客货共线铁路混凝土系杆拱桥梁设计

张志勇, 陈思孝

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

1 设计概述

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，具有跨越能力大、梁部结构高度小、轻盈美观等优点[1]，该桥型适用于桥下净空受限且对跨越能力要求较高的桥位处，在我国铁路桥梁建设中应用较多。海西线丰头新村双线特大桥位于海南省，地处滨海平原地貌，地势低平开阔，跨规划道路。因桥下规划道路的标高控制，桥下净空高度受限，且滨海地区钢结构腐蚀问题突出，设计综合比选采用了主跨68 m混凝土系杆拱桥。该桥的总布置图如图1所示。

图1 主跨68m混凝土系杆拱桥立面布置

2 主要技术标准

(1)铁路等级：I级铁路，客货共线。

(2)桥上线路：双线，线间距5.0 m，平面直线，纵坡1.2 %。

(3)设计行车速度：200 km/h。

(4)设计活载：中活载。

(5)轨道结构：有砟轨道。

(6)地震动峰值加速度：≤ 0.1g。

3 结构设计

桥梁全长70 m，支承中心间距为68 m，理论矢高13.6 m，矢跨比为1/5，拱轴线为m=1.268的悬链线。梁部划分为10个节间，除端节间长9.2 m外，其余节间长6.2 m，拱肋中心距为11.4 m，净宽10.4 m。

梁横向为单箱三室，跨中梁高2.8 m，梁底宽12 m，梁顶宽14.4 m；梁端部加高至3.3 m。跨中箱梁顶板厚35 cm，底板厚为40 cm，中腹板厚度为35 cm，边腹板厚度为60 cm，在梁端部加厚。在各吊杆位置设50 cm厚横隔板，在箱梁端部设3.0 m端横梁，中横隔板与端横梁中部设有供检查人员通过的进人孔洞，跨中附近中腹板位置设有横向进人孔洞。

拱肋为钢筋混凝土构件，矩形截面，高2.0 m，拱趾处加高至3.45 m；拱肋宽1.0 m。两拱肋之间除第一、二个节点为满足桥上净空要求不设横撑外，其余节点均设钢筋混凝土横撑与拱肋连接。横撑为矩形截面，在与拱肋交接处采用倒角过渡，以避免角隅处应力集中。系梁截面及拱肋截面如图2所示。

图2 系梁截面及拱肋截面

吊杆采用柔性吊杆，圆形截面，其构成为GJ15-27新型环氧喷涂整体挤压成束钢绞线，由27根φ15.2 mm环氧喷涂钢绞线组成，fpk=1860MPa。外套大小HDPE护套，其间填充防腐油脂，吊杆锚头处采用锚头防水防腐保护罩，吊杆外露部分采用外径小于20 cm不锈钢护套包裹以免意外或人为损坏。吊杆采用在拱肋顶单端张拉，采用锚具GJ15-27型锚具锚固，吊杆下端设置长效型传感器，以监控索力变化情况。

梁体纵向预应力均采用9-φ15.2高强度低松弛钢绞线，抗拉强度标准值fpk=1860MPa，锚下控制应力1 302 MPa。

在拱脚处垂直于拱轴线方向设置竖向预应力，采用公称直径32 mm的PSB830预应力混凝土用螺纹钢筋。

4 结构计算与分析

4.1 计算模型

本文采用 Midas Civi软件建立了三维计算模型，均采用梁单元模拟，模型如图3所示。

图3 主桥模型

4.2 主要计算结果

4.2.1 结构竖向刚度

从表1可知，本桥系梁竖向挠度及梁端转角均远小于规范限值，说明结构具有足够的刚度[2]。

表1 竖向刚度检算

4.2.2 梁部检算

(1)应力检算：运营阶段拱肋和梁体应力如表2所示。

表2 拱肋及梁体应力(压为正，拉为负)

由上表2可知，梁体为预应力混凝土构件，在主力和主+附荷载作用下，均处于受压状态，最大压应力小于规范限值，满足规范要求。拱肋为普通钢筋混凝土构件，在主力和主+附荷载作用下，拱肋上缘均处于受压状态，最大压应力小于规范限值，而拱肋下缘在主+附作用下出现0.94 MPa的拉应力，通过适当配筋是满足受力要求的，均满足规范要求[3]。

(2)正截面抗裂性：梁体最不利截面安全系数Kf=1.8。

(3)斜截面抗裂性：梁体最大主拉应力为-0.88 MPa，最大主压应力为9.03 MPa。

(4)正截面抗弯强度检算：梁体最不利截面安全系数K=2.24(主力)，K=2.13(主+附)。

4.2.2 吊杆检算

运营阶段吊杆应力计算结果如表3所示。

表3 吊杆计算结果

由表3可知，吊杆最小安全系数均大于3.0，安全性高。吊杆活载应力幅满足规范要求。

4.2.3 结构自振特性

结构前五阶自振频率如表4所示，第一阶结构自振振型如图4所示。

表4 结构自振特性

图4 结构第一阶振型

由主桥结构自振振型和频率分析可知，第一、二阶振动为主拱横弯，第三阶为桥梁整体竖弯，说明桥跨结构拱肋的横向刚度相对较弱，桥梁整体竖弯自振频率为2.730 Hz，说明桥梁结构整体竖向刚度较大。

4.2.4 结构屈曲分析

本桥两榀拱肋中心距11.4 m，横撑采5道1字型撑，稳定分析计入自重、二期恒载、满布双线活载影响。通过midas建模计算得知临界荷载系数9.06，由此可知该桥失稳安全性较高。

5 设计要点

(1)对于系杆拱桥的系梁，是同时承受轴向拉力和弯矩的构件，同时承受多点支承。对于混凝土系梁，其顶板和底板均应配置全桥拉通的钢束，用以抵抗轴向拉力。同时，应在梁端附近配置少量弯起的腹板束，用以抵抗剪力。由于梁端拱梁固结，导致梁端存在一定的负弯矩，宜在梁端按照“悬臂梁”原理配置一定的钢束。

(2)梁端拱梁交接处，拱脚的推力由系梁承担，这个推力 是通过梁拱结合处的剪力传递给系梁，因此，梁拱交接处的长度需满足受剪要求，同时应配置足够的抗剪钢筋。

(3)吊杆间距和吊杆力数值的确定是系杆拱桥设计关键之一，设计应重点考虑，以满足运营安全的同时降低造价[4]。

6 结束语

本文采用midas通用软件计算分析主跨68 m混凝土系杆拱桥，得到了该桥应力、位移、稳定性等均满足规范要求，对混凝土系杆拱桥的设计要点进行了总结，为同类桥梁的设计提供了参考。海南西环铁路丰头新村双线特大桥于2015年底建成通车，目前运营状况良好。混凝土系杆拱桥造型美观，桥下净空要求低，跨越能力强，混凝土耐久性好，养护维修相对钢桁梁简单，造价低，是单跨120 m左右桥梁较为理想的一种选择。