王俊杰

(中國鐵路設計集團有限公司， 天津 300142)

為了降低橋梁結構高度，可采用的橋梁類型主要有系桿拱橋、槽型梁、斜拉橋等結構形式。本文研究的工點位于北戴河站附近，對于景觀要求較高。槽型梁與系桿拱橋相比，外形美學效果略差。斜拉橋景觀效果略好，但是在相同跨度、相同梁高的情況下，剛度低于系桿拱橋，無法滿足高速鐵路的剛度要求。經過分析，選用系桿拱橋的結構形式較為合理。

系桿拱橋是由拱、系桿、吊桿和橋面系梁等協(xié)同工作的組合結構體系組成，以系桿承受拱腳的水平椎力為主要特征，是一種具有良好發(fā)展前景的大跨度橋梁結構形式。與其他的橋型比較，系桿拱橋具有跨越能力大、建筑高度小、美觀經濟等優(yōu)點，在已建高速鐵路、軌道交通、公路等方面均得到了廣泛應用。特別是當高架線路斜交跨越城市干道、高速公路等需要橋梁跨度較大、梁部結構建筑高度要求較小時，采用該橋型具有較大的優(yōu)勢。

本文根據(jù)津秦客運專線跨越戴河的實際需要，選用高度低于常規(guī)設計的系桿拱進行研究，對高速鐵路中跨度較大但是梁高較低的結構形式進行分析，對高速鐵路的結構進行有益的補充。

1 工程概況

1.1 工程概況

津秦客運專線為連接東北、華北的重要通道，聯(lián)通了京滬高速鐵路與秦沈客運專線，沿線經過天津、唐山、秦皇島等城市。設計主要標準為ZK活載，時速350 km的無砟軌道。

津秦客運專線在北戴河站在既有京秦鐵路車站基礎上進行改造，跨越戴河時既有線采用半穿式鋼桁梁，軌底至梁底僅有1.25 m，津秦客運專線防洪評價要求采用2孔56 m的結構跨越戴河，梁底受戴河設計水位的控制，為了保障新舊車站的站坪高度盡量一致，要求戴河橋橋梁結構高度不大于1.4 m。

1.2 橋式方案設計

根據(jù)綜合比選，采用簡支系桿拱橋，考慮防洪評價要求，確定采用2孔56 m系桿拱橋，如圖1所示。

圖1 結構示意圖(cm)

2 荷載標準

活載采用ZK活載；二期恒載按113 kN/m計算；單支座不均勻沉降按5 mm考慮；溫度效應考慮整體升降溫、日照溫差等作用。

3 方案研究

3.1 降低梁高所采取的措施

高速鐵路無砟軌道橋梁對橋梁的豎向剛度和徐變上拱度要求較高，根據(jù)以往橋梁的設計經驗，拱肋剛度EI1和系桿(梁)剛度EI2的相對剛度比EI1/EI2的合理的比值為1∶2[4]，若滿足該剛度要求，56 m簡支拱系梁高度應該在1.9 m左右，本次設計梁高不能大于1.4 m，拱梁相對剛度比值僅為1∶1.5，受梁高限制，系梁剛度明顯偏弱。需研究提高系桿剛度的有效措施，來滿足高速鐵路的各項技術要求。增加系梁剛度主要有加大拱肋截面尺寸、減小吊桿間距和減輕系梁自重等措施，本文從以上幾個方面入手，對橋梁結構的靜動力性能進行分析研究。

3.2 系梁截面的選擇

一般中小跨度拱橋系梁截面采用縱橫梁體系，縱梁厚度為1.4 m，縱向加勁肋厚度0.35 m，橫梁厚度0.3 m，橫梁縱向間距4.0 m，縱橫梁體系與箱梁截面各控制參數(shù)對比，如表1所示。

表1 縱橫梁體系與箱梁截面控制參數(shù)對比表

3.3 吊桿間距的選擇

為確定吊桿間距的影響，對吊桿間距為4.0 m和吊桿間距5.0 m計算結果進行對比，比較結果如表2所示。

表2 不同吊桿間距控制參數(shù)對比表

3.4 拱肋直徑的選擇

為確定拱肋直徑對計算結果的影響，對拱肋直徑1.0 m和拱肋直徑0.8 m進行對比，比較結果如表3所示。

表3 不同拱肋直徑控制參數(shù)對比表

3.5 方案研究的結論

不同拱管直徑和吊桿間距對橋梁的自振頻率影響不大，對豎向剛度和梁端轉角影響較大；系梁截面形式對其豎向剛度、自振頻率和轉角影響最明顯，箱梁比縱橫梁結構剛度大一倍，而增加拱管直徑可以有效提高梁拱組合結構的整體剛度，1 m管徑比0.8 m管徑減小梁端豎向轉角約20%，減小吊桿間距可以提高系梁的豎向剛度約10%。

根據(jù)方案研究比選結論，確定系梁采用箱形截面，拱管直徑采用1.0 m，吊桿間距采用4 m。

4 結構設計

4.1 結構尺寸擬定

梁部全長58 m，為降低系梁自重，采用單箱五室預應力混凝土箱形截面，梁高1.4 m。系梁斷面圖，如圖2所示。

圖2 系梁斷面示意圖(mm)

吊桿采用平行布置，為了增加梁部剛度，盡量減小吊桿間距，間距采用4 m,全橋共設11對吊桿。

拱肋橫斷面采用啞鈴型鋼管混凝土變截面，拱頂截面高度h=2.2 m，拱腳截面高度h=2.8 m，鋼管直徑為1 m，由厚14 mm的鋼板卷制而成，每根拱肋的兩鋼管之間用δ=14 mm的腹板連接，如圖3所示。

圖3 拱肋截面示意圖(mm)

橋面寬度：防護墻內側凈寬8.8 m，橋面板寬16 m。

4.2 結構分析

4.2.1計算模型

整體模型采用空間有限元程序MIDAS CIVIL計算。主橋分別采用梁單元和板單元進行分析，梁單元模型主要用于主橋強度分析、系梁配束計算等，板單元模型主要用于主橋剛度、動力特性、考慮剪力滯效應有效寬度計算及拱肋穩(wěn)定分析[7]。

采用梁單元建模時，對于系梁、拱肋及橫撐的各桿件采用三維梁單元進行模擬，其截面特性按照實際設計截面定義。拱軸線為二次拋物線，拱肋采用啞鈴形截面，鋼管和腹桿內均填充混凝土，為變截面，拱高從拱頂2.2 m逐漸過渡到拱腳2.5 m，采用“雙單元、共節(jié)點”的方法模擬鋼管混凝土拱肋。吊索采用桁架單元模擬，僅考慮其軸向的拉伸剛度,梁單元整體模型，如圖4所示,考慮了有效分布寬度。

圖4 梁單元模型

采用板單元建模時,系梁采用板單元，以截面頂板、底板和腹板中心線為軸線建立板單元，并分別賦予其相應的板厚，拱肋、橫撐和吊桿等構件模擬方法和梁單元模型相同。板單元整體模型，如圖5所示。

圖5 板單元模型

4.2.2變形及剛度分析

(1)主梁豎向撓度：列車豎向靜活載+0.5倍溫度作用下梁體豎向撓度13.04 mm，0.63倍列車豎向靜活載作用+全部溫度作用下梁體豎向撓度10.05 mm，均小于 56 000/1 900=29.4 mm。

(2)梁端豎向折角控制：在ZK活載靜力作用下，梁端豎向折角最大值0.58 ‰rad，滿足文獻[2]第7.3.7條，梁部結構在ZK活載靜力作用下，梁端豎向折角不應大于1‰的要求。

(3)系梁豎向殘余徐變變形為6.61 mm，滿足文獻[2]第7.3.2條，豎向殘余徐變變形不大于L/5 000，即11.2 mm。

4.2.3系梁強度分析

強度分析如圖6、圖7所示。

圖6 主力作用下強度安全系數(shù)

圖7 主加附作用下強度安全系數(shù)

4.2.4拱肋強度分析

拱肋鋼管混凝土截面抗壓強度結果，如表4所示。

表4 拱肋鋼管混凝土截面抗壓強度(kN)

在主力組合下N01/γ0NS最小值為3.2，在主力+附加力組合下N01/γ0NS最小值為2.5，均滿足文獻[3]第5.2.4條γ0NS≤N01的要求。

4.2.5吊桿驗算

吊桿的內力計算直接考慮施工二期后，拆除臨時墩由于結構自重形成的吊桿內力，并與成橋階段荷載引起的內力進行組合，保證吊桿的安全系數(shù)n≥2.5。吊桿最大應力幅為109.3 MPa，滿足規(guī)范要求。按不中斷行車更換一對吊桿工況檢算，更換受力最大的D8吊桿時，本橋吊桿最小安全系數(shù)為2.59，滿足要求。

4.2.6動力特性及列車走行性分析

動力仿真結論及建議：戴河橋設計方案具有良好的動力特性及列車走行性，當國產高速、法國TGV、德國ICE、日本500系以不超過420 km/h速度通過橋梁時，橋梁動力響應及各車的車體豎、橫向振動加速度滿足限值要求，列車行車安全性滿足要求；當車速不超過該橋設計速度350 km/h時，列車的乘坐舒適度均達到“良好”以上，當速度不超過420 km/h時，列車的乘坐舒適度達到“合格”標準。

5 關鍵技術研究

5.1 箱梁截面矮梁高、小吊桿間距密等橫梁施工難題

為了降低梁高及減少梁重，梁部截面采用高度僅1.4 m高箱梁，箱內高度僅0.7 m，且吊桿間距較小，4 m長度就有一道橫梁，使得梁內空間縱向也無法貫通。箱梁內模的選擇成為一個制約條件，一般箱內空間較小時可采用橡膠氣囊、木模拼裝、傘式抽芯內?；蛘咂囱b式鋼模板作為內模。本文研究的箱梁縱橫向均沒有拆除模板的通道，模板拆除的話僅能考慮從板頂留進人洞進行模板拆除。

由于采用橡膠氣囊模板不能保障結構定位準確，不宜采用。傘式抽芯內模從側面拆除較為簡單，針對本文在頂部開孔較小，而平面尺寸相對較大，研發(fā)較困難。拼裝式鋼模板基本無法拆除，若留在梁內則成本太高。

本橋根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用木模板拼裝較為簡單，采用較小的組裝單元，在箱梁板頂留有適當工作空間便于拆除內模。

5.2 梁端預應力張拉空間受限問題

本文研究的橋梁采用2孔56 m簡支系桿拱橋，梁縫僅20 cm，無法滿足張拉空間，若采用較大的后澆段則對拱腳位置受力有不利影響。為保障結構受力更合理，在中間墩位置靠近梁端的鋼絞線均采用固定錨具，在另外一側進行單端張拉。橋臺頂部影響梁部張拉的部分考慮在梁部張拉完成后進行澆筑。

5.3 無砟軌道相鄰梁端橫向變形控制

TB 10621-2014《高速鐵路設計規(guī)范》規(guī)定“無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側的鋼軌支點橫向相對位移不應大于1 mm?！卑凑粘Ｒ?guī)設計支座布置為一側固定支座，另一側為橫向活動支座。在整體升溫25 ℃作用下，活動支座一側軌道的橫向位移為2.1 mm，不滿足規(guī)范的要求。為了滿足規(guī)范需要，在梁部中間設置橫向限位裝置，限制梁部的橫向位移，兩側均設置橫向活動支座，如圖8所示。在這種支座布置下，支座的橫向位移為0.6 mm，滿足規(guī)范需要。

圖8 支座布置示意圖

6 結論

系桿拱結構將部分恒載及活載通過吊桿傳至拱肋，由拱肋直接傳到主梁根部，因而與同跨度簡支梁及連續(xù)梁橋相比，有效的降低了主梁高度。當線路跨越道路和通航河流，橋下凈高受到限制，系桿拱是一種較為合適的橋跨結構。經過上述分析研究，系桿拱橋進一步壓低結構高度后，靜力計算及動力仿真分析顯示各方面均可以滿足高速鐵路運營要求；實際運營沒有出現(xiàn)不良表現(xiàn)，可以拓寬高速鐵路結構適用范圍，適應跨度大結構高度小的實際需要，為鐵路橋梁結構應用進行有益的補充。