长昆客运专线铁路中承式异型拱桥设计研究

施 威，孙大斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

长昆客运专线铁路中承式异型拱桥设计研究

施 威，孙大斌

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

为解决长昆客运专线斜跨潭韶高速公路的问题，通过桥式方案比选，结构构造优化，结构静力、动力计算分析，设计研究出拱肋沿桥轴线非对称错位布置、吊杆扇形布设、无风撑拱肋的中承式斜置拱桥。该桥已投入实际运营，应用良好。

铁路桥；斜交拱桥；无风撑拱肋；设计

国内铁路钢管混凝土拱桥拱肋通常沿桥轴线对称布置，吊杆采用竖直吊杆或相邻吊杆倾斜角度交替布置形式。为加强拱肋的面外稳定性，大部分拱桥均设有风撑。

长昆客运专线铁路“红太阳”拱桥打破传统拱桥形式，把拱肋沿桥轴线呈非对称错位布置，吊杆呈扇形布置。独特的桥式让其成为国内拱桥中的新秀。

1 工程概况

新建长沙至昆明客运专线设计速度为300 km/h，正线为双线，线间距5 m，采用CRTSI型双块式无砟轨道，设计活载为ZK活载。

长昆客运专线在里程DK62+611.12～DK62+749.45跨越潭韶高速公路，线路长度约138.10 m。该段线路位于R=9 000 m的圆曲线上，纵断面位于4.562‰的纵坡上。

长昆客运专线与潭韶高速公路交叉点里程DK62+680.28，交叉角度43°5′。立交净空要求：净宽26 m×净高5.5 m。

桥址线位平面如图1所示。

图1 桥址线位平面

2 方案研究[1]

该工点地处湖南省韶山市，所以桥式应传承红色文化，尽显地域特色。为此，进行了多种方案设计，并进行比选。

2.1 (50+90) m独塔斜拉桥方案

由于潭韶高速公路较宽，且与长昆客运专线斜交角度较小，所以拟采用正交结构的独塔斜拉桥斜跨潭韶高速公路。

独塔斜拉桥斜犹如一面旗帜，与红色文化紧紧相扣，桥式布置见图2。

图2 (50+90) m独塔斜拉桥方案(单位：cm)

2.2 1-96 m简支系杆拱桥方案

根据桥位处实际地形地貌条件，按桩基础满足最小施工安全距离控制桥梁最小跨度，拟采用1-96 m简支系杆拱桥。主梁采用预应力混凝土箱形梁形式，拱采用钢管混凝土构造。

拱桥犹如一道彩虹，横跨于高速公路上，与周围环境相结合，尽显和谐。桥式布置见图3。

2.3 90 m中承式异形拱桥方案

跨越潭韶高速公路，交叉角度43°，考虑斜交斜做，综合桥梁美学，拟采用斜交90 m中承式异形拱桥。

90 m中承式异形拱桥吊杆扇形布置，两拱肋沿公路方向斜向错位布置。拱肋拟采用哑铃形钢管混凝土拱肋。为满足桥上架梁通道要求，桥面以上两拱肋间无风撑。

梁部拟采用纵横梁结构，整个桥跨受力体系为异形中承式拱加劲斜交连续梁受力体系或称为斜支撑梁拱组合体系。梁部中支点支座沿公路方向斜向布置，大、小里程梁端沿曲线径向布置。

拱桥吊杆与拱肋整体造型有如放射光芒的“红太阳”。红太阳，有着“旭日东升”之寓意，同时也融合于红色氛围中。桥式布置见图4。

图3 1-96 m简支系杆拱桥(单位：cm)

图4 90 m中承式异形拱桥方案(单位：cm)

2.4 方案比选

(50+90) m独塔斜拉桥方案，斜拉桥竖、横向刚度相对较低，在铁路桥梁上较少采用。从施工方面考虑，梁部支架现浇，桥塔吊装、斜拉索张拉等工序复杂，施工总周期比较长，施工对高速公路行车安全影响较大。

96 m简支系杆拱桥方案，简支系杆拱桥较常用于铁路桥梁中，具有竖、横向刚度大及低噪声等优点。从施工方面考虑，桥墩、基础及梁部施工顺序同独塔斜拉桥，待梁部施工完毕后，支架安装钢管混凝土拱。最后施工桥面附属。该方案施工工期较短，对潭韶高速公路行车安全影响较小，但是该桥式无新意，无法成为标志性建筑。

90 m中承式异形拱桥方案，拱桥结构受力体系不同于传统桥梁，拱肋结构与一般中、下承式拱桥类似，梁部结构与一般斜交连续梁类似，但又不尽相同，是一种新型组合受力体系的桥梁结构。它同样具有竖、横向刚度大及低噪声等优点。从施工方面考虑，拱桥施工及防护方案基本与1-96 m简支系杆拱桥相同。该方案拱肋纵向错位布置，吊杆扇形布置，施工略显复杂，但施工工期与96 m简支拱基本一致，对潭韶高速公路行车安全影响较小。从景观方面考虑，该桥式比前两个更胜一筹。桥式犹如一轮冉冉升起的红太阳，彰显韶山的红色文化。它自然地与周围环境融合，共同构成一幅美丽的画卷。

从经济性分析，独塔斜拉桥造价较高，两个拱桥造价相当。

综合设计、施工、景观、经济多方面，最终采用90 m中承式异形拱桥方案，同时命名该桥为“红太阳”拱桥，桥式效果见图5。

图5 “红太阳”拱桥效果图

3 结构构造

3.1 拱肋结构[2]

拱肋计算跨度为90 m，立面投影矢高22.5 m，矢跨比为f/L=1∶4，拱肋采用m=3.5的悬链线。桥面以上拱肋不设横撑，为敞开式结构。

拱肋采用哑铃形截面，上、下钢管管径1.2 m，上、下钢管间距1.8 m，拱肋总高3.0 m，钢管壁厚24 mm，连接上、下钢管用的腹板板厚20 mm。

拱肋为部分钢管混凝土拱肋，拱脚以上，桥面以上拱肋内填充C55混凝土。

3.2 吊杆布置

为了实现“红太阳”发散式吊杆达到光芒照射的效果，在结构美学设计时，采用“光源”点至拱顶距离49.8 m。吊杆发散布置，边吊杆最大倾斜角度48.1°。优点：结构受力好，能表达吊杆“光芒”四射之感，尤其在高速公路行车时，视觉效果好，如图6所示。

图6 吊索光源布置

吊杆采用PES(FD)低应力防腐索体，吊杆安全系数n不小于2.5。索体型号为PES(FD)7E-109，其破断索力为7 005 kN。吊杆以虚拟圆心发散斜向布置，按照在梁面上间距不小于4 m布置，全桥共设11对吊杆，实际吊杆桥面间距4.7～5.8 m，如图7所示。

图7 吊索布置(单位：cm)

3.3 吊杆锚固[2]

吊杆锚固端设在拱脚上方。锚固防护罩高度长度为2 m，以达到“光芒”效果，能够表达“红太阳”光芒四射的景观。

吊杆下锚点构造采用总量锚固方案。在拱肋平面内，吊杆与梁部锚固处纵桥向设置锚固纵梁，锚固纵梁通过横梁与主纵梁连接。吊杆力通过下锚点传至锚固纵梁，锚固纵梁再通过横梁将力传递至主纵梁。锚固纵梁高2 m，横向宽0.7 m。吊杆下锚点构造设在锚固纵梁下方，在锚固位置处将锚固纵梁局部开槽，使吊杆下锚点嵌入槽内，从外观上看不到锚固装置。整体景观性较好。

3.4 梁部[3]

梁部全长130.165 m，采用纵横梁体系，主纵梁采用实心矩形截面，梁高2.5 m，宽1.8 m，小纵梁为矩形截面宽0.25 m×高1.0 m，一般横隔板为矩形截面宽0.4 m×高1.5 m，沿桥纵向4 m布置，中支点横隔宽2 m，高1.5 m，端支点横隔宽1.6 m，高1.5 m，桥面板厚0.28 m。梁部采用C55混凝土。梁部构造平面见图8。

3.5 横梁

拱桥主梁下在拱肋之间设钢横梁。受拱肋尺寸限制，钢横梁高2.5 m，宽1.3 m，由t=22 mm的钢板焊接而成。

3.6 桥面宽度

边跨桥面总宽为12 m，中跨桥面总宽16.6 m，并采用4 m长过渡段过渡桥面宽度变化。梁部断面见图9。

4 结构计算[3-11]

4.1 静力分析

采用有限元软件MIDAS CIVIL2006建立模型，进行分析计算。主桥采用梁单元，吊索采用桁架单元进行模拟，并仅考虑吊索轴向的拉伸刚度。

图8 梁部构造平面布置(单位：cm)

图9 梁部断面(单位：cm)

按照现行相关规范及设计标准进行加载，列车荷载采用ZK活载。并且分别考虑运营荷载及施工荷载。

运营荷载包括恒载(包括结构自重、二期恒载、混凝土收缩徐变、结构变位)、活载(包括列车竖向静活载、列车竖向动力作用、离心力、摇摆力、制动力)、风力、温度荷载、脱轨荷载等。

对于基础变位，单支座不均匀沉降工况按5 mm考虑。

对于风力荷载，加载于梁部之上的横向风荷载为1.75 kN/m，加载于拱肋之上的横向风荷载为1.87 kN/m，加载于拱肋之上的纵向风荷载为0.21 kN/m。风荷载按照桥上有车考虑，考虑列车承受风荷载为2.1 kN/m，作用轨顶以上2 m位置。风荷载按节点荷载加载于拱、梁单元上。

对于温度荷载，按整体升降温±20 ℃，顶底板温差8 ℃，并考虑升温时，钢材比混凝土温度高15 ℃，降温时钢材比混凝土温度低10 ℃。

其他运营荷载取值及荷载组合均按规范执行，此处就不再赘述。

施工荷载按照实际的施工顺序进行模拟。施工过程中，结构的安装与拆除、荷载的加载与卸载、边界条件的改变等均通过相应组的激活与钝化实现。

下面就主要结构计算分析加以叙述。

(1)拱肋计算[9，10]

分别对钢管拱肋、钢管混凝土拱肋、部分钢管混凝土拱肋进行建模，并进行稳定性分析。分析结果表明，当采用钢管混凝土拱肋时，拱肋有较好的稳定性，刚度也较大，但局部混凝土出现较大的拉应力，随之混凝土将出现裂缝，从而削减一部分拱肋刚度。当采用钢管拱肋时，拱肋稳定性也能满足要求，但比钢管混凝土拱肋提供刚度小；采用部分钢管混凝土拱肋时，拱肋稳定性虽提高的不多，但能够提供较大的横向刚度，能够在一定程度上弥补拱桥拱肋横向刚度偏弱的不足。因此拱肋结构采用部分钢管混凝土拱肋。

在主力组合下，拱肋钢管最大压应力为136.55 MPa，最大拉应力为8.05 MPa，在主力+附加力组合下，拱肋钢管最大压应力为155.45 MPa，最大拉应力为55.86 MPa。拱肋面内稳定安全系数为13.8，面外屈曲稳定安全系数为5.02。结果均满足规范要求。

(2)主梁计算

分别检算施工和运营阶段主梁的强度、抗裂性、应力及变形。施工阶段梁部端支点处的最大压应力为14.2 MPa；运营阶段，最不利荷载作用下，在主力组合下，混凝土最大压应力为16.52 MPa，最小压应力为2.29 MPa，在主力+附加力组合下，混凝土最大压应力为20.09 MPa，最小压应力为0.12 MPa。混凝土最大主拉应力为0.921 MPa；最大主压应力为18.52 MPa。主力作用下强度安全系数最小值为2.46，主力+附加力作用下强度安全系数最小值为2.08。梁部最大竖向挠度33.3 mm，挠跨比1/2 727，梁端最大转角0.29‰rad。以上检算结果均满足规范要求。

(3)拱脚局部应力分析

利用Ansys有限元分析软件，对拱脚建立了局部有限元模型，拱脚采用SOLID45单元。建立分析其在各种最不利工况下的受力性能，得出以下结论：拱脚与拱肋接触面附近存在应力集中现象，最大主拉应力为4.46 MPa，超过了C40混凝土的容许应力。但鉴于该处应力集中的范围很小，通过对该处加强配筋处理，可以有效地增大拱脚强度。拱脚其他部位的应力均在容许值以内。

4.2 动力分析

为了检算“红太阳”拱桥的自振频率、跨中竖向与横向动位移、跨中竖向与横向加速度、墩顶横向位移与加速度；检算机车车辆的安全性和舒适度指标，包括脱轨系数、轮重减载率、竖横向加速度及Sperling舒适度指标，对“红太阳”拱桥进行车桥耦合动力仿真分析。

分别采用软件MIDAS以及桥梁结构动力分析软件BDAP V2.0，来建立“红太阳”拱桥的动力分析模型。

(1)自振特性

自振特性频率分析结果见表1。

表1 “红太阳”拱桥自振特性计算结果

其中1、2、3阶振型见图10～图12。

图10 第1阶右幅拱圈一阶横弯(俯视)

图11 第2阶主梁一阶正对称横弯(俯视)

图12 第3阶主梁一阶正对称竖弯(立面)

(2)车桥耦合动力仿真分析

建立车桥一体空间模型，对该桥在ICE3、国产300和CRH2动车组作用下的车桥空间耦合振动进行了分析，评价了该桥的动力性能以及列车运行安全性与平稳性。其主要结论如下：跨潭韶高速公路特大桥1-90 m中承式拱桥具有足够的竖向和横向刚度，能够满足国产CRH2动车组以速度160～250 km/h、德国ICE3和国产300 km/h动车组以速度250～350 km/h运行时的安全性和良好的舒适性要求。

5 结语

长昆客运专线铁路“红太阳”拱桥拱肋沿桥轴线非对称错位布置且吊杆扇形布置形式，尚属国内在铁路拱桥上首次采用。对“红太阳”拱桥的吊杆布置形式、拱肋截面形式、吊杆锚固方式、横梁等方面的设计进行了介绍，并对拱桥结构进行了静力分析、稳定性分析、拱脚局部应力分析和车桥耦合动力仿真分析，为结构优化设计进行指导，同时本桥的无风撑拱肋设计能够为今后的无风撑结构布置设计提供参考。

“红太阳”拱桥布置形式新颖、美观，实现桥梁与建筑的完美结合。同时该桥具有一定寓意，象征着光芒四射的红太阳，建成后将成为一座地标式建筑物。

[1] 郑建.中国高速铁路桥梁[M].北京:高等教育出版社，2008.

[2] 孙树礼.青藏铁路拉萨河大桥[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[3] 黄平明.混凝土斜梁桥[M].北京：人民交通出版社，1999.

[4] 中华人民共和国铁道部.TB10621—2009高速铁路设计规范(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[5] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.1～5—2005铁路桥涵设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[6] 中华人民共和国铁道部.TBJ 24—89铁路结合梁设计规定[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[7] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.3～5—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

[8] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.2～5—2005铁路桥梁钢结构设计规范[S] 北京：中国铁道出版社，2005.

[9] 强士中.桥梁工程[M].北京：高等教育出版社，2011.

[10]陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].北京：人民交通出版社，2007.

[11]金成棣.预应力混凝土梁拱组合桥梁——设计研究与实践[M].北京：人民交通出版社，2001.

Design of Half-through Anomalistic Arch Bridge on Changsha-Kunming Passenger-dedicated Line

SHI Wei， SUN Da-bin

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin300142， China)

To resolve the problem in design to allow Changsha-Kunming passenger dedicated railway to cross over Xiangtan-Shaoshan highway， this paper， on the basis of bridge scheme comparison， construction structure optimization， calculation and analysis of structural statistics and dynamics， comes to the conclusion that the half-through anomalistic arch bridge is recommended and arranged unsymmetrically and misplaced with its arch ribs along the bridge axial line， with its suspenders placed in fan-shape and its arch ribs without wind bracing. This bridge has been put into use with good results.

Railway bridge; Oblique crossing arch bridge; Arch rib without wind bracing; Design

2015-01-06；

2015-01-08

施 威(1971—)，男，高级工程师，1993年毕业于西南交通大学土建结构工程专业，工学学士，E-mail：shiwei_2046@126.com。

1004-2954(2015)03-0068-06

U448.22； U442.5+3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.03.016