128 m下承式尼尔森提篮系杆拱桥设计及其应用

文功启

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063）

1 桥式应用及特点

128 m下承式尼尔森提篮系杆拱是由我院开发，能很好适应铁路在跨越高等级公路、主要城市道路及河流时所用桥型。该桥式是在原我院设计的宣杭线东茹溪112 m下承式提篮系杆拱的基础上，研究开发的系列跨度下承式尼尔森体系提篮系杆拱（96，112，128，140 m）之一。目前该桥型已成功应用于甬台温沿海铁路、京沪高速、宁杭、杭长及郑开等多条线路当中。该桥式按双线铁路技术标准设计，是一种应用成熟且经济性很好的桥型。

本桥型外部属简支静定、内部超静定自平衡结构，对基础的适应性强［1－2］。但由于拱肋的内倾或外倾，使得拱肋线型较常规平行拱要复杂，结构的空间效应较强。斜拉的吊杆增强了结构的强度与刚度。与其他钢管混凝土桥相比，尼尔森体系提篮系杆拱主要有如下结构特点［3］：①结构体系力学性能优良；②桥梁刚度大，有良好的结构稳定性；③动力性能好，能提供很好的行车安全及舒适度指标；④结构超载能力强；⑤外部静定，建筑高度低，桥式美观。

另外，本桥可根据现场施工条件，灵活采取“先梁后拱”或“先拱后梁”的施工方法。在“先拱后梁”的施工方法中，由于要采用临时墩拱固定，且在张拉体外索的同时，拱上设挂篮施工系梁分段，体系转换多，考虑结构及施工的复杂性，一般尽量优先采用“先梁后拱”施工方案。

2 提篮拱结构设计

2.1 桥型布置

本提篮拱全桥长132 m，计算距径128 m，全桥布置见图1～图3。

图1 提篮拱桥立面图（单位：c m）

图2 提篮拱桥平面图（单位：c m）

图3 提篮拱桥侧面图（单位：c m）

2.2 拱肋

线型采用二次抛物线，矢跨比1／5。拱肋采用竖置哑铃形钢管混凝土截面，截面高3.4 m，等高布置；钢管直径为1 200 mm，由厚18 mm的钢板卷制而成，每根拱肋的两钢管之间用δ＝16 mm的腹板连接。每隔一段距离，在圆形钢管内设加劲环和加劲角钢，在腹板纵向加劲肋间设计拉筋，以防管内微膨胀混凝土灌注时腹板发生向外的变形。

拱肋在横桥向内倾9°，形成提篮式，拱顶处两拱肋中心距7.846 m，拱脚处两拱肋中心距16.2 m。

2.3 横撑

两拱肋之间共设5道横撑，拱顶处设X形撑，拱顶至两拱脚间设4道K形横撑。横撑各框架均作共面设计。横撑由直径600，500和360 mm的圆形钢管组成，钢管内部不填混凝土，其外表面需作防腐处理。

各横撑均由几个空间平面框架构成，如K撑由3个平面框架组成，而一个平面内有4个点，斜撑中4个点如果不共面，由此产生的附加力对结构是不利的，而且这个问题往往被设计者忽视。下面简单介绍4点共面设计。如图4所示，拱肋上、下弦管s1，x1；一字撑上下弦偏中2点s2，x2。

图4 横撑设计示意图

计算时，可先给定s1，x1及s2的空间座标，由3点的空间座标（xi，yi，zi）能确定一个平面：

分别将3点坐标代入后，可确定3个未知数B，C，D，进而确定平面方程式。

现考察x2点，设其坐标（xx2，yx2，zx2）。由于x2位于一字撑下弦直线上，而直线的方程是确定的（顺横向xx2及竖向yx2座标已定），进行联立式（2）可确定下弦直线与平面的交点即为x2的座标：

值得注意的是，在设计中，由于钢管的构造偏心要求，s2不能取上一字撑上弦的中心点，需向y向偏移合适的距离。

2.4 系梁

系梁按整体箱形梁布置，采用单箱三室预应力混凝土箱形截面，桥面箱宽17.8 m，梁高2.5 m；拱脚顺桥向8 m范围内设计成实体段，横桥向宽度由17.8 m增加至18.8 m，截面渐变处设过渡段。系梁顶、底板厚度均为30 c m，边腹板厚度35 c m，中腹板厚度为30 c m。底板在3.0 m范围内上抬0.50 m，以减小风阻力，见图5。对应吊点处设横梁，横梁厚度为0.4 m。系梁两端底板上设进人孔，每个箱室均设检查孔，便于在箱内对吊杆等进行检查与换索。底板上设截水槽和泄水孔，边腹板与中腹板上设通气孔。

图5 系梁横截面（单位：c m）

系梁按全预应力构件设计，纵向设78束12-7Φ5预应力筋，横隔板上设4束12-7Φ5预应力筋，横向在底板设3、4-7Φ5的横向预应力筋。

2.5 吊杆

吊杆布置采用尼尔森体系，每2根吊杆只交叉一次，吊杆与系梁的顺桥向水平夹角在50.462°～68.662°之间，横桥向水平夹角为81°。吊杆间距为8 m，2交叉吊杆之间的横向中心距为341 mm。吊杆采用127根直径7 mm高强低松弛镀锌平行钢丝束，冷铸镦头锚，索体采用PES（FD）低应力防腐索体，并外包不锈钢防护。吊杆上下端设有保护罩，更换方便，吊杆更换时遵循对称原则，每次可对称更换2对，吊杆正常更换时需限速行驶。

提篮拱采用尼尔森体系的吊杆后，内外吊杆的座间坐标比平行拱要复杂得多，需通过一系列的计算，主要是确定吊杆倾角。如图6约定坐标系：拱肋设计起点为原点，大里程顺桥向方向为X轴，高度方向为Y轴，Z向为横桥向指向梁体外方向。

图6 吊杆座标计算示意图（单位：c m）

吊杆的内倾角计算关键是确定吊杆与拱肋与系梁的交点坐标，设定系梁高h，拱肋侧倾角为β，内外吊杆间距Δ。吊杆与拱肋x轴交点坐标向量为x0，由拱肋方程y＝f（x）可知，吊杆与拱肋交点y坐标向点为f（x）；吊杆与系梁锚固点的交点坐标向量为x1，锚固点距梁面高度为h0，侧吊杆与锚固点的y坐标为

相继求出各吊杆的倾角为

3 结语

128 m下承式尼尔森提篮系杆拱桥主体结构采用了钢管混凝土拱肋、整体单箱三室预应力系梁及尼尔森体系的吊杆，使结构具有良好静、动力学性能的同时，整体桥面刚度大，能适应不同等级铁路的技术要求。设计前，应对工点的技术标准进行充分研究，尤其是曲线时要对桥面布置仔细分析，以便确定合适的桥面宽度。在架桥机与运梁车需过桥时，合理安排横撑的位置以满足各种限界要求，并对各种工况进行检算，以保证结构的安全。

由于桥式跨度大，建筑高度低，直梁、曲拱、斜吊杆的合理搭配极具韵律和美感，在铁路桥梁建设中具有良好的推广应用前景。

［1］ 蔡绍怀.现代钢管混凝土结构［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］ 陈宝春.钢管混凝土拱桥计算理论研究进展［J］.土木工程学报，2003，36（12）：48-49.

［3］ 冯楚桥.高速铁路无咋轨道112 m尼尔林体系提篮系杆拱桥设计［J］.铁道工程学报，2007（S）：232-239.