高速铁路大跨度简支系杆拱桥设计研究

2012-05-14沙培洲

铁道标准设计 2012年7期

沙培洲

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

系杆拱桥是由拱肋、系梁、吊杆和桥面系等组成的梁拱组合体系。系杆拱桥与普通简支梁、连续梁等其他桥型相比，具有跨越能力大，梁部高度小，美观经济等优点。当桥下立交净空要求跨度较大，而结构高度要求较小时，采用大跨度简支系杆拱桥能更好地满足设计要求。

大跨度系杆拱桥已运用到我国高速铁路上，且桥梁跨度在逐步增大，给设计和施工带来了新的技术问题，须进行全面、深入细致的研究，以提高我国高速铁路桥梁的技术水平。通过对128 m简支系杆拱桥的设计，从结构尺寸拟定和结构计算分析2个方面进行了归纳总结，重点对矢跨比、梁拱刚度比、吊杆初张力、屈曲稳定和动力特性进行了分析研究，为高速铁路大跨度简支系杆拱桥的设计提供参考。

1 工程概况

本桥为客运专线桥梁，位于竖曲线内，线路纵坡20‰，平面位于R=2 800 m的圆曲线上。设计采用1孔128 m简支系杆拱桥，立面按正做斜置，平面按直线梁设计。横桥向设置2道拱肋，拱肋中心间距13.8 m。系梁采用预应力混凝土简支箱梁，采用单箱双室截面，采用支架上分段现浇施工;钢管拱肋在系梁及支架上拼装合龙，即采用先梁后拱的施工方法。设计活载采用ZK活载，桥面二期恒载按160 kN/m考虑。设计的系杆拱桥梁部构造如图1所示。

图1 系杆拱桥梁部构造(单位:cm)

2 尺寸拟定

2.1 拱轴线

拱轴线线形的选用将影响拱截面内力的分布和大小，根据资料统计，系杆拱桥的拱轴线线型多选用二次抛物线或拱轴系数较低的悬链线。因此，设计拱轴线选用二次抛物线，理论计算跨度L=128 m，理论拱轴线方程为:Y=0.8X－0.006 25X2。

2.2 矢跨比

矢跨比的合理选取是拱桥设计的工作重点，其值对结构设计的安全性、经济合理性有重要影响。为了选出较优的矢跨比，在主要构造尺寸基本确定后，做矢跨比比选分析。矢跨比分析范围选取1/6～1/4，0.5一级，共进行了5种矢跨比分析，重点研究矢跨比变化对梁、拱内力的影响。分析采用BSAS程序建模计算，在恒载作用下，矢跨比变化对拱肋、系梁内力的影响如表1、表2所示。

表1 矢跨比变化拱肋内力对照

结果显示，当矢跨比由1/6逐渐增大至1/4时，拱肋1/4跨和1/2跨截面的轴力和弯矩均逐渐减小，拱脚处轴力变化不大，但弯矩变化较为明显，呈“V”变化，矢跨比为1/5时，拱肋在拱脚处的弯矩最小。系梁随着矢跨比的增大，轴力逐渐减小，对1/4跨和1/2跨截面处的弯矩基本无影响，对拱脚处截面弯矩有影响，其中矢跨比为1/5时，系梁拱脚处的弯矩最大。

表2 矢跨比变化系梁内力对照

根据拱肋和系梁的内力变化分析，矢跨比的变化对拱脚的影响最大，系梁在拱脚处抗弯能力最易得到提升，而对于拱肋则是其较薄弱的环节，拱肋在结构中主要承受轴向压力，应尽可能减小其承受的弯矩。因此，矢跨比取1/5时，拱肋和系梁设计时构造更易处理，也更为安全、经济。

2.3 拱肋

拱肋尺寸的拟定，是拱桥设计的工作难点。拱肋尺寸拟定过大，用钢量过大而不经济，过小则影响结构的受力及刚度。经研究，用拱肋与系梁的刚度比能优化拱肋截面尺寸，且方便快捷。根据立交净空及线路资料确定出系梁的构造尺寸，也就有了系梁的刚度，再根据刚度比便能确定出拱肋刚度及截面尺寸。按此设计思路，对刚度比的变化作比选分析，在恒载作用下，刚度比变化对拱肋、系梁的内力及位移的影响如表3、表4所示。

表3 刚度比影响内力对照

表4 刚度比影响竖向位移对照 mm

结果显示，拱肋与系梁的刚度比变化，对拱肋及系梁的轴力基本无影响，随着刚度比的减小，拱肋所承受的弯矩随之减小，系梁承受的弯矩增加。拱肋和系梁的竖向位移随着刚度比的减小而增大。

分析表明，刚度比的变化对结构的竖向刚度影响较大，因此可根据系梁的竖向变形容许值和其自身的极限承载能力，选取较合适的刚度比值，从而确定出拱肋的刚度及截面尺寸。

根据分析结果，刚度比选用1/1.5～1/2较合理，所以拟定拱截面采用钢管混凝土空腹哑铃形截面，主管采用外径φ130 cm、壁厚δ=20 mm的钢管，拱肋截面高3.9 m。刚度比为1/1.63。

2.4 吊杆

吊杆是拱肋与系梁间的传力构件，按照刚度大小分为刚性吊杆和柔性吊杆。刚性吊杆的横向自振频率高于柔性吊杆，但刚性吊杆施工精度较高，一旦施工完成，难于更改。结合本桥控制因素并简化施工，全桥共设置17对柔性竖直吊杆，第一对吊杆距离梁端16.65 m，其余吊杆中心间距均为6.2 m。每处吊杆均为双根85丝φ7 mm的环氧喷涂平行钢丝束组成。

2.5 横撑

横撑是确保拱肋横向稳定的重要构件，按样式的不同，可分为“一”字形、“K”形、“X”形和“米”字形横撑。横撑的样式、数量、布置位置将影响结构的整体稳定，特别是横撑的样式。因此，设计采用6组K形横撑，每组横撑均为空钢管组合桁架结构。上下水平横管采用外径φ=800 mm、壁厚δ=12 mm的钢管，上、下斜管采用外径φ=600 mm、壁厚δ=10 mm的钢管。

2.6 系梁

系梁采用预应力混凝土简支箱梁，全长132.5 m，系梁除梁端局部加高至3.5 m外，其余梁高均为3.0 m。跨中系梁顶宽15.0 m，底宽13.0 m，拱脚处一定范围内梁底加宽至15.6 m，顶宽加宽至16.1 m。系梁纵向预应力腹板束、底板束采用17－φs15.2 mm钢绞线，顶板束采用15－φs15.2 mm钢绞线。拱座预应力筋采用φ32 mm PSB830精轧螺纹钢筋。

3 结构分析

3.1 运营分析

设计采用BSAS程序进行结构静力计算分析。按照主梁的实际构造进行结构离散，模型共分117个单元，其中系梁划分为52个单元，拱肋划分为48个单元。通过计算分析，各项计算结果均满足容许值要求。成桥运营阶段主要静力计算结果如表5所示。

表5 运营阶段静力计算结果

3.2 施工设计

本桥采用先梁后拱的施工方法。下部结构施工完成后，架设支架施工系梁及拱座，在系梁上架设支架施工拱肋，待管内混凝土强度及弹性模量达到设计强度后，安装吊杆，按设计要求顺序对吊杆施加初张力，拆除施工支架，施工桥面系工程。

吊杆初张力和张拉顺序的确定是系杆拱桥设计中的难点。通过计算分析，结合梁拱体系的受力特点，先采用拱肋弯矩控制和系梁位移控制分别估算出合理初张力，再用两者平均值作为初张力进行计算，最后根据计算出的结构整体变形对局部吊杆索力进行调整，便能很快确定出吊杆初张力及张拉顺序。按此方法确定出的最终吊杆初张力、张拉顺序及成桥阶段索力如表6所示。

计算结果表明，成桥吊杆索力较为均匀，充分发挥了每根吊杆作用，最大应力幅为99.8 MPa，最小安全系数为4.13，均满足规范要求。