武廣鐵路客運專線140 m鋼箱系桿拱橋設計及其在高速鐵路中的應用

金福海,文功啟,徐 勇

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司橋梁處,武漢 430063)

1 橋式應用背景

武廣鐵路客運專線設計時速350 km,軌道結構為無砟軌道,橋梁結構設計活載采用ZK活載。在汀泗河特大橋上跨高珠高速公路處(89號～90號墩),擬采用1-140 m下承式鋼箱系桿拱橋。京珠高速公路雙向四車道,路面寬28 m,與鐵路夾角為30°,需采用大跨度橋梁。

鋼箱拱橋由于具有拱橋受力性能良好且造型優美,兼鋼結構橋梁自重輕、建筑高度小、跨越能力大、施工周期短的特點,因而此種橋式在跨越高等級公路及河流時具有較好的優越性。也正是由于以上諸多優點,在鐵路建設尤其是國外高速鐵路中,鋼箱拱是一種常見的橋式,如法國地中海高速鐵路線上的棟澤爾橋,該橋拱跨2×110.3 m,總長324.6 m；還有Avignon橋,該橋主跨124 m[1]。比利時在布魯塞爾—德國邊界高速鐵路線上修建了一座下承式系桿鋼拱橋Wisele bridge,主跨117 m,雙線鐵路,有砟橋面。在德國、意大利、日本等發達國家的高速鐵路中,也有類似橋型的應用。國內目前缺少建造客運專線、高速鐵路大跨度鋼箱系桿拱橋的經驗,可查到的國外已建類似橋梁的資料都較為粗略,與設計、計算有關的資料不多。2006年鐵道部科技司決定立項“武廣鐵路客運專線下承式鋼箱系桿拱橋關鍵技術研究”,對該橋式進行詳細科學研究。在1-140 m鋼箱系桿拱橋的設計中,應用了科研課題的主要成果。

2 鋼箱拱橋結構特點及結構設計

2.1 橋型布置

本橋全長143 m,計算距徑140 m,全橋布置見圖1～圖3。

圖1 鋼箱拱立面(單位：mm)

圖2 縱橫梁平面(單位：cm)

圖3 鋼箱拱側面(單位：cm)

2.2 拱肋

拱肋線型采用二次拋物線,計算跨徑140 m,矢跨比1/5。

拱肋采用變截面鋼箱,截面理論高度4.5～3.0 m,以適應拱肋均勻受力；鋼管寬為2.0 m,每隔3 m左右設置橫隔板,與拱肋中線垂直布置,用以保證大截面鋼箱的局部穩定性。

兩側拱肋平行布置,中心間距16 m,全橋寬18 m。橋面布置在拱肋內側。

2.3 橫撐

兩拱肋之間共設5道一字橫撐,確保拱肋的整體穩定性,橫撐采用鋼箱截面,內寬1.18 m,外高適應拱肋截面高度的變化,高度為1.8～2.332 m。

2.4 橋面

橋面板采用┕┙混凝土板,通過剪力釘與縱橫梁結合,見圖4。橋面板一般厚度300 mm,在縱橫梁處加厚到350 mm,在板端設置高770 mm,寬400 mm的邊梁,以減少板邊的混凝土拉應力。橋面系采用“半結合”的形式,即橋面板與縱橫梁結合,與系梁不結合,在“半結合”橋面下,整個橋面系受力明確且施工方便。

圖4 橋面布置(單位：mm)

2.5 系梁與縱橫梁

系梁為等截面鋼箱,梁高3.5 m,內寬1.94 m。橫梁為抵抗較大的面外彎矩均設為箱形截面。其中,端橫梁為適應梁端布置及受力要求,采用了較大的橫向截面；縱梁一般采用與橫梁等高(2.0 m)的工形截面,在與端橫梁連接的端縱梁采用了箱形截面,以減少梁端橋面板的拉應力。

2.6 吊桿

吊桿采用工形剛性吊桿主要考慮避免了后期吊桿的更換,減少維護量,同時為整體拖拉法施工作準備,吊桿在拖拉的過程中可承受一定的壓力。為減少風振,在吊桿腹板上開設了過風孔。

3 主要計算成果

3.1 靜力計算結果

本橋在靜活載及荷載組合作用下,主體鋼結構的應力均能滿足規范要求,見表1。

表1 主體鋼結構最大應力 MPa

在靜活載作用下,系梁最大豎向位移值為4.87 cm,撓跨比1/2 817<1/1 000；梁端最大轉角為1.86‰。

3.2 橋面結合方式的比選

由于傳統明橋面不適應客運專線高速行車的要求,目前較為常用的有混凝土道砟板橋面結構、混凝土整體橋面結構、正交異性板整體鋼橋面結構等。當鋼混凝土全結合時,系梁充當了一般鋼桁架的弦桿的功能,屬拉彎構件,尤其是在梁端處,混凝土的名義拉應力超出了規范要求,很難保證后期橋面的耐久性。本橋選擇“半結合”這種橋面形式進行了詳細研究,對11種橋面形式進行了比較計算[2],擇優選定了┕┙板,在此種橋面形式下,混凝土的拉應力不超過5.5 MPa,通過高配筋,最大裂縫可控制在0.2 mm以內。

3.3 無砟軌道的適應性

由于軌道高平順與高穩定的要求[3],對橋梁上部結構提出了非常嚴格的規定[4]。本橋由于梁端轉角偏大,最大轉角值達1.86‰,且支座中心距梁端1.5 m,為適應無砟軌道的要求,在本橋與鄰跨32 m梁間設置了過渡梁。見圖5。

圖5 梁端過渡梁立面布置(單位：mm)

為滿足相鄰梁梁端兩側的鋼軌支點橫向相對位移值不大于1 mm的要求,本橋在端橫梁下設置了橫向限位裝置——剪力榫,實現支座功能的分離。同時,為使列車上橋上軌道的變形達到平順效果,基于列車在橋最長工況,采用單線滿載實際運營列車活載作用下的撓度值作為軌道預拱設置的依據,見圖6,實橋行車試驗表明效果良好。

圖6 單線滿橋CHR3型列車活載下預拱設置值(單位m)

3.4 車橋動力性能

經車橋耦合計算,最大脫軌系數0.52<0.8；最大輪重橫向水平力35.9 kN<80 kN；Sperling舒適性指標2.73<3.0,最大豎向加速度0.97 m/s2<4.9 m/s2。各項計算指標表明：140 m鋼箱拱橋具有較好的動力學性能,能夠滿足上述高速列車運行安全性與舒適性要求。

3.5 成橋穩定性能

計算以下2種工況：(1)載荷只有重力；(2)載荷加恒載、活載、側向風載；

兩種工況下特征穩定系數見表2。

表2 兩種工況下特征穩定系數

第一階最小穩定系數達到9.1,模態表現為拱肋側傾失穩,到第六階才出現局部失穩現象。特征系數表明結構具有足夠的穩定性。

3.6 局部應力分析

拱腳和吊桿與拱肋連接處、拱腳處由于梁拱相交,且屬支座錨固區,構造復雜,處于復雜應力狀態。局部應力分析計算結果見圖7、圖8。

圖7 拱腳應力分布

圖8 吊桿根部應力分布

計算結果表明,拱腳總體應力水平不高,主力作用下等效應力絕大部分區域在100 MPa以下。在過人孔和系梁與拱腳的連接處有局部應力集中現象,但等效應力都不超過200 MPa；吊桿最大應力值161 MPa,應力水平均在規范許可范圍內。

4 結語

140 m下承式鋼箱系桿拱橋作為武廣鐵路客運專線重點控制工程,在國內外同類橋梁中也是跨度最大的,首次運用了縱橫梁結合橋面體系。通過采取一系列的設計措施,該橋經受了350 km/h行車試驗。本橋具有良好的強度與剛度,動力性能良好,建筑高度低,施工方法靈活,橋式經濟美觀。

[1] 劉春彥.法國地中海線高速鐵路橋梁的技術特點及建議[J].鐵道標準設計，2005(5).

[2] 文功啟,金福海,徐 勇.武廣鐵路客運專線140 m鋼箱系桿拱橋在無砟軌道中的應用[J].鐵道工程學報,2007(S1).

[3] 趙國堂.高速軌道無砟軌道結構[M].北京:中國鐵道出版社,2006．

[4] 鐵建設[2007]47號,新建時速300～350 km客運專線設計暫行規定[上、下][S].