128 m下承式尼爾森提籃系桿拱橋設計及其應用

文功啟

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063）

1 橋式應用及特點

128 m下承式尼爾森提籃系桿拱是由我院開發(fā)，能很好適應鐵路在跨越高等級公路、主要城市道路及河流時所用橋型。該橋式是在原我院設計的宣杭線東茹溪112 m下承式提籃系桿拱的基礎上，研究開發(fā)的系列跨度下承式尼爾森體系提籃系桿拱（96，112，128，140 m）之一。目前該橋型已成功應用于甬臺溫沿海鐵路、京滬高速、寧杭、杭長及鄭開等多條線路當中。該橋式按雙線鐵路技術標準設計，是一種應用成熟且經(jīng)濟性很好的橋型。

本橋型外部屬簡支靜定、內(nèi)部超靜定自平衡結構，對基礎的適應性強［1－2］。但由于拱肋的內(nèi)傾或外傾，使得拱肋線型較常規(guī)平行拱要復雜，結構的空間效應較強。斜拉的吊桿增強了結構的強度與剛度。與其他鋼管混凝土橋相比，尼爾森體系提籃系桿拱主要有如下結構特點［3］：①結構體系力學性能優(yōu)良；②橋梁剛度大，有良好的結構穩(wěn)定性；③動力性能好，能提供很好的行車安全及舒適度指標；④結構超載能力強；⑤外部靜定，建筑高度低，橋式美觀。

另外，本橋可根據(jù)現(xiàn)場施工條件，靈活采取“先梁后拱”或“先拱后梁”的施工方法。在“先拱后梁”的施工方法中，由于要采用臨時墩拱固定，且在張拉體外索的同時，拱上設掛籃施工系梁分段，體系轉換多，考慮結構及施工的復雜性，一般盡量優(yōu)先采用“先梁后拱”施工方案。

2 提籃拱結構設計

2.1 橋型布置

本提籃拱全橋長132 m，計算距徑128 m，全橋布置見圖1～圖3。

圖1 提籃拱橋立面圖（單位：c m）

圖2 提籃拱橋平面圖（單位：c m）

圖3 提籃拱橋側面圖（單位：c m）

2.2 拱肋

線型采用二次拋物線，矢跨比1／5。拱肋采用豎置啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高3.4 m，等高布置；鋼管直徑為1 200 mm，由厚18 mm的鋼板卷制而成，每根拱肋的兩鋼管之間用δ＝16 mm的腹板連接。每隔一段距離，在圓形鋼管內(nèi)設加勁環(huán)和加勁角鋼，在腹板縱向加勁肋間設計拉筋，以防管內(nèi)微膨脹混凝土灌注時腹板發(fā)生向外的變形。

拱肋在橫橋向內(nèi)傾9°，形成提籃式，拱頂處兩拱肋中心距7.846 m，拱腳處兩拱肋中心距16.2 m。

2.3 橫撐

兩拱肋之間共設5道橫撐，拱頂處設X形撐，拱頂至兩拱腳間設4道K形橫撐。橫撐各框架均作共面設計。橫撐由直徑600，500和360 mm的圓形鋼管組成，鋼管內(nèi)部不填混凝土，其外表面需作防腐處理。

各橫撐均由幾個空間平面框架構成，如K撐由3個平面框架組成，而一個平面內(nèi)有4個點，斜撐中4個點如果不共面，由此產(chǎn)生的附加力對結構是不利的，而且這個問題往往被設計者忽視。下面簡單介紹4點共面設計。如圖4所示，拱肋上、下弦管s1，x1；一字撐上下弦偏中2點s2，x2。

圖4 橫撐設計示意圖

計算時，可先給定s1，x1及s2的空間座標，由3點的空間座標（xi，yi，zi）能確定一個平面：

分別將3點坐標代入后，可確定3個未知數(shù)B，C，D，進而確定平面方程式。

現(xiàn)考察x2點，設其坐標（xx2，yx2，zx2）。由于x2位于一字撐下弦直線上，而直線的方程是確定的（順橫向xx2及豎向yx2座標已定），進行聯(lián)立式（2）可確定下弦直線與平面的交點即為x2的座標：

值得注意的是，在設計中，由于鋼管的構造偏心要求，s2不能取上一字撐上弦的中心點，需向y向偏移合適的距離。

2.4 系梁

系梁按整體箱形梁布置，采用單箱三室預應力混凝土箱形截面，橋面箱寬17.8 m，梁高2.5 m；拱腳順橋向8 m范圍內(nèi)設計成實體段，橫橋向寬度由17.8 m增加至18.8 m，截面漸變處設過渡段。系梁頂、底板厚度均為30 c m，邊腹板厚度35 c m，中腹板厚度為30 c m。底板在3.0 m范圍內(nèi)上抬0.50 m，以減小風阻力，見圖5。對應吊點處設橫梁，橫梁厚度為0.4 m。系梁兩端底板上設進人孔，每個箱室均設檢查孔，便于在箱內(nèi)對吊桿等進行檢查與換索。底板上設截水槽和泄水孔，邊腹板與中腹板上設通氣孔。

圖5 系梁橫截面（單位：c m）

系梁按全預應力構件設計，縱向設78束12-7Φ5預應力筋，橫隔板上設4束12-7Φ5預應力筋，橫向在底板設3、4-7Φ5的橫向預應力筋。

2.5 吊桿

吊桿布置采用尼爾森體系，每2根吊桿只交叉一次，吊桿與系梁的順橋向水平夾角在50.462°～68.662°之間，橫橋向水平夾角為81°。吊桿間距為8 m，2交叉吊桿之間的橫向中心距為341 mm。吊桿采用127根直徑7 mm高強低松弛鍍鋅平行鋼絲束，冷鑄鐓頭錨，索體采用PES（FD）低應力防腐索體，并外包不銹鋼防護。吊桿上下端設有保護罩，更換方便，吊桿更換時遵循對稱原則，每次可對稱更換2對，吊桿正常更換時需限速行駛。

提籃拱采用尼爾森體系的吊桿后，內(nèi)外吊桿的座間坐標比平行拱要復雜得多，需通過一系列的計算，主要是確定吊桿傾角。如圖6約定坐標系：拱肋設計起點為原點，大里程順橋向方向為X軸，高度方向為Y軸，Z向為橫橋向指向梁體外方向。

圖6 吊桿座標計算示意圖（單位：c m）

吊桿的內(nèi)傾角計算關鍵是確定吊桿與拱肋與系梁的交點坐標，設定系梁高h，拱肋側傾角為β，內(nèi)外吊桿間距Δ。吊桿與拱肋x軸交點坐標向量為x0，由拱肋方程y＝f（x）可知，吊桿與拱肋交點y坐標向點為f（x）；吊桿與系梁錨固點的交點坐標向量為x1，錨固點距梁面高度為h0，側吊桿與錨固點的y坐標為

相繼求出各吊桿的傾角為

3 結語

128 m下承式尼爾森提籃系桿拱橋主體結構采用了鋼管混凝土拱肋、整體單箱三室預應力系梁及尼爾森體系的吊桿，使結構具有良好靜、動力學性能的同時，整體橋面剛度大，能適應不同等級鐵路的技術要求。設計前，應對工點的技術標準進行充分研究，尤其是曲線時要對橋面布置仔細分析，以便確定合適的橋面寬度。在架橋機與運梁車需過橋時，合理安排橫撐的位置以滿足各種限界要求，并對各種工況進行檢算，以保證結構的安全。

由于橋式跨度大，建筑高度低，直梁、曲拱、斜吊桿的合理搭配極具韻律和美感，在鐵路橋梁建設中具有良好的推廣應用前景。

［1］ 蔡紹懷.現(xiàn)代鋼管混凝土結構［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［2］ 陳寶春.鋼管混凝土拱橋計算理論研究進展［J］.土木工程學報，2003，36（12）：48-49.

［3］ 馮楚橋.高速鐵路無咋軌道112 m尼爾林體系提籃系桿拱橋設計［J］.鐵道工程學報，2007（S）：232-239.