4] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1～5—2005鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[6] 中華人民共和國鐵道部.TBJ 24—89鐵路結(jié)合梁設(shè)計規(guī)定[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[7] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.3～5—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[8] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2～5—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S] 北京：中國鐵道出版社，2005.

[9] 強士中.橋梁工程[M].北京：高等教育出版社，2011.

[10]陳寶春.鋼管混凝土拱橋[M].北京：人民交通出版社，2007.

[11]金成棣.預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合橋梁——設(shè)計研究與實踐[M].北京：人民交通出版社，2001.

Design of Half-through Anomalistic Arch Bridge on Changsha-Kunming Passenger-dedicated Line

SHI Wei， SUN Da-bin

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin300142， China)

To resolve the problem in design to allow Changsha-Kunming passenger dedicated railway to cross over Xiangtan-Shaoshan highway， this paper， on the basis of bridge scheme comparison， construction structure optimization， calculation and analysis of structural statistics and dynamics， comes to the conclusion that the half-through anomalistic arch bridge is recommended and arranged unsymmetrically and misplaced with its arch ribs along the bridge axial line， with its suspenders placed in fan-shape and its arch ribs without wind bracing. This bridge has been put into use with good results.

Railway bridge; Oblique crossing arch bridge; Arch rib without wind bracing; Design

2015-01-06；

2015-01-08

施 威(1971—)，男，高級工程師，1993年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土建結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：shiwei_2046@126.com。

1004-2954(2015)03-0068-06

U448.22； U442.5+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.016