嚴　翯

(武漢鋼鐵集團公司第三子弟中學, 湖北武漢 430080)

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拱橋在我國鐵路建設中的應用

嚴翯

(武漢鋼鐵集團公司第三子弟中學, 湖北武漢 430080)

【摘要】拱是一種自然結(jié)構形式，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慣與需求。拱橋在中國早期鐵路中較少應用，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)鐵路拱橋的應用始于19世紀未20世紀初，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)構形式，該橋孔跨54 m，全長63.14 m。

在19世紀90年代，我國開始生產(chǎn)水泥，混凝土的應用日益廣泛。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?；炷凉皹蛴捎谧灾卮筵毓?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)字仿真技術的發(fā)展，使得橋梁設計手段更加先進[2]。在鐵路建設過程中，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)構形式得到了廣泛應用。1966年建成的風沙二線永定河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，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計發(fā)生了質(zhì)的飛躍，已處于世界橋梁的領先地位，如在朔準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性。當前高速鐵路橋梁中，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設計關注點

為滿足高速鐵路行車要求，在拱橋的設計中，需重點關注以下幾個問題：

2.2.1結(jié)構體系的選擇

簡支拱橋是一種外部靜定結(jié)構，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，當跨度不夠大時，會使結(jié)構體系因溫度作用產(chǎn)生結(jié)構力和變形均較大，增加結(jié)構的處理難度。

當橋面較高時,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)構整體性更好。由此而設想，為了盡量減少修建高架橋接近100 m的高墩和基礎，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)構拱肋有鋼箱和鋼桁，鋼混組合結(jié)構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)構的受力方式有關，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。

一般來說，拱肋為鋼結(jié)構時，結(jié)構變形受溫度影響比較大，鋼箱截面拱肋尤為突出，設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活動支座，在兩線高速鐵路間設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?；炷恋啦臧逶阡撹炝簶蛎嫦瞪系脑O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。鐵路混凝土板整體橋面結(jié)構中，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。此種橋面提高了整體剛度，結(jié)構自重輕。為了傳遞縱向水平力，正交異性鋼橋面結(jié)構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)構構造復雜。為保證橋面橫梁的面外受力，可在節(jié)點處增設水平K撐，正交異性鋼橋面結(jié)構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造的復雜性。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，通過在頂板設置剪力釘，鋪設現(xiàn)澆混凝土橋面板。橋面整體剛度大。但拱腳處的受力復雜，梁拱連接處橋面構造困難。也可以采用不設置剪力釘和不鋪設現(xiàn)澆混凝土的橋面板，直接在鋼箱頂板鋪設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)構構造受力的復雜問題。

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應力混凝土箱形系梁，橋面整體性好，剛度大，能很好適應無砟軌道高速行車。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)構剛度大、列車走行性優(yōu)、抗風抗震性好、抗疲勞性能高的優(yōu)點，有較高的技術含量。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)橋面系設計中首次采用帶水平K撐的正交異性板結(jié)構，妥善地解決橋面系結(jié)構縱向水平力傳遞積累的難題，確保了結(jié)構的橫向穩(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景線。

參考文獻

[1]魏樂永.拱式結(jié)構體系研究[D].上海：同濟大學，2007.

[2]陳寶春.拱橋技術成就及展望[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.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～)，學生。

【中圖分類號】U442.5+4

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-10-13