王法武

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

鐵路工程經(jīng)常采用的低高度橋梁結構形式主要有系桿拱、鋼桁梁、槽形梁等。其中，系桿拱橋具有建筑高度低、結構剛度大、輕巧美觀等特點。當采用槽形梁作為系梁時，其建筑高度可進一步減?。?-8］。本文以寧啟復線電氣化改造工程跨滬通鐵路64 m 簡支槽形梁系桿拱組合橋為背景，介紹系梁、拱肋、拱腳、橫撐、吊桿等結構設計，采用有限元軟件對橋梁進行結構整體計算、道床板橫向計算、拱腳局部應力分析。

1 工程概況

寧啟線復線電氣化改造工程寧啟右線自南通平東站引出后上跨滬通鐵路，兩者夾角62°，寧啟右線平面曲線半徑為1 600 m。由于受到線路平面和縱斷面的限制，橋梁設計方案須解決斜交、高程受限的難題。因此，本工程采用64 m 簡支槽形梁系桿拱組合橋，其總體布置見圖1。

圖1 槽形梁拱總體布置（單位：cm）

2 結構體系

簡支槽形梁系桿拱橋是由槽形梁與系桿拱形成的組合結構（見圖2），由系梁、道床板、拱肋、吊桿、橫撐等組成。槽形梁與拱肋和橫撐構成部分封閉截面。槽形梁的建筑高度主要取決于道床板的厚度。道床板厚度與梁的橫向跨度有關，與縱向跨度無關。

圖2 簡支槽形梁拱組合橋結構體系示意

槽形梁拱組合橋在承受列車荷載時，荷載直接作用在道床板上，然后通過道床板→系梁→吊桿→拱肋→拱座→支座的路徑進行傳遞。列車荷載由拱、梁共同承擔，其分擔的比例與拱、梁相對剛度有關。本橋為剛性系梁剛性拱。

3 結構設計

3.1 系梁設計

系梁為槽形梁，其截面形式主要有I 形、Γ 形、箱形。I 形截面抗扭剛度小，跨度不大時適宜采用這種形式。Γ 形根據(jù)腹板的布置可分為直墻式和斜墻式［9］。箱形截面抗扭性能好，適合于雙線鐵路。Γ 形與I 形相比是把主梁上翼緣的大部分移到外側，這樣兩主梁間有更多的空間，也便于將附屬設施放置在上翼緣板上。

該工程為單線鐵路，系梁采用直墻式Γ形槽形梁。人行道布置在槽外，以減小系梁橫向?qū)挾取?/p>

該橋位于平面曲線半徑1 600 m 的圓曲線上，系梁采用以直代曲的設計，槽形梁橫向凈寬由拱腳位置控制。為減小系梁橫向?qū)挾龋瑢⑾盗喊聪揖€布置，在梁端處線路中心和系梁中心重合。系梁全長65.5 m，計算跨度64 m。系梁橫斷面見圖3。系梁僅在縱向設預應力，橫向和豎向不設預應力。

圖3 系梁橫斷面（單位：cm）

3.2 拱肋截面

鐵路系桿拱橋的拱肋通常采用鋼管混凝土拱或鋼箱拱?？紤]施工的便利性和經(jīng)濟性，該工程拱肋采用單圓管鋼管混凝土拱肋。

拱肋截面尺寸決定了拱肋與系梁的剛度比。研究表明，兩者剛度比的變化對拱肋及系梁的軸力影響較小。隨著剛度比增大拱肋所承受的彎矩隨之增大，系梁承受的跨中彎矩隨之減小。拱肋和系梁的豎向位移隨著剛度比的增大而減小。因此，可根據(jù)系梁的豎向變形容許值和自身的極限承載力選取合適的剛度比，從而確定拱肋的剛度及截面尺寸。

該工程拱肋采用單肢鋼管混凝土截面，鋼管直徑為1 000 mm，壁厚為16 mm。鋼管內(nèi)灌注C50 無收縮混凝土。

3.3 拱軸線

選擇拱軸線形式的基本原則是使拱軸線與荷載壓力線吻合，盡量減小荷載彎矩。一般采用恒載的壓力線作為拱軸線。拱軸線的選擇應滿足2個方面的要求：①盡量減小拱肋截面的彎矩，使主拱肋在荷載作用下主要截面的應力相差不大；②計算方法簡便，易于施工制造。

系桿拱橋的橋面荷載通過吊桿傳遞給拱肋，豎向荷載沿拱肋分布比較均勻，拱軸線宜選用拋物線或拱軸系數(shù)較小的懸鏈線，其活載位移相差較小。采用二次拋物線時拱腳截面彎距較小，因此拱軸線采用二次拋物線。

3.4 拱腳構造

拱腳順橋向6.2 m 范圍內(nèi)為實體段，橫橋向?qū)挾葹?.5 m，拱腳混凝土一次澆筑成形。為保證鋼管混凝土拱肋與拱腳連接可靠，形成一個整體，采用以下措施：①拱肋鋼管埋入拱座2.5 m，鋼管外壁設剪力栓釘；②拱腳下設承壓鋼板，拱肋與承壓鋼板焊接，承壓鋼板下再設4 層鋼筋網(wǎng)，避免拱肋巨大的軸壓力引起應力集中。

3.5 橫撐布置

橫撐將2 片拱肋連成整體，對拱肋整體穩(wěn)定有較大的影響。橫撐常用形式有一字撐和K 撐。與一字撐相比，K 撐能顯著提高整體穩(wěn)定性。本文設計2 種橫撐布置形式：①2道K撐+1道一字撐；②3道一字撐。不同橫撐布置形式的整體穩(wěn)定系數(shù)見表1?？芍?，采用K 撐后，整體穩(wěn)定系數(shù)提高19%，因此本工程采用2道K撐+1道一字撐。

表1 不同橫撐布置形式的整體穩(wěn)定系數(shù)

3.6 吊桿

吊桿通常有單吊桿和雙吊桿2種形式。單吊桿構造簡單，施工方便，但單根吊桿受力較大；雙吊桿構造復雜，單根吊桿受力減小，便于運營階段吊桿更換。

本橋為單線鐵路，吊桿受力較雙線鐵路小，因此采用單吊桿。吊桿縱向間距6.0 m，采用較小的吊桿間距可以減小系梁彎矩和剪力。吊桿采用61根φ7高強平行鋼絲束，冷鑄鐓頭錨。吊桿上端錨固在拱肋外部，方便吊桿錨頭的檢查、養(yǎng)護與吊桿更換。

4 施工方法

大跨度槽形梁一般采用支架現(xiàn)澆施工［10］。本橋上跨待建滬通鐵路，滬通鐵路將在該工程建成后再施工?，F(xiàn)場為農(nóng)田，沒有特殊地形、地貌及控制因素，因此本橋系梁具備搭設支架現(xiàn)澆施工的條件。采用先梁后拱的方法施工，主要施工步驟如下：

1）對地面進行硬化處理，搭設支架，安裝拱腳段預埋鋼拱肋及其定位鋼構件；現(xiàn)澆系梁及拱腳混凝土。張拉第1批縱向預應力索。

2）在橋面搭設臨時支架；安裝鋼管拱肋和橫撐，自拱腳至拱頂調(diào)整拱肋線形及標高，焊接各拱肋及橫撐；灌注鋼管內(nèi)混凝土。

3）拆除橋面臨時支架，安裝吊桿，吊桿進行初張拉，張拉系梁剩余預應力束。

4）施工橋面鋪裝，調(diào)整吊桿力至設計值。

5 結構整體計算

結構整體計算采用西南交通大學研發(fā)的BSAS 軟件，拱肋、系梁采用梁單元，吊桿采用桁架單元。根據(jù)BSAS 軟件的計算約定，正應力以正值表示壓應力，負值表示拉應力。

5.1 靜活載撓度和梁端轉角

在靜活載作用下系梁最大撓度為-17.0 mm，撓跨比為1/3760；梁端轉角為1.16‰。撓跨比和梁端轉角均小于規(guī)范限值，結構具有較大的剛度。

5.2 運營階段系梁應力及安全系數(shù)

系梁按全預應力設計，運營階段系梁應力及安全系數(shù)分別見表2和表3。

表2 運營階段系梁應力 MPa

表3 運營階段系梁安全系數(shù)

由表2和表3可知：

1）主力組合。系梁上下緣最大正應力均小于規(guī)范限值16.80 MPa，最小正應力均為正值，未出現(xiàn)拉應力，滿足規(guī)范要求［11］。截面梗脅處最大主壓應力8.40 MPa（小于20.10 MPa），最大主拉應力-0.41 MPa（小于3.10 MPa），抗裂性滿足規(guī)范要求。強度安全系數(shù) 4.32＞2.00，抗裂安全系數(shù) 2.25＞1.20，滿足規(guī)范要求。

2）主力+附力組合。系梁上下緣最大正應力均小于規(guī)范限值18.43 MPa，最小正應力均為正值，未出現(xiàn)拉應力，滿足規(guī)范要求。最大主壓應力8.92 MPa（小于22.1 MPa），最大主拉應力-0.60 MPa（小于3.30 MPa），抗裂性滿足規(guī)范要求。強度安全系數(shù)4.28＞1.80，抗裂安全系數(shù)1.77＞1.20，滿足規(guī)范要求。

5.3 運營階段拱肋應力

運營階段拱肋鋼管和混凝土應力分別見表4和表5。

由表4和表5可知：

表4 運營階段拱肋鋼管應力 MPa

表5 運營階段拱肋混凝土應力 MPa

1）主力組合。拱肋鋼管最大壓應力131 MPa，最小壓應力16 MPa，滿足規(guī)范要求；拱肋混凝土最大壓應力5.02 MPa，最大拉應力-0.77 MPa，滿足規(guī)范要求。

2）主+附組合。拱肋鋼管最大壓應力136 MPa，最小壓應力10 MPa，滿足規(guī)范要求；拱肋混凝土最大壓應力5.87 MPa，最大拉應力-1.41 MPa，滿足規(guī)范要求。

6 道床板橫向計算

根據(jù)槽形梁的受力特點，道床板直接承受活載，道床板在橫向為單向板受力［12］。道床板橫向計算模型為簡支結構，支點位置為吊桿位置。采用MIDAS/Civil軟件建立道床板橫向計算模型，縱向取1 m長，單元劃分見圖4。

圖4 道床板單元劃分示意

道床板橫向按普通鋼筋混凝土結構設計，跨中最大彎矩為386 kN·m，采用直徑25mm 兩根一束的受力鋼筋，間距為12.5 cm。道床板鋼筋最大拉應力128 MPa（小于210 MPa），裂縫寬度0.09 mm（小于0.20 mm），混凝土壓應力10.1 MPa（小于16.8 MPa），均滿足規(guī)范要求。

7 拱腳局部應力分析

拱腳為鋼管混凝土拱肋和預應力混凝土系梁的結合部位，局部結構構造復雜，一般桿系結構的整體有限元模型無法給出拱腳內(nèi)部的應力分布規(guī)律。因此，有必要對拱腳節(jié)點采用三維塊體模型進行空間受力分析［13-16］。

7.1 計算方法

采用有限元軟件ANSYS 建立全橋結構的有限元模型進行分析。根據(jù)MIDAS/Civil 模型求得的各截面內(nèi)力影響線計算出最不利的加載情況，并在ANSYS模型中施加相應荷載，這樣可以反映局部受力情況。建模時混凝土材料采用solid45，鋼管混凝土拱肋采用beam188，縱向預應力鋼筋采用link8。預應力采用降溫方法來實現(xiàn)。

7.2 計算工況

ANSYS 計算模型按照MIDAS/Civil 全橋模型影響線進行加載，活載采用TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規(guī)范》中的普通鐵路活載形式。計算工況分別為：工況1，跨中最大正彎矩；工況2，四分點最大正彎矩；工況3，拱腳最大正彎矩；工況4，拱肋頂部最大軸力。

7.3 計算結果

對比分析計算結果可知，工況4 為最不利工況。因此，僅列出工況4 梁端局部和拱腳局部的ANSYS 應力云圖。根據(jù)ANSYS軟件的計算約定，應力云圖中的正值表示拉應力，負值表示壓應力。工況4 應力云圖見圖5。

圖5 工況4應力云圖（單位：Pa）

由圖5（a）可知，該橋在恒載和活載作用下，順橋向全截面基本受壓，最大壓應力為-7.0 MPa，僅拱腳弧面處出現(xiàn)了約0.6 MPa 的拉應力。由圖5（b）可知，梁端道床板產(chǎn)生橫向彎曲，道床板上部受壓、下部受拉，最大壓應力為-4.0 MPa，最大拉應力約為4.0 MPa。由圖5（c）可知，拱腳第1主應力最大值約為2.41 MPa，出現(xiàn)在拱腳圓弧過渡與主梁交接處。

8 結論

1）簡支槽形梁系桿拱橋能顯著降低結構高度，大幅縮短橋長，經(jīng)濟性明顯，為跨度大、凈空受限的工點提供了一種新的解決方案。

2）簡支槽形梁系桿拱橋具有較大的豎向和橫向剛度，工后徐變值較小。

3）根據(jù)具體工點的實際情況，可采用少支架、轉體或頂推等施工方法，進一步擴大槽形梁系桿拱的適用范圍。