铁路500 m跨度上承式拱桥桥式方案研究

杨欣然 李 艳 季伟强

(中国铁路设计集团有限公司 天津 300308)

1 引言

拱桥具有跨越能力强、结构刚度大、承载能力高、抗风性能良好、行车动力性能优、养护工作量小等特点[1]，上承式拱桥成为艰险山区高速铁路大跨度桥梁的最佳桥型之一，尤其适用于跨越两岸陡峭的V形深沟。

上承式拱桥主要包括钢桁拱桥、钢管混凝土拱桥、钢筋混凝土拱桥三种类型[2]。我国结合高速铁路的建设实践，对上承式拱桥的合理构造、受力变形行为、徐变控制、施工建造工法等开展了较为系统的研究，并先后建设了沪昆北盘江、准朔铁路黄河特大桥、大瑞铁路怒江特大桥、拉林铁路藏木特大桥等多座大跨度拱桥，其中主跨445 m沪昆高速铁路北盘江大桥，为世界上最大跨度劲性骨架混凝土拱桥[3]；准朔铁路黄河特大桥主跨360 m，为铁路最大跨度上承式钢管混凝土拱桥[4]；拉林铁路藏木特大桥主跨430 m，为铁路最大跨度中承式钢管混凝土拱桥[5]；大瑞铁路怒江特大桥主跨490 m，为世界上最大跨度钢桁拱桥[6]。

近年来，拱桥在国外的高速铁路中的应用也日益增多，西班牙、德国均建成了多座大跨度混凝土拱桥，典型工程为西班牙的阿尔蒙特河大桥，采用了主跨384 m上承式混凝土肋拱[7]。在建的有印度奇纳布河大桥，采用了跨度467 m上承式钢桁拱桥。

2 铁路跨径500 m上承式拱桥拱肋结构比选

2.1 桥址概况

结合某铁路项目，桥址区为典型高山深切“V”型峡谷地貌，坡陡谷深，桥高约350 m，覆盖层较浅，岩石裸露，卸荷裂隙较深，基岩为花岗闪长岩。拟采用主跨500 m上承式拱桥方案。

2.2 主要技术标准

(1)线路等级:国铁Ⅰ级，客货共线。

(2)正线数目及线间距:四线铁路(桥上设越行站)，线间距5 m。

(3)设计荷载:ZKH荷载。

(4)轨道类型:有砟轨道。

(5)速度目标值:200 km/h。

(6)桥梁工点平面线形:直线。

(7)地基本烈度:7度，地震动峰值加速度Ag＝0.18 g。

2.3 上承式拱桥拱肋结构比选

本桥为跨度500 m上承式拱桥，经调研大跨度拱桥矢跨比范围，并根据拱脚建造条件，拟定矢高105 m，矢跨比1/4.76，如图1所示。拱上结构采用10×40.8 m连续钢箱梁[8]，设置11处立柱，拱座采用斜井基础。钢桁拱桥、钢管混凝土拱桥、劲性骨架混凝土拱桥均可行，需进行比选研究。

图1 主跨500 m上承式拱桥立面图(单位:m)

(1)钢桁拱方案

钢桁拱采用提篮变高“N”形桁架，拱顶处桁高11.0 m，桁宽22 m，拱脚处桁高16.0 m，桁宽32 m，节间长度为10.2 m，拱轴线采用悬链线，拱轴系数1.8。拱肋弦杆件采用箱形截面，截面宽度为2 200 mm，截面高度为2 600 mm，腹杆截面根据受力采用箱形或H型截面，两片拱肋弦杆在节点处通过横向联结构成整体，横联采用K字型结构形式。拱肋采用Q500qENH钢材。

(2)钢管混凝土拱方案

钢管混凝土拱肋采用提篮变高桁架，拱顶处桁高11.0 m，桁宽22 m，拱脚处桁高16.0 m，桁宽32 m，节间长度为10.2 m，拱轴线采用悬链线，拱轴系数2.0。单片拱肋的上下弦杆主管均采用2根内径1 800 mm的直缝钢管，弦杆的两根钢管通过通长的缀板连接成哑铃型，钢管横向间距为2.8 m。上下弦杆之间采用“H”型或“口”型双腹杆连接，两片拱肋弦杆在节点处通过横联连成整体，横联采用“米”字型结构形式。拱肋钢管采用Q500qENH钢材，拱肋钢管内混凝土采用C70高性能自密实补偿收缩混凝土。

(3)劲性骨架混凝土拱方案

劲性骨架混凝土拱桥采用箱形肋拱结构，拱轴线为悬链线，拱轴系数m＝3.0。两榀拱肋从拱脚向拱顶内倾形成提篮拱，拱肋为单箱单室、等宽、变高箱形截面，拱顶拱肋间中心线间距13 m，拱脚拱肋间中心线间距32 m。劲性骨架采用钢管桁架结构，全断面由8根内径φ1 100 mm钢管组成，内灌C70自密实补偿收缩高性能混凝土，外包混凝土采用C60高性能混凝土。

(4)拱肋结构比选

通过对三种方案的静动力分析，在结构静力、抗震性能、动力特性等方面，三种桥式方案均可行，均满足规范要求，主要计算结果见表1。

表1 方案主要计算结果对比

钢桁拱桥技术成熟，具有跨越能力强、施工便捷、结构自重轻、抗震性能好等优点，但钢桁拱桥存在温度变化敏感、用钢量大、经济性差等缺点。劲性骨架混凝土拱桥具有结构刚度大，对温度变化不敏感等优点，但同时存在拱圈自重大，施工工序多，施工工期长等缺点。钢管混凝土拱桥采用组合结构，充分发挥了钢材与混凝土的材料特性，与混凝土拱桥相比强度更大，与钢桁拱桥相比刚度更大，具有跨越能力强、结构刚度大、温度敏感性低、施工便捷、经济性好等优点。各方案的结构动力特性及拱肋工程数量见表2。

表2 结构动力特性及拱肋工程数量

从工程造价、施工难易、施工工期、运营期养护维修等方面进行综合比较，推荐采用钢管混凝土拱方案。

3 铁路跨度500 m上承式钢管混凝土拱桥关键设计参数比选

大跨度钢管混凝土拱桥关键设计参数主要包括拱肋结构、拱上立柱、拱上梁型等，由于篇幅所限，以前面方案比选推荐的钢管混凝土拱桥基础资料为例，本文仅对拱肋结构的拱轴系数、拱肋倾角、拱上立柱参数比选进行阐述。

3.1 拱轴系数

对拱桥而言，拱轴系数直接决定了主拱圈的线形，而主拱圈的线形决定了其控制截面的内力和位移大小与分布。进行拱轴系数比选分析时，拱轴系数取值范围1.2～3.0。

(1)拱轴系数与拱肋刚度的关系

经计算比较，拱肋活载挠度随着拱轴系数的增大而增大，拱轴系数m＝1.2与m＝3.0相对差值为10%。梁端转角随着拱轴系数的增大而减小，m＝1.2与m＝3.0相对差值为－1%。

(2)拱轴系数与拱肋内力的关系(见图2)

图2 拱轴系数与拱肋内力关系

由图2可知:

①拱顶上弦拱肋钢管及拱肋混凝土轴力(压力为负值)与拱轴系数呈正相关，对应m＝1.2和m＝3.0，主力工况下钢管轴力差值为26%，混凝土轴力差值为28%。

②拱顶下弦拱肋钢管及拱肋混凝土轴力(压力为负值)与拱轴系数呈负相关，对应m＝1.2和m＝3.0，主力工况下钢管轴力差值为－33%，混凝土轴力差值为－23%。

③拱脚上弦拱肋钢管及拱肋混凝土轴力(压力为负值)与拱轴系数呈正相关，对应m＝1.2和m＝3.0，主力工况下钢管轴力差值为31%，混凝土轴力差值为30%。

④拱脚下弦拱肋钢管及拱肋混凝土轴力(压力为负值)与拱轴系数呈负相关，对应m＝1.2和m＝3.0，主力工况下钢管轴力差值为－17%，混凝土轴力差值为－16%。

(3)拱轴系数与拱肋抗震性能的关系(见图3)

图3 拱轴系数与拱肋抗震性能关系

由图3可知:

①对于横向地震、纵向地震，m＝1.2～2.0范围时，拱肋钢管最大应力(压应力为负值)与拱轴系数整体基本呈负相关，m＝2.0～3.0范围时，拱肋钢管最大应力(压应力为负值)与拱轴系数整体基本呈正相关。

②对于横向地震、纵向地震，m＝1.2～3.0范围时，拱肋混凝土最大压应力(压应力为负值)与拱轴系数呈正相关，最大应力与最小应力相对差值分别为11%、19%。

(4)小结

综合以上分析，拱轴系数m＝2.0时拱管与拱管混凝土轴力分布较为均匀，拱脚弯矩相对适中，拱肋用钢量相较于其他方案增加不多，地震工况构件总体应力水平较好，推荐拱轴系数采用m＝2.0。

3.2 拱肋倾角

双肋式桁架拱横向布置有平行拱与提篮拱两种方式，通常提篮拱形式能提供更大的横向刚度[9]，同时能节约拱肋间横向联接系工程量，但是提篮拱形式由于拱肋带有倾角，施工较平行拱形式要困难。本文对两种拱肋空间形式进行了研究。

方案一:平行拱方案

根据《铁路桥涵设计规范》，拱肋中心距不宜小于计算跨度的1/20，同时考虑两岸拱座处地形条件，两片拱肋中心线间距取28 m。

方案二:提篮拱方案

拱肋内倾角度4.09°，拱顶中心距为17 m，拱脚中心距为32 m，拱肋平联及拱上立柱相应调整。

(1)竖向挠度

活载作用下，平行拱方案拱肋竖向挠度127.1 mm，提篮拱方案拱肋竖向挠度123.2 mm，提篮拱方案竖向刚度有所增大。

(2)运营工况拱肋构件应力

在主力工况，提篮拱较平行拱的拱肋构件应力减小幅度为1% ～3%，相差不大。在主附工况下，提篮拱较平行拱的拱肋钢管及管内混凝土应力略有增加，但拱上立柱的应力水平减小幅度达到12%。

(3)抗震性能分析

由表3可知，横向地震工况下，提篮拱较平行拱的拱肋构件应力水平下降幅度较大，提篮拱方案的抗震性能较好。

表3 横向地震工况拱肋构件应力(负值表示压应力)

(4)小结

综上，提篮拱方案相较于平行拱方案，在结构静力相应相差不大；提篮拱方案在地震工况下，构件应力水平总体相对较低。提篮拱的平联和拱上立柱用钢量较平行拱方案有所降低，经济性较好。推荐采用提篮拱方案。

3.3 拱上立柱构造研究

(1)拱上立柱方案

对于钢管混凝土拱桥来说，拱上立柱材质可采用钢立柱、混凝土立柱、钢混组合立柱三种形式。

方案一:钢立柱方案

拱上立柱采用框架形钢立柱，立柱根部与主桁架节点板相连，顶部设置横梁放置支座。拱上立柱共有5种类型，最高为78.5 m，最矮为4.9 m。拱上立柱采用箱形断面，横桥向宽2.8 m，最高立柱顺桥向宽3.2 m，其余宽2.8 m，板厚28～40 mm。立柱之间采用K型撑连接，撑架直杆采用箱形断面，断面宽1 m，高1 m，斜杆采用H型截面，宽1 m，高0.8 m。

方案二:混凝土立柱方案

混凝土立柱截面采用空心刚架立柱，横桥向宽3.5 m，顺桥向长4.0 m，壁厚60 cm；立柱盖梁采用箱形截面，盖梁高3.5 m，宽度与立柱顺桥向长度一致，壁厚40 cm，为预应力混凝土构件。立柱之间采用K型撑连接，K撑直杆、斜杆采用箱形截面，高2.0 m，宽2.0 m，壁厚40 cm。

方案三:钢混组合立柱方案

拱上立柱采用混凝土立柱方案结构型式，立柱间连接系采用钢结构，其中斜撑采用H型截面，宽1 m，高1 m，横撑采用箱形截面，宽1 m，高1 m。

(2)静力计算

由表4可知，相较于钢立柱方案，混凝土及组合立柱方案，拱桥各部件受力均有一定程度的增加。钢立柱方案，拱肋混凝土最大拉应力出现在拱脚处。混凝土立柱方案，拱肋混凝土最大拉应力出现在2＃立柱与拱肋相交处。钢混组合立柱方案，拱肋混凝土最大拉应力出现在2＃立柱与拱肋相交处。

表4 拱桥各构件应力对比(负值表示压应力)

(3)抗震分析

由表5可知，相较于钢立柱方案，混凝土及钢混组合立柱方案，拱桥各部件受力均有一定程度的增加，混凝土立柱方案应力增加量略大于组合立柱方案，应进行弯矩曲率抗震性能检算。

表5 横向地震工况各构件应力对比(负值表示压应力)

(4)小结

相较于钢立柱方案，混凝土立柱方案节省了5 204 t钢材，增加9 790 m3混凝土；相较于钢立柱方案，钢混组合立柱方案节省了4 030 t钢材，增加6 645 m3混凝土，均有效提高了结构经济性。

混凝土立柱或钢混组合立柱，相较于钢立柱，在运营工况下拱肋构件应力水平有所增加，其中柱底拱肋混凝土在主附工况下局部拉应力有所增大，可通过局部应力分析确定加强措施。

综合考虑结构受力和技术经济性，推荐采用钢混组合立柱。

4 铁路大跨上承式钢管混凝土拱桥抗震措施研究

虽然地震作用下通过弯矩曲率法计算能够满足抗震要求，考虑拱管内受拉区混凝土开裂退出工作，震后修复困难，建议大跨度拱桥研究采用合适的减隔震措施[10]。

4.1 减隔震支座

经分析拱桥的横向地震控制设计，可通过拱上立柱与钢梁间增加摩擦摆支座来降低地震工况结构响应[11]。为分析摩擦摆支座减震效应，除拱顶采用固结外，其余支座均采用摩擦摆支座，采用时程法进行了检算，构件应力对比见表6，拱结构及拱上立柱均取得较好的减震效果。

表6 横向地震工况各构件应力对比(负值表示压应力)

4.2 拱肋间设置防屈曲支撑

防屈曲支撑是一种新型的支撑形式，在罕遇地震发生时，防屈曲支撑结构体系通过防屈曲支撑的屈服耗能，在主体结构进入弹塑性变形前率先发挥用，来转移并消耗地震输入结构的能量，从而减小结构的振动和变形，避免或延缓其遭受损伤或破坏，此为防屈曲支撑耗能减震原理[12]。

研究将主拱部分米字型横撑的斜杆改为防屈曲支撑，见图4，计算时按屈曲后刚度为屈曲前刚度的0.03倍进行取值。

图4 防屈曲支撑布置(红色杆件为防屈曲支撑)

设置防屈曲支撑后，横向地震工况下拱肋构件应力明显下降，见表7，减震率达到48%，效果显著。

表7 横向地震工况各构件应力对比(负值表示压应力)

4.3 小结

(1)采用双曲面球型减隔震支座对横向地震力有较为明显的减隔震效果，但支座间相对水平位移较大，应采取横向限位措施。

(2)采用防屈曲支撑对横向地震力有较为明显的减隔震效果，减震效果与防屈曲支撑的设置位置和数量有明显关系，实际工程采用时应进行详细的实施研究。

5 结语

(1)对位于典型高山深切“V”型峡谷地貌的500 m跨度铁路上承式拱桥比选了钢桁拱、钢管混凝土拱及劲性骨架混凝土拱三种方案，在结构静力、抗震性能、动力特性等方面，各方案均可行。从结工程造价、施工难易、施工工期、基础规模、运营期养护维修等方面进行综合比较，钢管混凝土拱方案更优越。

(2)500 m上承式钢管混凝土拱桥的拱轴系数m＝2.0时拱管与拱管混凝土轴力分布较为均匀，拱脚弯矩相对适中，拱肋用钢量相较于其他方案增加不多，地震工况构件总体应力水平较好，拱轴系数采用m＝2.0合理。

(3)500 m上承式钢管混凝土拱桥的提篮拱方案相较于平行拱方案，在结构静力相应相差不大；提篮拱方案在地震工况下，构件应力水平总体相对较低，用钢量较平行拱方案降低约4%，综合考虑提篮拱方案较好。

(4)拱上钢混组合立柱比钢立柱可节省4 030 t钢材，可有效提高结构经济性；运营工况下拱肋构件应力水平有所增加，可通过局部加强解决。综合考虑结构受力和技术经济性，推荐采用钢混组合立柱。

(5)上承式钢管混凝土拱桥的减隔震措施研究了双曲面球型减隔震支座和防屈曲支撑，对横向地震均有较明显的减隔震效果，但减隔震支座相对水平位移较大，应采取横向限位措施；防屈曲支撑的设置位置和设置数量对减震效果影响较大，实际采用时应进行详细研究。