高速铁路大跨度连续梁拱桥设计

高速铁路大跨度连续梁拱桥设计

刘叶行

（中铁十六局集团第二工程有限公司，天津 300000）

摘 要：城市化进程的加快和经济的发展推动我国高速铁路的建设，我国的地形地势较为多样，大跨度的连续梁拱桥拥有广阔的应用空间。科学合理的设计是高速铁路大跨度连续梁拱桥正常施工和顺利运行的重要保障。文章结合我国目前大跨度连续梁拱桥的设计和施工实例，就桥体的受力特点、分析计算过程以及设计要点进行了分析，并对拱桥变形的影响因素以及结构改进措施等进行了阐述。

关键词：高速铁路；组织结构；连续梁拱桥设计

随着交通运输事业的不断发展，人们对于高速铁路的经济性、安全性、平顺性等提出了更高的要求。连续梁拱桥与传统拱桥相比，对于材料指数和地基的要求较低，跨越能力和动力稳定性更高，且造型更为美观，施工更为方便，拥有较高的实用价值。这种大跨度连续梁拱桥可以适应较大的荷载，直接跨越运河的设计在满足通航要求的同时降低了施工成本。

1 连续梁拱桥工程概述

大跨度连续梁拱桥可充分满足现代交通运输对于桥体荷载和运河通航的要求，这种新型组合结构由于刚度较大因而稳定性和安全性更高。连续梁拱桥的手里特点变现为拱肋与梁体共同受力，其中轴压拉力与弯矩主要由主梁承担力主要由拱肋承担。其中拱肋轴力可以竖向分力承担剪力，为了使主梁处于最佳的受力状态确保桥梁的正常使用可以对吊杆的拉力进行适当的调整。梁拱桥的结构外形较之传统的拱桥结构更为轻巧美观，这主要是因为梁拱组合结构可以减小剪力的峰值以及弯矩，结构的竖向刚度更大，主梁的梁体界面高度更矮，对竖向荷载的承受能力更强。

某大跨度连续梁拱桥的主桥立面布置图如图1所示。这种一跨跨越运河的设计不需要在河内设置桩基、承台等建筑，桥梁的建设工期可以得到有效的控制，成本也有所降低，对运河航道的影响也更小。其中钢管混凝土是拱肋的主要材料，这些材料的应用可以加强中孔的竖向刚度从而提高桥梁的整体稳定性，中跨主梁的结构高度以及跨中桥面的标高也得到了降低，整个引桥的长度得以缩短，造价显著降低。优美流畅的外形也使得桥体与周围的环境更为融合，桥体的宏伟壮观使得该桥成为高速铁路上的一大亮点。

图1 连续梁拱桥主桥立面布置（单位：cm）

2 梁拱桥结构特点

2.1 结构特点分析

大跨度连续梁拱桥为了保证受力的科学性采用组合结构，其中拱肋需要承受一部分的活载以及横载，这部分的负荷是通过吊杆传到拱肋处的，拱肋产生的水平推力以及传送至拱肋处的荷载最后由主梁根部进行承担，主梁此时除了承重还承担系杆的部分作用。大跨度连续梁拱桥的组合结构需要根据桥体的不同承重特点和周围环境特点进行确认，常用的刚性连续梁柔性工组合结构中主梁是其最主要的承重结构，梁体自身的重量是需要主梁单独承担的，为了确保主梁的稳定性一般采取悬灌施工方式，而活载以及后期的恒载则是由拱和梁共同承担的。京沪高速铁路镇江京杭运河特大桥成桥时，吊杆力占中跨二期恒载总重64%；在全桥满布列车活载下，拱肋承担的竖向列车活载，占中跨范围总竖向列车活载的38.4%。

2.2 施工方法

在大跨度连续梁拱桥建设中一般来说主梁的施工会先于拱桥的桥体，并将拱桥的桥面作为施工的工作面，由矮支架拼装成的拱肋钢管可以进行竖向的转换，从而确保二者的受力的均匀性，以发挥连续梁拱桥的结构优势。在正式进行施工时首先需要进行主梁的浇筑，挂篮悬臂是较为常用的浇筑设备。主梁浇筑完成后需要将边孔进行合龙并拆除临时支墩，之后主梁的中孔也要进行合龙操作。然后是钢管拱肋的拼装，矮管支架是其主要的原料。将拱桥的桥面作为工作面，借助施工设备和桥面塔架让拱肋进行竖向的转体就位，并对拱顶和拱脚采取合龙和固结操作。此后需要进行缀板并根据设计的索力要求对吊杆力进行调整。

3 结构静力计算

大跨度连续梁拱桥的结构静力计算主要包括四个部分：主梁纵向静力计算、主梁横向静力计算、拱肋静力检算和杆静力检算。

主梁的强度、抗裂性以及应力的计算方式可以根据环境以及施工技术的不同存在差异。其中温度、ZK活载经历都会对主梁的纵向静力等产生影响。以京沪高速铁路镇江京杭运河特大桥为例，其梁体下挠的最大梁端转角0.097%，梁体反弯的最大梁端转角0.047%。 成桥约五年后，主梁边跨中后期徐变下挠-18.4 mm，主梁中跨中后期徐变上拱18.3ram。主梁的横向静力计算需要根据有无吊杆分布分别进行计算。其中有吊杆区域可以沿纵向截取适当的主梁，并将其简化成在腹板下缘三点进行支撑的双孔框架，弹性和刚性支撑进行包络计算。无吊杆区不需要在吊点处加竖向集中力。活载、恒载以及温度变化是主梁横向计算的要素，根据温度的不同可以分为寒潮和日照两种模式进行计算。

拱肋的检算主要包括拱肋强度计算、整体稳定性计算以及运营阶段的应力计算。确定出拱肋的极限承载力后可以对其安全系数进行估算，而整体稳定性与安全系数直接相关。在进行吊杆检算时需要采取极限计算法，即将吊杆置于最不利的荷载条件下计算吊杆的最大拉应力、最大轴力、最大活载应力幅和强度安全系数。运营阶段，在最不利荷载作用下京沪高速铁路镇江京杭运河特大桥吊杆强度安全系数K=5.15。吊杆最大活载应力幅136MPa。

4 桥梁局部应力分析

连续梁拱桥拱座与梁体的交界处的应力分析至关重要，腹板以及横隔板在此处相交，由于梁顶竖向、横向以及纵向的应力都在此处汇聚因而该区域的应力较高。同时该处还有大吨位支座的设置，更是加剧了该部分设计的复杂性，在桥梁设计的过程中也要对该区域给予足够的关注。

首先它需要承受由主梁和拱肋产生和传导而来的弯矩与轴力、主梁方向的拉力以及支座的反力三个方向的预应力，除此之外拱肋产生的巨大推力以及横梁的弯矩力也需要该模块承受，这种复杂的受力情况增加了应力计算的难度。为了提高横隔板横向受力的计算难度可以采用配筋设计，并采用撑杆压杆原理进行计算。拱座与梁体交界处的应力计算结果表明：该区域的下缘压应力大于梁体的顶缘压应力，其中拱座顶面没有拉应力的出现，充分证明了预应力施加的有效性。由于该区域需要承受来自拱肋、梁体以及支座的集中应力，在设计时可以在该处增加钢筋，从而对集中的应力进行缓和。

5 徐变变形以及梁拱桥适应性

5.1 徐变变形的内涵

徐变变形普遍存在与混凝土结构的建筑工程中。高速铁路的大跨度连续梁拱桥的徐变变形主要指的是桥梁结构会在荷载大小一定的情况下继续变形现象。徐变变形的存在会导致桥梁内部受力分布和几何线形发生改变，过度的徐变变形将导致桥梁轨道的正常使用，桥梁和铁路轨道的维护难度和维护成本随之增高，行车安全性也会受到影响，严重的还会导致高速铁路交通事故的出现。混凝土的质量、空气的湿度、温度、铁轨构件的规格等等都会对徐变变形的速度产生影响。

5.2 减小徐变变形的对策

可以从多个方面对连续梁拱桥的徐变变形进行控制。一是控制混凝土的正应力取值。主要考虑恒载情况下梁拱桥的徐变变形，一般来说混凝土应力超过其轴心抗压强度的0.4倍之后将会有非线性变形的出现，因而需要将其控制在0.4倍以下。二是加载龄期的选择。加载龄期过短，会导致徐变增大，现行施工规范规定加载时混凝土强度大于设计强度的80%。对于重要结构，加载时限定在设计强度的100%。除此之外还包括车桥耦合计算以及结构刚度的正确取值等等。

6 结束语

综上所述，高速铁路大跨度连续梁拱桥设计至关重要，相关政府部门以及施工企业要提高对其重视程度，完善设计流程，提高计算分析精度，通过设计质量的提高促进后续施工的顺利进行。主桥采取连续梁拱桥设计可以降低主梁支点等处的截面高度，施工难度大大降低，施工成本也得到了有效的控制，除此之外桥体的造型更为美观，提高了高速铁路拱桥的观赏度。

参考文献：

[1]谢大鹏,胡国伟. 高速铁路大跨度梁拱组合桥钢管拱原位拼装方案设计研究[J].高速铁路技术,2014,(3):100-104.

[2]韩兴,蔡子龙,李鑫,等.高速铁路大跨度钢管混凝土拱桥车桥耦合振动仿真分析[J].铁道标准设计,2016,(4):36-39.

[3]谢翔.铁路既有线铁路钢桥钢板梁换梁施工技术[J].住宅与房地产,2015,(28):46+52.

[4]王清海.挂篮施工技术在铁路桥梁施工中的应用[J].工程技术研究,2016,(8):73+110.

中图分类号：TU208.5

文献标志码：A

文章编号：2096-2789（2017）01-0210-02

作者简介：刘叶行（1983-），男，研究方向：铁路施工。