劉彥明

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

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大跨度鋼箱疊拱橋在高速鐵路中的應(yīng)用研究

劉彥明

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043)

新建哈爾濱-大連高速鐵路跨越長春市富民大街設(shè)計(jì)采用138m鋼箱疊拱，為國內(nèi)首次采用的新型拱橋結(jié)構(gòu)，是目前國際上同類橋梁中的跨度最大、位于嚴(yán)寒地區(qū)的橋梁，也是國內(nèi)第一座應(yīng)用實(shí)體圓鋼吊桿鐵路橋梁，對(duì)該橋應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)體圓鋼吊桿的連接及低溫疲勞特性、拱腳的合理構(gòu)造及局部應(yīng)力、對(duì)無砟軌道適應(yīng)性、車橋耦合動(dòng)力效應(yīng)等進(jìn)行了系統(tǒng)計(jì)算分析和試驗(yàn)研究，其研究成果已應(yīng)用于新開河特大橋中，詳細(xì)介紹橋式方案及在高速鐵路應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)研究成果。

鐵路橋；高速鐵路；鋼箱疊拱橋；關(guān)鍵技術(shù)；應(yīng)用研究

1　工程概況

本橋?yàn)楣蟾咚勹F路新開河特大橋跨越長春市富民大街而設(shè)[1]，本段線路位于直線、平坡段，線路與富民大街夾角為31°，因該橋毗鄰長春西站，建筑高度及城市景觀需求，設(shè)計(jì)采用1-138 m簡支鋼箱疊拱結(jié)構(gòu)。哈大高鐵為一次雙線，線間距5 m，設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值350 km/h，鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無砟軌道。該橋地處低溫嚴(yán)寒地區(qū)，最低溫度達(dá)-36.5 ℃。橋址處地震動(dòng)峰值加速度值0.10g(相當(dāng)于地震基本烈度七度)，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.45 s。建成后的全橋?qū)嵕耙妶D1。

圖1　新開河特大橋1-138 m鋼箱疊拱橋

2　橋式方案

本橋橋式為L=138.7 m下承式鋼箱疊拱，拱肋由2個(gè)寬2.0 m、高1.8 m等高度箱形截面組成，上下拱肋在跨中間距最大達(dá)7.0 m，在拱腳處聯(lián)結(jié)在一起。兩側(cè)系梁中心距16.0 m，采用等寬變高度鋼箱截面，梁寬2.0 m，跨中梁高3.4 m，拱腳處梁高4.5 m。在每線軌道下方附近各設(shè)置1道縱梁，全橋共4道；中橫梁為高3.4 m工字形截面，相鄰橫梁之間的中心距離均為8.0 m；端橫梁為高4.5 m、寬6.5 m等高度箱形截面。上、下拱肋之間連桿及吊桿均采用強(qiáng)度460 MPa級(jí)實(shí)心圓鋼，連桿直徑為100 mm，間距2.667 m；吊桿直徑為130 mm，間距8.0 m。兩榀拱肋之間設(shè)3道“X”橫撐，橫撐縱向間距24 m。

鋼箱疊拱與常規(guī)系桿拱相比，不僅造型更加優(yōu)美，富有動(dòng)感，而且由于雙層拱肋間距為跨中大、支點(diǎn)小的特點(diǎn)，可以更有效地增加跨中豎向剛度，減小跨中撓度，同時(shí)改善拱肋中的彎矩分布的不均衡，受力結(jié)構(gòu)更為合理。

圖2　鋼箱疊拱橋平、立面布置(單位：mm)

鋼箱疊拱橋方案還有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1)高速鐵路橋梁在平原地區(qū)跨越道路時(shí)，由于線路標(biāo)準(zhǔn)高，往往與道路夾角角度很小，需要采用較大的跨度跨越?；炷吝B續(xù)梁結(jié)構(gòu)當(dāng)跨度較大時(shí)需要建筑高度較高，采用下承式系桿拱結(jié)構(gòu)可以有效降低橋梁建筑高度和局部路段的線路高程，節(jié)約投資。

(2)常規(guī)系桿拱采用混凝土箱梁系桿、鋼管混凝土拱肋、預(yù)應(yīng)力吊桿，在跨度較小時(shí)是適宜的，但跨度加大后，由于材料不同，在溫差作用下，特別是日照溫差作用下，結(jié)構(gòu)的受力分配將產(chǎn)生較大的變化，同時(shí)線路不平順條件也急劇惡化。本橋系桿和拱肋均采用鋼結(jié)構(gòu)，吊桿采用圓鋼實(shí)心吊桿，可以從根本上避免上述弊病產(chǎn)生。

(3)目前國內(nèi)剛性吊桿應(yīng)用較多為工字鋼吊桿，高速鐵路因行車速度高，線路標(biāo)準(zhǔn)高，往往與道路小角度交叉，工字鋼吊桿截面較大，會(huì)影響該橋整體美觀性，而本橋設(shè)計(jì)采用實(shí)心圓鋼吊桿， 吊桿外觀纖細(xì)，通透性更好，景觀效果更佳，更適合在城區(qū)建設(shè)。

(4)系桿拱結(jié)構(gòu)普遍采用的預(yù)應(yīng)力吊桿，盡管采用了多種防護(hù)措施，但吊桿的耐久性問題仍然未徹底得到解決，如何有效地解決預(yù)應(yīng)力鋼材的銹蝕及吊桿防護(hù)材料的老化問題，尚無可靠的手段，本橋采用圓鋼實(shí)體吊桿有效的解決吊桿耐久性問題。

(5)該跨度簡支鋼箱疊拱橋經(jīng)軌道專業(yè)檢算可以不設(shè)鋼軌溫度調(diào)節(jié)器，同時(shí)采用疊拱結(jié)構(gòu)及實(shí)體圓鋼剛性吊桿，大大提高了結(jié)構(gòu)的變形剛度，更適應(yīng)鋪設(shè)無砟軌道的要求，大大增加了列車走行的平順性、安全性及乘坐的舒適性，減少線路養(yǎng)護(hù)維修的工作量。

3　主要研究內(nèi)容

3.1實(shí)體圓鋼吊桿的合理構(gòu)造和疲勞特性

實(shí)體圓鋼吊桿因比柔性吊桿能降低梁端轉(zhuǎn)角，減小撓跨比值，增大結(jié)構(gòu)剛度，吊桿受力更均勻；比傳統(tǒng)的工字形截面吊桿外觀纖細(xì)，景觀效果更佳，同時(shí)安裝更簡單，方便調(diào)整吊桿張力、降低施工精度要求、節(jié)約用量等諸多優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，但實(shí)體圓鋼超長吊桿的連接、與系梁拱肋的連接問題，特別是低溫嚴(yán)寒條件下長期承受列車動(dòng)荷載疲勞應(yīng)力幅無法滿足鐵路規(guī)范要求，為阻礙其應(yīng)用的最關(guān)鍵技術(shù)問題[2]。

該橋中吊桿為受力最大桿件，最大應(yīng)力達(dá)210 MPa，最大應(yīng)力比達(dá)0.62，疲勞應(yīng)力幅達(dá)80 MPa。系梁頂至下拱肋底最大距離為28 m，而一根實(shí)體圓鋼最長為12 m，因此超長吊桿的連接不可避免，同時(shí)也存在與系梁拱肋連接問題。為方便安裝、應(yīng)力調(diào)整、后期更換等，設(shè)計(jì)采用通過連桿的螺扣連接形式，螺扣連接的疲勞問題成為解決吊桿疲勞應(yīng)力的關(guān)鍵。吊桿試驗(yàn)中首次根據(jù)吊桿廠家原有工藝水平生產(chǎn)10根試件，對(duì)其中的6根進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，并繪制了S-N曲線，試驗(yàn)結(jié)果很不理想，得到試件常溫下疲勞應(yīng)力幅只有75.89 MPa，無法滿足設(shè)計(jì)需要。經(jīng)認(rèn)真研究分析其原因，找到問題所在，提出了幾個(gè)方面的具體措施：增加吊桿端部墩粗頭的直徑；改變螺頂高度，使螺頂形成縱向緩坡；改善螺齒形狀和表面狀態(tài)，使螺齒間更為平順。按實(shí)施措施改進(jìn)后的工藝制作5根試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)于200萬次的疲勞應(yīng)力幅自最初的75.89 MPa，不能滿足設(shè)計(jì)要求，到研究改進(jìn)后提高至159.77 MPa，提高幅度達(dá)110%。吊桿的疲勞試驗(yàn)見圖3。

由于新建哈大線為高速鐵路，設(shè)計(jì)使用年限為100年，從預(yù)期運(yùn)營頻次看，在長春西站遠(yuǎn)期預(yù)計(jì)達(dá)178對(duì)/d，在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)吊桿的疲勞反復(fù)應(yīng)力次數(shù)可能超過200萬次。故對(duì)該橋吊桿應(yīng)考慮最不利情況，按照疲勞循環(huán)次數(shù)1 000萬次對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度為疲勞裂紋不擴(kuò)展的強(qiáng)度，即為疲勞截止限考慮。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究得到[3-4]：常溫下改進(jìn)后的吊桿承受運(yùn)營拉拉疲勞荷載的疲勞極限強(qiáng)度應(yīng)在120～124 MPa范圍內(nèi)。

該橋地處我國東北長春市長春西站附近，屬于低溫嚴(yán)寒地區(qū)，最低溫度達(dá)-36.5 ℃，應(yīng)考慮吊桿的低溫?cái)嗔秧g性對(duì)允許疲勞應(yīng)力的影響[5]，對(duì)低溫嚴(yán)寒狀況下疲勞問題進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，吊桿材質(zhì)為35CrMo高強(qiáng)度鋼，主要進(jìn)行了室溫、-20、-40、-50 ℃共四級(jí)溫度的直三點(diǎn)彎曲CTOD試驗(yàn)，共完成4個(gè)試件，試驗(yàn)結(jié)論：35CrMo材質(zhì)斷裂韌性與Q370qE相當(dāng)，35CrMo材質(zhì)的實(shí)體圓鋼吊桿在低溫下的疲勞容許應(yīng)力幅需按常溫下應(yīng)力幅的0.8系數(shù)進(jìn)行折減。吊桿材料的低溫?cái)嗔言囼?yàn)見圖4。

圖3　吊桿的疲勞試驗(yàn)

圖4　吊桿材料的低溫?cái)嗔言囼?yàn)

同時(shí)進(jìn)行了吊桿與耳板的連接試驗(yàn)研究，提出2套可實(shí)施方案[6]，首先采用大型有限元分析軟件ANSYS建立節(jié)點(diǎn)塊體單元模型，進(jìn)行數(shù)值對(duì)比及理論分析，找出最優(yōu)方案，進(jìn)行了1∶1的實(shí)體模型試驗(yàn)驗(yàn)證，掌握了吊桿耳板銷軸的構(gòu)造應(yīng)力分布特征和設(shè)計(jì)荷載下吊桿圓鋼、U形銷座的最大應(yīng)力部位和數(shù)值，同時(shí)探索了焊接及銷軸成孔工藝，保證加工精度。試驗(yàn)結(jié)果顯示：吊桿(35CrMo)與耳板(Q370qE)的共同工作情況良好，整個(gè)吊桿結(jié)構(gòu)的破壞是吊桿光滑圓鋼部位率先屈服，吊桿可以作為大橋可更換構(gòu)件。吊桿與耳板連接試驗(yàn)見圖5。

圖5　吊桿與耳板連接試驗(yàn)

3.2大跨雙箱疊拱拱腳合理構(gòu)造試驗(yàn)研究。

雙層疊拱在拱腳相交在一起，其傳力途徑發(fā)生改變，其構(gòu)造處理最為重要；由于該橋?yàn)榭缍冉?40 m鋼結(jié)構(gòu)，支座反力近3.00×104kN，支座上方受力最為復(fù)雜，隔板局部最大應(yīng)力達(dá)206 MPa，疊拱拱腳構(gòu)造是否合理成為設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵[7]。

針對(duì)新開河138 m鋼箱疊拱橋拱腳，設(shè)計(jì)并加工1∶2比例的拱腳模型進(jìn)行模擬實(shí)橋受力狀態(tài)的靜力加載試驗(yàn)和焊接殘余應(yīng)力測試[8]。為掌握試件應(yīng)力分布情況，同時(shí)校對(duì)試驗(yàn)加載，首先采用9.0版ANSYS空間有限元結(jié)構(gòu)分析通用軟件建造有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析，優(yōu)化加載方案，提出了測試重點(diǎn)。

對(duì)模型試件分別進(jìn)行了軸心加載測試：設(shè)計(jì)荷載(10 100 kN)作用下試驗(yàn)、最大加載(14 560 kN)時(shí)作用下試驗(yàn)，以及偏心靜載測試(試驗(yàn)加載見圖6)：最大荷載(6 500 kN)作用下向上偏心加載試驗(yàn)、向下偏心加載試驗(yàn)，并采用盲孔法進(jìn)行了各種材料和結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分析和研究。

圖6　拱腳加載試驗(yàn)

加載試驗(yàn)方案真實(shí)模擬了實(shí)橋邊界受力條件，得到了拱腳結(jié)構(gòu)應(yīng)力流分布狀況，掌握了拱腳結(jié)構(gòu)的受力和傳力途徑，實(shí)測結(jié)果與有限元分析相符。研究表明，拱腳應(yīng)力流具有指向性，主應(yīng)力基本上順著拱肋方向指向支座和系梁方向，上下拱肋對(duì)應(yīng)拱腳隔板應(yīng)力分布比較均勻，驗(yàn)證了拱腳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

3.3對(duì)鋪設(shè)無砟軌道的適應(yīng)性研究

目前只有法國的地中海線設(shè)計(jì)2座鋼箱疊拱橋[9]，但均采用有砟軌道，而本橋鋪設(shè)板式無砟軌道，對(duì)梁端轉(zhuǎn)角、線路平順提出了更高要求。有砟軌道相鄰兩孔梁之間的梁端轉(zhuǎn)角之和不應(yīng)超過4‰，而無砟軌道為不應(yīng)超過2‰，又因鋪設(shè)無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支承點(diǎn)橫向相對(duì)位移不應(yīng)大于1 mm，而有砟軌道無此限制。采用疊拱結(jié)構(gòu)、實(shí)體圓鋼吊桿本已對(duì)橋梁的豎向剛度改善較大，但由于該橋跨度大、為充分發(fā)揮鋼材的材料性能，其豎向剛度相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)往往相差較大，因此大跨度鋼箱疊拱拱橋梁端轉(zhuǎn)角及梁縫兩側(cè)鋼軌支承點(diǎn)間的相對(duì)橫向位移成為控制設(shè)計(jì)的主要因素。

為解決梁端轉(zhuǎn)角問題，從以下2種途徑進(jìn)行了研究分析，一種為從軌道進(jìn)行研究采取措施，放寬對(duì)大跨鋼箱疊拱橋的梁端轉(zhuǎn)角及相對(duì)豎向位移的要求，在梁縫處軌道結(jié)構(gòu)上設(shè)置短梁；另一種為從大跨鋼箱疊拱橋的構(gòu)造上進(jìn)行研究，無砟軌道在梁端鋪設(shè)在端橫梁上，梁縫兩側(cè)鋼軌支承點(diǎn)間的相對(duì)豎向位移與梁端轉(zhuǎn)角由支點(diǎn)至梁端的距離決定，在兩端轉(zhuǎn)角不變的情況下，減少支點(diǎn)至梁端的距離，可有效減小豎向位移及梁端轉(zhuǎn)角。第一種方案需要設(shè)置短梁，構(gòu)造復(fù)雜，后期養(yǎng)護(hù)工作量大；第二種方案從鋼箱疊拱橋構(gòu)造上通過內(nèi)移橫梁即可解決，簡單有效，設(shè)計(jì)最終采用第二種方案。

該橋拱肋橫向間距較大，支座位于拱腳下方，其支座橫向間距因構(gòu)造控制達(dá)到14 m，而相鄰的簡支箱梁支座橫向間距只有4.5 m，橋位處最高與最低氣溫差達(dá)74.5 ℃，按照常規(guī)方式布置支座，均無法滿足“鋪設(shè)無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支承點(diǎn)橫向相對(duì)位移不應(yīng)大于1 mm”的要求。經(jīng)認(rèn)真分析研究，首次采用豎向活動(dòng)橫向限位支座，不約束豎向位移，只限制橫向位移，即在端橫梁上布置3個(gè)支座，兩側(cè)系梁下布置橫向活動(dòng)支座，中間為豎向活動(dòng)橫向限位支座，既不改變端橫梁的受力方式，又可解決“無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支承點(diǎn)橫向相對(duì)位移”難以滿足要求的難題。

3.4動(dòng)力仿真分析研究

采用德國ICE3動(dòng)力分散獨(dú)立式高速列車、法國TGV動(dòng)力分散鉸接式高速列車、日本500系動(dòng)力分散獨(dú)立式高速列車、國產(chǎn)動(dòng)力分散獨(dú)立式高速列車、先鋒號(hào)列車、中華之星列車共計(jì)6種機(jī)車車輛的參數(shù)，以德國低干擾譜轉(zhuǎn)換的時(shí)域軌道不平順樣本作為系統(tǒng)激勵(lì)，針對(duì)哈大高鐵新開河138 m鋼箱疊拱特進(jìn)行了車橋耦合動(dòng)力分析研究，得到車輛系統(tǒng)的動(dòng)力指標(biāo)：動(dòng)車和拖車的脫軌系數(shù)，輪重減載率，橫向力，車體橫、豎向加速度，車體橫、豎向Spering舒適度指標(biāo)；以及橋梁系統(tǒng)的動(dòng)力指標(biāo)：橋梁的動(dòng)力系數(shù)、橋梁跨中豎橫向位移、橋梁跨中豎橫向加速度、墩頂橫向位移及橫向加速度。結(jié)果表明：橋梁的安全性、列車安全性及乘坐的舒適性等均滿足高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[10]各項(xiàng)安全性、平穩(wěn)性要求。

計(jì)算所涉及的各工況中，動(dòng)力系數(shù)最大者為1.13，顯示橋梁未發(fā)生明顯的共振現(xiàn)象；在德國ICE3、法國TGV、日本500系、國產(chǎn)高速列車250～350 km/h速度范圍內(nèi)所有工況均達(dá)到了乘坐舒適性良好的標(biāo)準(zhǔn)；上述列車在375～420 km/h速度范圍內(nèi)，所有工況均達(dá)到了乘坐舒適性合格的標(biāo)準(zhǔn)；在先鋒號(hào)、中華之星列車160～220 km/h速度范圍所有工況均達(dá)到了乘坐舒適性良的標(biāo)準(zhǔn)；上述列車在240～270 km/h速度范圍內(nèi)，所有工況均達(dá)到了乘坐舒適性合格的標(biāo)準(zhǔn)。

4　主要結(jié)論

該研究成果已應(yīng)用在哈大高速鐵路新開河特大橋1-138 m鋼箱疊拱橋及京滬高速鐵路北京特大橋跨京開高速公路(32+108+32) m中承式鋼箱拱橋中，橋梁各項(xiàng)檢測指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。通過對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)分析及實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論。

(1)通過一系列實(shí)體分析及實(shí)驗(yàn)研究，綜合考慮使用低溫環(huán)境以及高速鐵路行車密度的影響后，得到實(shí)體圓鋼吊桿的疲勞應(yīng)力幅達(dá)到96 MPa以上，能夠滿足大橋低溫下運(yùn)營100年的使用要求。為今后鋼箱疊

拱橋、實(shí)體圓鋼吊桿在鐵路橋梁的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為拱橋提供了一種新型的吊桿結(jié)構(gòu)形式。

(2)通過拱腳的中心加載及偏心加載試驗(yàn)，拱腳應(yīng)力流具有指向性，主應(yīng)力基本上順著拱肋方向向支座方向和系梁方向傳遞，上下拱肋對(duì)應(yīng)拱腳處隔板應(yīng)力分布比較均勻，疊拱拱腳構(gòu)造設(shè)計(jì)合理。

(3)該類型的拱橋可以通過內(nèi)移端橫梁，有效地減小跨中豎向位移及梁端轉(zhuǎn)角，大大改善線路的平順性；端橫梁上布置3個(gè)支座，中間為豎向活動(dòng)橫向限位支座，兩側(cè)均為橫向活動(dòng)支座，在不改變?cè)Y(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)下，可解決“無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支承點(diǎn)橫向相對(duì)位移”難以滿足要求的難題。

(4)該橋的車橋耦合動(dòng)力分析研究表明，橋梁的安全性、列車安全性及乘坐的舒適性等均滿足高速鐵路規(guī)范各項(xiàng)安全性、平穩(wěn)性要求。

5　展望

新開河138 m鋼箱疊拱橋在哈大高速鐵路的成功建設(shè)，不僅為哈大鐵路順利開展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為長春市增添了一道美麗的景觀建筑，而且也填補(bǔ)了國內(nèi)鐵路橋梁工程空白，對(duì)大跨度鋼箱疊拱新型橋梁在國內(nèi)鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用與推廣意義重大，也為類似工程的設(shè)計(jì)、施工以及橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的修訂提供借鑒、參考及指導(dǎo)價(jià)值。

[1]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新開河特大橋施工圖(第二冊(cè))[Z].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2008.

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Application Research on Long-span Double Steel Arch Bridge on High-speed Railway

LIU Yan-ming

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

The bridge on newly-built high-speed railway of Harbin to Dalian spans over Fumin street with 138m double steel arch. Such bridge type is the first of its kind adopted in domestic railway and also the biggest span of similar bridges in the world and located in the cold region. It is also the first bridge to use solid round steel hanger. Systematic calculation, analysis, test and research are conducted in perspective of such key technologies as anchorage plate connection of solid round steel hanger and low temperature fracture toughness, proper structure and local stress of skewback, adaptability of ballastless track, vehicle-bridge coupled vibration and so on. The paper explains in depth the key technologies applied in the bridge and related research results.

Railway bridge; High-speed railway; Double steel arch bridge; Key technology; Application research

2015-12-28；

2016-01-04

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目( 2006G011-C-2)

劉彥明(1969—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師， 1991年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工程碩士，E-mail:clzlym@163.com。

1004-2954(2016)08-0069-04

U238； U448.22+3

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.015