吳孟暢， 文望青， 許三平

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 中鐵建大橋設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430063；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 中國(guó)鐵建股份有限公司橋梁工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430063）

1 概述

京滬高鐵全長(zhǎng)1 318 km，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，全線(xiàn)采用CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道，橋梁長(zhǎng)度占比超過(guò)80%，是全世界一次建成里程最長(zhǎng)的高速鐵路。京滬高鐵的建設(shè)支撐了我國(guó)大規(guī)模高速鐵路快速發(fā)展，提升了鐵路現(xiàn)代化水平，為推動(dòng)我國(guó)科技進(jìn)步作出重大貢獻(xiàn)，取得了舉世矚目的成就［1-2］。

20 世紀(jì)90 年代初，尚處于可行性研究階段的京滬高鐵就創(chuàng)新性地提出簡(jiǎn)支系桿拱這一新型橋型，并開(kāi)展了系統(tǒng)研究。鋼管混凝土系桿拱橋是利用梁的受彎拉和拱的受壓特點(diǎn)組成的組合結(jié)構(gòu)［3-6］。其中，鋼管混凝土拱肋作為主要受力構(gòu)件，承載能力大、施工方便，拱腳較大的水平推力通過(guò)預(yù)應(yīng)力混凝土系梁平衡；混凝土系梁除承擔(dān)水平推力外，還作為橋面系承擔(dān)橋面荷載；吊桿連接系梁和拱肋，起到傳遞荷載的作用。該橋型具有結(jié)構(gòu)剛度大、跨越能力強(qiáng)、建筑高度低、景觀效果好等優(yōu)良特點(diǎn)，并成功應(yīng)用于宣杭復(fù)線(xiàn)鐵路東苕溪特大橋［7］。在此基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)支系桿拱橋被推廣運(yùn)用于京滬、武廣、滬杭、寧杭等多條高速鐵路橋梁建設(shè)中。

京滬高鐵徐滬段途經(jīng)黃河、淮河、長(zhǎng)江三大流域、長(zhǎng)三角城市群，沿線(xiàn)水系、路網(wǎng)發(fā)達(dá)。結(jié)合橋梁功能和景觀需求等因素，京滬高鐵徐滬段共設(shè)置21 處簡(jiǎn)支系桿拱橋，跨度分為96 m、112 m 和128 m，并采用了“先梁后拱”［8］和“先拱后梁”［9-10］2 種施工方法，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

京滬高鐵徐滬段簡(jiǎn)支系桿拱設(shè)計(jì)活載為雙線(xiàn)ZK，整體外部為靜定結(jié)構(gòu)、內(nèi)部為高次超靜定結(jié)構(gòu)，采用交叉斜吊桿體系（即尼爾森體系）平行拱或提籃拱。該線(xiàn)路3種跨度的簡(jiǎn)支系桿拱主要結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1。

表1 京滬高鐵簡(jiǎn)支系桿拱主要結(jié)構(gòu)尺寸

以112 m跨度簡(jiǎn)支系桿拱為例，對(duì)其具體結(jié)構(gòu)構(gòu)造進(jìn)行介紹，該跨度簡(jiǎn)支系桿拱橋立面布置示意見(jiàn)圖1。

圖1 京滬高鐵112 m跨度簡(jiǎn)支系桿拱橋立面布置示意圖

2.1 系梁

系梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁寬17.8 m、梁高2.5 m、底板厚30 cm，頂板厚30 cm、邊腹板厚35 cm、中腹板厚30 cm。底板在3.0 m 范圍上抬0.5 m，以減小風(fēng)阻力。吊點(diǎn)處設(shè)橫梁，橫梁厚0.4～0.6 m。系梁縱向設(shè)70束12-7φ5 mm預(yù)應(yīng)力筋；橫向底板設(shè)3-7φ5 mm、4-7φ5 mm橫向預(yù)應(yīng)力筋，橫隔板設(shè)4 束9-7φ5 mm預(yù)應(yīng)力筋。系梁結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

圖2 系梁結(jié)構(gòu)示意圖

在系梁兩端底板設(shè)進(jìn)人孔，各箱室均設(shè)檢查孔，便于在箱內(nèi)對(duì)吊桿等進(jìn)行檢查與換索；底板設(shè)截水槽、泄水孔；邊腹板與中腹板上設(shè)通氣孔。

2.2 拱肋

拱肋采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高度h=3.0 m，沿程等高布置，鋼管直徑1 200 mm，由厚18 mm 的鋼板卷制而成，每根拱肋2個(gè)鋼管間用δ=16 mm的腹板連接。每隔一段距離，在圓形鋼管內(nèi)設(shè)加勁環(huán)、在2個(gè)腹板間焊接拉筋。拱肋結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖3。

圖3 拱肋結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 吊桿

吊桿布置為尼爾森體系，在吊桿平面內(nèi)，吊桿水平夾角52.10°～68.67°；橫橋向水平夾角81°。吊桿間距8 m，2 個(gè)交叉吊桿間橫向中心距341 mm。吊桿均采用127 根φ7 mm 高強(qiáng)低松弛鍍鋅平行鋼絲束，冷鑄鐓頭錨，索體采用PES（FD）低應(yīng)力防腐索體，并外包不銹鋼防護(hù)。

2.4 拱腳

拱腳順橋向8.0 m 范圍設(shè)成實(shí)體段，橫橋向?qū)挾扔?7.8 m增至18.8 m，截面漸變處設(shè)倒角或過(guò)渡段。實(shí)體段內(nèi)設(shè)9-7φ5 mm橫向預(yù)應(yīng)力筋，分上下2排布置，分批張拉完成。拱腳混凝土分2 次現(xiàn)澆，現(xiàn)澆第1 次混凝土前，應(yīng)將拱肋鋼管、加勁鋼材等安放到位；二期恒載施工完成后，澆筑第2次混凝土。

2.5 橫撐

2 個(gè)拱肋間共設(shè)5 道橫撐，拱頂處設(shè)X 型撐，拱頂至2個(gè)拱腳間設(shè)4道K型橫撐。橫撐由直徑600、500和360 mm 圓形鋼管組成，鋼管內(nèi)部不填混凝土，其外表面需作防腐處理。

3 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)選取

3.1 吊桿布置形式

按照吊桿布置形式，簡(jiǎn)支系桿拱橋分為豎直吊桿體系和尼爾森體系。豎直吊桿體系每榀拱肋的所有吊桿均布置于同一平面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔美觀；尼爾森體系因吊桿交叉，每榀拱肋的吊桿在橫橋向需排為2列，視覺(jué)上稍顯凌亂。

通過(guò)建立全橋模型計(jì)算分析可知：

（1）在橋面均布荷載作用下，2個(gè)體系拱肋和系桿的軸力無(wú)明顯變化，但拱肋彎矩差異較大。尼爾森體系拱肋最大彎矩約為豎直吊桿體系的32%，有利于拱肋設(shè)計(jì)。

（2）撓度影響線(xiàn)分析表明，尼爾森體系由于斜吊桿的存在，減小了結(jié)構(gòu)的剪切變形，其豎向撓度沿縱橋向變化率均小于豎直吊桿體系。因此，僅通過(guò)吊桿布置形式即可提高橋梁的豎向剛度。

3.2 拱肋傾角

簡(jiǎn)支系桿拱橋按拱肋側(cè)向傾角可分為平行拱和提籃拱。平行拱是最基本的形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工簡(jiǎn)便。但寬跨比隨跨度增大而減小，平行式梁拱組合體系的側(cè)傾問(wèn)題越來(lái)越突出。為提高梁拱組合體系的側(cè)傾穩(wěn)定性，將拱肋內(nèi)傾，形成內(nèi)傾式梁拱組合體系（即提籃拱）。相對(duì)于平行拱，提籃拱具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）橫向穩(wěn)定性好，能有效解決面外穩(wěn)定問(wèn)題；

（2）空間拱式結(jié)構(gòu)，景觀效果好。

3.3 矢跨比

矢跨比（f/L）又稱(chēng)矢度，用于表征拱的坦陡程度，其對(duì)拱橋內(nèi)力、施工方法、景觀效果均有很大影響。矢跨比越小，拱的水平推力越大，需要的系梁（桿）預(yù)應(yīng)力越大；矢跨比越大，吊桿長(zhǎng)度及拱肋弧長(zhǎng)越大，同樣會(huì)增加工程量，加大高空拱肋的施工難度。因此，選擇合理的矢跨比對(duì)于簡(jiǎn)支系桿拱橋非常重要。

一般情況下，矢跨比<1/5 為坦拱橋，矢跨比≥1/5為陡拱橋。以112 m 跨度簡(jiǎn)支系桿拱為例，對(duì)3 種不同的矢跨比方案進(jìn)行對(duì)比，其相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同矢跨比簡(jiǎn)支系桿拱橋相關(guān)參數(shù)對(duì)比

當(dāng)矢跨比取1/6 時(shí)，矢高18.7 m，拱肋高度低，拱腳水平推力較大，需要強(qiáng)大的系梁（桿）預(yù)應(yīng)力，在無(wú)推力簡(jiǎn)支系桿拱橋中很少采用。矢跨比由1/4 減小至1/5 時(shí)，系梁軸力增大20%，預(yù)應(yīng)力增加20%，單側(cè)拱肋吊桿總長(zhǎng)減小約20%，拱肋弧長(zhǎng)縮短約8 m；相對(duì)于矢跨比取1/4，矢跨比取1/5 更節(jié)省材料。從美學(xué)角度考慮，矢跨比取1/5時(shí)曲線(xiàn)更流暢（見(jiàn)圖4）。因此，我國(guó)鐵路簡(jiǎn)支系桿拱橋矢跨比一般取1/5。

圖4 不同矢跨比立面對(duì)比

3.4 拱軸線(xiàn)線(xiàn)形

對(duì)簡(jiǎn)支系桿拱，為充分發(fā)揮材料性能，拱軸線(xiàn)應(yīng)盡可能接近壓力線(xiàn)。將拱上恒載視為均勻分布，理論上合理拱軸線(xiàn)為懸鏈線(xiàn)。因此，簡(jiǎn)支系桿拱橋拱軸線(xiàn)大多采用懸鏈線(xiàn)。

為接近合理拱軸線(xiàn)，選擇合適的懸鏈線(xiàn)系數(shù)m非常關(guān)鍵。目前，已建簡(jiǎn)支系桿拱橋m主要為1.0～1.7。以112 m 跨度簡(jiǎn)支系桿拱為例，對(duì)3 種不同懸鏈線(xiàn)系數(shù)方案進(jìn)行對(duì)比，其相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。

由表3可知，懸鏈線(xiàn)系數(shù)對(duì)拱肋軸力影響不大，主要影響拱肋彎矩。當(dāng)m=1.561時(shí)，拱肋彎矩起伏較大，分布最不均勻。m=1.167和m=1.347時(shí)，計(jì)算結(jié)果總體較接近；局部而言，當(dāng)m=1.347時(shí)，拱腳、距拱腳1/8、距拱腳3/8處等關(guān)鍵截面彎矩均小于m=1.167，拱頂彎矩相當(dāng)。

表3 不同懸鏈線(xiàn)系數(shù)簡(jiǎn)支系桿拱橋相關(guān)參數(shù)對(duì)比

因此，鐵路大跨度簡(jiǎn)支系桿拱橋拱軸線(xiàn)建議采用懸鏈線(xiàn)，懸鏈線(xiàn)系數(shù)m取1.347為宜。

4 施工方法

根據(jù)拱肋與系梁施工的先后順序，簡(jiǎn)支系桿拱的2 種施工方法可分為“先梁后拱”和“先拱后梁”（見(jiàn)圖5）。

圖5 拱肋支架施工方法

4.1 “先梁后拱”

“先梁后拱”具有工藝成熟、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于系桿拱施工。系梁在原位支架現(xiàn)澆，張拉第一階段預(yù)應(yīng)力，再利用系梁為平臺(tái)進(jìn)行拱肋施工。梁上拱肋施工分為支架拼裝、臥拼加豎轉(zhuǎn)和整體提升。如漢十鐵路云安特大橋跨越311 國(guó)道140 m 系桿拱橋、京滬高鐵跨越曹安公路96 m 系桿拱橋等，均采用“先梁后拱”的施工方法。

4.2 “先拱后梁”

采用“先拱后梁”一般是因?yàn)槭┕て陂g航道交通不能阻斷，橋下無(wú)法搭設(shè)支架進(jìn)行現(xiàn)澆施工時(shí)選用。具體施工步驟為：首先現(xiàn)澆拱座及系梁實(shí)體段混凝土，將拱座與橋墩臨時(shí)固結(jié)，然后拱肋采用纜索吊裝施工或大型浮吊整體吊裝施工，在2個(gè)拱腳間張拉系桿索承受系梁施工期間拱腳水平力，再利用吊桿懸澆施工系梁。如東苕溪特大橋112 m系桿拱、商合杭鐵路西苕溪左線(xiàn)特大橋96 m系桿拱等，均采用“先拱后梁”的施工方法。

4.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

對(duì)于“先拱后梁”，其拱肋吊裝相對(duì)復(fù)雜，系梁施工時(shí)沒(méi)有滿(mǎn)堂支架支撐，且施工中存在體系轉(zhuǎn)換過(guò)程，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，拱肋安裝質(zhì)量和系梁線(xiàn)型控制難以保證。當(dāng)具備施工條件時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇“先梁后拱”的施工方法。

5 技術(shù)發(fā)展

5.1 相關(guān)規(guī)范發(fā)布

隨著TB/T 3193—2016《鐵路工程預(yù)應(yīng)力筋用夾片式錨具、夾具和連接器》［11］、TB 10127—2020《鐵路橋梁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［12］、QCR 749.1—2020《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)及構(gòu)件保護(hù)涂裝與涂料》［13］等規(guī)范相繼發(fā)布，以鋼管混凝土拱橋等組合結(jié)構(gòu)的技術(shù)體系日趨完善。

5.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.2.1 梁端開(kāi)槽

高速鐵路對(duì)軌道縱斷面線(xiàn)形要求高，根據(jù)無(wú)砟軌道橋梁的相關(guān)規(guī)范，當(dāng)梁端懸出長(zhǎng)度≤0.75 m，靜活載引起的梁端豎向轉(zhuǎn)角≤1‰；當(dāng)梁端懸出長(zhǎng)度＞0.75 m，梁端豎向轉(zhuǎn)角引起的位移≤1 mm［14-16］，必要時(shí)需對(duì)軌道應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。一般情況下，簡(jiǎn)支系桿拱梁端懸出長(zhǎng)度≥1.6 m。為了適應(yīng)無(wú)砟軌道行車(chē)要求，一般通過(guò)設(shè)置調(diào)節(jié)板解決橋面變形問(wèn)題。如在武廣高鐵，在橋梁梁端設(shè)置軌道過(guò)渡板，過(guò)渡板沿線(xiàn)路縱向可自由伸縮，不可橫向移動(dòng)，過(guò)渡板支座中心線(xiàn)與梁部支座中心對(duì)應(yīng)設(shè)置，從而保證梁端轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)過(guò)渡板位移量最小，提高了無(wú)砟軌道行車(chē)平順性。

根據(jù)高速鐵路運(yùn)營(yíng)實(shí)踐可知，設(shè)置過(guò)渡板方案支座易出現(xiàn)病害，需重新更換支座，由于更換須在“天窗”時(shí)間進(jìn)行，施工時(shí)間和空間十分有限，更換較困難。近年來(lái)，在商合杭、鄭萬(wàn)等高速鐵路項(xiàng)目施工中，為控制靜活載作用下梁端豎向變形，改善鋼軌受力，在簡(jiǎn)支系桿拱兩端行車(chē)道范圍內(nèi)的系梁上，各設(shè)置1個(gè)深0.5 m、寬13 m的槽口，將相鄰簡(jiǎn)支梁（梁寬12.6 m）嵌入其中，既滿(mǎn)足拱座構(gòu)造所需尺寸，又減小梁端懸出長(zhǎng)度，使靜活載引起的梁端豎向位移滿(mǎn)足≤1 mm 要求，很好地解決了梁端轉(zhuǎn)角導(dǎo)致的軌道不平順問(wèn)題。

5.2.2 拱肋傾角調(diào)整

合理的拱肋傾角能給系桿拱橋帶來(lái)安全性、經(jīng)濟(jì)性和美觀性。拱肋內(nèi)傾可提高拱橋穩(wěn)定性及車(chē)橋動(dòng)力特性，但隨著內(nèi)傾角增加，不僅壓縮了列車(chē)運(yùn)行空間，系梁寬度增大還導(dǎo)致下部工程數(shù)量相應(yīng)增加，且拱肋傾斜導(dǎo)致施工定位復(fù)雜、運(yùn)梁通過(guò)困難，冬天可能發(fā)生冰棱自吊桿處掉落。因此，應(yīng)結(jié)合具體工程綜合比選確定合適的拱肋傾角。近年來(lái)，平行拱取代提籃拱逐漸成為趨勢(shì)。提籃拱和平行拱的拱肋結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖6。

圖6 拱肋結(jié)構(gòu)示意圖

5.2.3 橫撐形式優(yōu)化

橫撐形式與拱肋傾角密切相關(guān)，隨著提籃拱被平行拱取代，橫向穩(wěn)定性有所下降。橫撐形式也應(yīng)由K 型橫撐變?yōu)? 根鋼管組成的一字撐。以112 m 跨度簡(jiǎn)支系桿拱為例，將橫撐由K 型橫撐改為一字撐后，雖然總用鋼量由63.15 t 增加至94.50 t，用鋼量增加49.6%，但經(jīng)驗(yàn)公式下的橫向彈性穩(wěn)定系數(shù)由5.12 提高至6.37。

5.2.4 梁端進(jìn)人孔優(yōu)化

將進(jìn)人孔設(shè)置于梁底時(shí)，有一段梁底步道掛于梁底下方，不僅影響橋下凈空，且對(duì)系梁截面存在削弱效應(yīng)。在最新設(shè)計(jì)中，將進(jìn)人孔設(shè)置于梁端實(shí)體段中心處，可與兩側(cè)簡(jiǎn)支梁形成貫通的箱內(nèi)檢查通道（見(jiàn)圖7）。局部分析表明，剔除端部預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)的失真結(jié)果，在進(jìn)人孔靠近端部?jī)?nèi)壁處，有部分拉應(yīng)力超過(guò)限值部分，雖然有約4 MPa拉應(yīng)力，但不會(huì)破壞截面整體性能。借助拱腳主加附拱肋軸力應(yīng)力云圖可知（見(jiàn)圖8），進(jìn)人孔取1 m高時(shí)，其安全性較高。

圖7 系梁端部透視圖

圖8 拱腳主加附拱肋軸力應(yīng)力云圖

5.3 橋型演變

簡(jiǎn)支梁系桿拱具有跨越能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、系梁截面小等優(yōu)點(diǎn)，并且演變出一種新型梁拱組合結(jié)構(gòu)形式，即在該結(jié)構(gòu)兩端各增加一孔常用跨度形成連續(xù)結(jié)構(gòu)，被稱(chēng)為連續(xù)系桿拱或系桿拱連續(xù)梁。連續(xù)系桿拱橋具有受力明確、建筑高度低、橋式美觀、維修養(yǎng)護(hù)方便、工程投資省等優(yōu)點(diǎn)，在連徐鐵路、杭溫鐵路、魯南高速鐵路及合新鐵路等鐵路橋梁工程中得到了成功應(yīng)用。其中，連徐鐵路東海特大橋（40+168+40）m連續(xù)系桿拱［17］是我國(guó)首座高速鐵路連續(xù)系桿拱橋。

6 展望

鐵路建設(shè)的快速發(fā)展促進(jìn)了鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和進(jìn)步，簡(jiǎn)支系桿拱結(jié)構(gòu)橋梁自應(yīng)用于京滬高鐵以來(lái)，不斷發(fā)展、迭代，形成了成熟可靠的橋梁結(jié)構(gòu)體系和成套建造技術(shù)。未來(lái)，簡(jiǎn)支系桿拱結(jié)構(gòu)的鐵路橋梁必將進(jìn)一步向著高強(qiáng)度、輕型、耐久、大跨方向發(fā)展，并具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

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