大跨PC组合结构在高速铁路无砟轨道桥梁中的应用研究

康 炜

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

近年我国高速铁路桥梁取得了举世瞩目的成就。在高速铁路建设中，桥梁轴线往往受限于线路走向，不可避免地出现了许多大跨桥梁。而桥梁结构逐步从满足基本需求向技术创新转变，各种桥型也相继投入到运营使用阶段。

对于跨度在200～300 m的高铁桥梁，采用纯粹的PC梁已不尽合理；尽管钢结构方案从受力本身而言是可行的，但无砟轨道在大跨度钢结构桥梁中的应用尚需进一步研究[1]，同时考虑到钢结构的工程造价高及后期养护工作量大的因素，在此跨度范围内缺乏竞争力。而PC组合结构无论从受力、经济、施工、运营均具有较大的优势，随着桥梁设计和施工技术的快速发展，组合桥式结构得到了越来越广泛的应用。

PC组合结构一般为梁拱、梁索、梁桁组合体系，为了进一步研究PC组合结构的受力特点及其在高速铁路无砟轨道大跨度桥梁中的应用，本文将以西延高铁王家河特大桥为工程背景，分别对连续刚构加拱组合桥式、连续刚构部分斜拉桥以及连续刚构加劲钢桁组合桥式进行分析研究。

1 工程概况

王家河特大桥是西安至延安高速铁路的重点控制性工程，位于陕西省铜川市王益区境内，距离铜川北站较近，受线路高程控制，桥高达100 m左右。桥址位于黄土台塬区，两端桥台位于斜坡地带，桥址区地形起伏较大。

设计标准为350 km/h双线高速铁路，线间距5.0 m，轨道类型为CRTSⅢ型双块式无砟轨道，设计洪水频率1/100，设计活载为ZK活载。桥址处设计地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期为0.45 s，Ⅱ类场地土。桥址处属北暖温带亚湿润型气候区，年平均气温11 ℃，最热月平均气温23 ℃，最冷月平均气温-3.5 ℃，极端最高气温37 ℃，最低气温-17.5 ℃，年平均相对湿度66%。

2 桥式方案构思

2.1 桥梁跨度

桥梁通过区人口较为密集，地面建筑较多，影响桥梁布孔的主要因素有包茂高速公路、王益城区道路、王家河矿山专用铁路、王家河、地面建筑物及桥梁高度。通过综合分析，主跨采用248 m一跨跨越王家河、两侧道路及铁路，边跨跨越包茂高速。

2.2 桥式方案

主桥桥式方案考虑了3种PC组合桥式，即连续刚构加劲拱组合结构、连续刚构部分斜拉桥、连续刚构加劲钢桁组合结构，如图1所示。

图1 3种组合结构桥式方案的孔跨布置(单位：cm)

3 方案研究

分别对上述3种设计方案从受力特点与设计难点、结构设计、关键力学性能等方面进行研究。

3.1 连续刚构加劲拱组合桥式

近年来，尽管连续刚构加劲拱组合结构在铁路桥梁中得到广泛应用，然而在200 m以上跨度的高铁无砟轨道桥梁中尚未使用[2-8]。

3.1.1 受力特点与设计难点

连续刚构加劲拱组合结构为先梁后拱体系，受力以主梁为主，加劲拱旨在提高主梁刚度、减小主梁徐变残余变形、承担二期恒载及活载。加劲体系所承担荷载的大小受梁、拱刚度比例，吊杆力的大小等因素影响。加劲拱有效拓展了混凝土连续刚构的跨度及适用范围，使拱与梁在受力方面的优点得到充分发挥。

该桥型的设计难点主要有：墩、梁、拱三者合理的刚度比；矢跨比的选取；主梁配束；控制温度作用、支座位移及混凝土收缩徐变等因素对结构的不利影响；吊杆初张力的确定等方面。

3.1.2 关键力学性能研究

本方案在设计过程中对主梁边跨长度、主梁梁高、加劲拱拱轴线、拱肋矢跨比、拱肋结构形式及结构参数、加劲拱效果、刚构墩结构形式等方面进行了详细研究，限于篇幅，以下着重阐述矢跨比的选择过程。

(1) 矢跨比的选择

矢跨比是拱桥的一个重要特征参数。刘瑶等(2014)[9]的调查结果显示，对于高速铁路梁拱组合桥梁来说，大部分桥梁矢跨比设在1∶5左右，其中矢跨比为1∶5的桥梁占比重72.21%，11.11%的桥梁矢跨比为1∶6。

对矢跨比1/3.5、1/4、1/5及1/6几种情况进行了对比分析。将不同情况的主梁恒载内力、主梁活载内力及拱肋内力列在表1中。

从计算结果可以看出，恒载作用下，随着矢跨比的减小，主梁和拱肋跨中截面弯矩和轴力均增大。活载作用下，矢跨比的变化对结构轴力影响较大，随着矢跨比的减小，主梁和拱肋的轴力都增大。以矢跨比1/6为基准，矢跨比1/3.5、1/4、1/5时，拱肋最大吊杆长度分别增加61.9%、41.7%、24.0%，拱肋长度分别增加11.7%、8.0%、4.4%。从景观效果来看，矢跨比1/5时，曲线流畅，整体曲线起伏均匀。综合各因素，本桥设计采用矢跨比1/5。

表1 不同矢跨比情况的结构内力

(2)其他力学性能的研究及设计方案的形成

在设计方案形成过程中，分别对边跨长度、主梁梁高、拱轴线比较、拱肋形式、刚构墩墩型等方面进行了研究，将研究过程简要列于表2。

基于以上分析，该方案的结构设计概述如下：主梁采用单箱双室变高度箱形截面，跨中及边支点处梁高5.8 m，中支点梁高14 m，梁底按二次抛物线变化。边跨长度采用120 m。拱肋采用钢管混凝土结构，每片拱肋由2根上下弦钢管(φ1 200 mm壁厚22 mm)和两块厚22 mm钢板焊接成哑铃形断面。拱肋横向中心距11.7 m，两道拱肋之间设11道横撑。拱肋钢管内灌注C55补偿收缩混凝土。每联共设22对吊杆，吊杆顺桥向间距10 m，边吊杆距拱脚19.0 m。

表2 主要力学性能的研究

在分析桥墩刚度对结构的影响时，采用矩形空心墩和双薄壁墩进行比较分析，由计算可知，在保证两种墩型横向刚度一致的前提下(主梁横向自振周期为2.5 s左右)，双薄壁墩纵向刚度仅为793 kN/cm，而空心墩的纵向刚度为2 000 kN/cm，纵向位移比双薄壁墩减小2.8 mm，可以有效保证运营时线路的稳定性和列车通过的安全性，故本桥各方案均采用矩形空心墩。

3.2 连续刚构部分(矮塔)斜拉桥

我国已建成京沪高铁天津联络线大桥、武九客专联络线大桥、黔张常铁路澧水南源大桥等多座部分斜拉桥[10-15]。本方案为目前国内部分斜拉桥在高速铁路无砟轨道中应用的最大跨度。

3.2.1 受力特点与设计难点

连续刚构部分斜拉桥以连续刚构主梁受力为主，斜拉索受力为辅，是一种介于PC连续梁桥和PC斜拉桥之间的一种组合体系桥型，具有塔矮、梁刚、索集中的结构特点。其受力特征是：以主梁受弯、受剪来承担大部分荷载效应，斜拉索对主梁起加劲作用承担一部分荷载，相当于一般PC梁桥的体外预应力索。由于斜拉索的存在,大大降低了主梁后期收缩、徐变产生的跨中下挠。

该桥型的设计难点主要有：斜拉索与体内预应力的配比；主梁变形的控制等方面。控制主梁跨中徐变变形及升温时(整体升温及索梁温差)斜拉索伸长导致的主梁下挠，将是决定方案成立与否的关键。

3.2.2 关键力学性能研究

本方案在设计过程中对边跨长度、塔高、背索的设计参数、无索区长度、拉索初张力等方面进行了详细研究，限于篇幅，以下着重阐述无索区长度的分析内容。

(1)无索区长度

本次设计中对不同无索区长度进行了比较分析，研究方法采用斜拉索根数不变，仅整体移动其在主梁上的锚固位置，以调整无索区长度。共研究了3种工况，无索区长度如表3所示。

表3 各工况无索区长度

将不同无索区长度情况下的连续刚构部分斜拉桥主要计算结果列于表4。

表4 不同无索区长度的影响

经以上比选分析，本桥无索区长度按工况3选取。

(2)其他力学性能的研究及设计方案的形成

在设计方案形成过程中，分别对边跨长度、塔高、背索设置、拉索初张力、边跨现浇段设置等方面进行了研究，将研究过程简要列于表5。

表5 力学指标的影响分析

注：Fcab为一组拉索初张力。

基于以上分析，该方案的结构设计概述如下：主梁采用单箱双室直腹板变高度箱形截面，边支点及跨中梁高为5.8 m，中支点梁高14 m，梁底曲线为1.8次抛物线。边跨长度选择124 m。桥塔高度为桥面以上40 m，采用花瓶式的H形桥塔。桥塔上部24.5 m范围横向间距8.8 m，以下逐步加宽于梁体桥面以外形成塔、墩、梁固结体系的连续刚构部分斜拉桥。斜拉索采用双索面扇形布置，全桥设置46对拉索，其中2对为边跨背索。除背索外，梁上拉索水平间距7.0 m，塔部斜拉索间距1.2 m。

3.3 连续刚构加劲钢桁组合桥式

梁桁组合结构是一种较为新颖的桥梁结构形式，在国内尚处于起步阶段。我国建成的实桥中最具代表性的有大西客专晋陕黄河特大桥，该桥为14-2×108 m刚构加劲钢桁组合结构桥梁[16-17]。

3.3.1 受力特点与设计难点

该组合桥式结构将混凝土主梁与钢桁相结合，承受竖向荷载仍以混凝土梁为主体，钢桁主要起加劲作用，增加主梁刚度，控制混凝土梁的徐变残余变形，以满足高速列车运行的平顺性及舒适性要求。近年来，这一组合结构在高速铁路桥梁中得以实践，取得了良好的效果，极大拓展了混凝土连续梁(刚构)的跨度及应用范围。

该桥型的设计难点主要有：梁桁共同受力；结构轻量化设计；加劲桁设置范围、桁高及截面形式的确定；施工控制；加劲桁与混凝土主梁的连接。

3.3.2 关键力学性能研究

本方案在设计过程中对边跨长度、梁高、加劲桁范围、桁高等方面进行了对比研究，限于篇幅，以下着重阐述加劲效果、加劲桁范围和桁高的分析过程。

(1)加劲效果分析

加劲桁桁高取14.0 m，加劲桁节间长度取12 m。计算结果见表6。

从表6可以看出，设置加劲钢桁效果显著，加劲钢桁能有效降低结构后期徐变变形和活载跨中挠度，同时能够减小跨中弯矩，进而降低跨中梁高，减少跨中钢束配置。

(2)加劲桁范围的选择

通过对比分析108～228 m的中跨加桁范围以及加劲桁范围越过中支点(加桁范围316 m)两种类别，选取合理的加劲桁设置范围。加劲桁桁高取14.0 m，加劲桁节间长度取12 m，主要计算结果见表7。

从表7可以看出，加劲钢桁范围变化对支点弯矩和跨中弯矩影响不明显，对跨中静活载挠度和后期徐变变形影响显著。综合考虑加桁范围对跨中挠度、徐变变形和梁端转角的影响，跨中加桁范围采用156 m。

(3)桁高的选择

中跨加劲钢桁节间长度取12 m，考虑到铁路限界，桁高的比选范围为10～16 m。计算结果见表8。

表7 中跨钢桁加劲范围对比结果

表8 桁高变化对比结果

从表8可以看出，桁高变化对支点弯矩和跨中弯矩影响不明显，对中跨徐变变形影响较大。桁高变化影响较为复杂，设计中综合考虑了接触网采用上平联悬吊设置的可行性，以及斜腹杆自有长度的降低，进而减少用钢量等方面，设计桁高采用14 m。

3.3.3 结构设计要点描述

通过详细分析比较形成了合理的设计方案，该方案的结构设计要点概述如下：主梁采用单箱双室变高度箱形截面，边跨及中跨梁高5.5 m，中支点处梁高15.0 m，梁高按1.6次抛物线变化。中跨加劲钢桁采用无竖杆三角形桁，加劲范围为156 m，共13个节间，节间长12 m，桁高为14 m，桁宽11.1 m。弦杆采用焊接箱形截面。

4 组合结构桥式方案的受力比较

4.1 加劲效果

为了深入了解不同加劲方式的组合结构，将加劲结构承担的荷载比例列于表9。表9包括了加劲结构承担的自重、二期恒载以及活载的比例。

需要指出的是，由于采用了后背索及部分拉索二次张拉，斜拉索承担荷载比例比以往设计的部分斜拉桥略高。

表9 3种组合桥式的加劲结构承担荷载比例 %

4.2 变形

将各结构的变形计算结果列于表10。

表10 3种组合桥式的主要变形指标比较

注：表中挠度、徐变变形、主梁与加劲结构温差引起的主梁最大变形方向向下为负。

由表10可知，加劲结构很好地控制了梁端转角和徐变变形，满足了高速铁路设计规范的相关条文规定[18]。其中连续刚构加拱组合桥式结构在控制变形方面表现最为突出。

4.3 截面正应力

不同组合结构在运营阶段的截面正应力(主力作用下)列于表11。

各组合结构充分发挥了加劲结构的作用，主梁截面的正应力均在允许范围内，满足了高速铁路桥梁设计规范的相关条文规定[18]。

5 组合结构桥式方案的综合比较分析

3种组合结构桥式方案的上部结构主要工程指标如表12所示。

表12 3种组合结构桥式方案主要工程指标

从经济、美观、技术先进性、列车运行动力性能、徐变变形、施工与养护等方面综合比较3种组合结构桥式方案，结果见表13。

表13 方案综合比较

注：经济性以连续刚构加劲钢桁组合结构为参照进行比较。

由表13可见，3种组合结构都能体现出技术先进、后期维护量小、徐变变形小、对无砟轨道高速行车适应性较好的特点。

6 结语

以西延高铁王家河特大桥为研究背景，对连续刚构加劲拱组合结构、连续刚构部分斜拉桥、连续刚构加劲钢桁组合结构进行了深入研究，详细论述了各组合桥式结构的受力特点、设计难点、结构设计及关键力学性能研究。

连续刚构加劲拱组合结构的拱、梁、吊杆刚柔相济，造型优美；主梁后期徐变变形较小，对无砟轨道高速行车适应性较好；整体结构刚度大；主梁主拉应力略大，梁高较高，圬工量较大；拱肋结构较高，施工、养护难度较大。

连续刚构部分斜拉桥的桥塔高耸，宏伟壮观；主梁后期徐变变形较大，刚度较小；上部结构造价较高；斜拉索在施工过程中可起到“永临结合”的效果，对主梁受力改善较大，节省梁部圬工。斜拉索张力较大，需进行二次调索，施工复杂且难度较大；斜拉索加劲效果受温度等因素影响较大。

连续刚构加劲钢桁组合结构的造型简洁，形式较新颖，景观效果一般；加劲桁加劲效果有限，主梁徐变变形接近规范限值，需增加备用措施；加劲钢桁与混凝土主梁的连接及受力较为复杂；主梁受力状态较差，应力水平较高；上部结构造价较低；桥面较宽，主梁较笨重，圬工量大。

通过分析可知，在高铁无砟轨道大跨桥梁中应用这3种PC组合结构均有较好的适用性，在200～300 m跨度是非常有竞争力的桥式结构，各具特点。结合桥址处工程建设条件，王家河特大桥将采用连续刚构加劲拱组合结构。