銀西高速鐵路拱加勁連續鋼桁梁結構設計

繆文輝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043)

銀西高速鐵路拱加勁連續鋼桁梁結構設計

繆文輝

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 西安 710043)

依據防洪評價報告，銀西高鐵銀川黃河特大橋跨越黃河主河槽最小跨徑需160 m以上。文章從美觀、造價、施工難易度、結構受力分析等方面綜合比較分析了平行弦連續鋼桁梁、變高弦連續鋼桁梁、拱加勁連續鋼桁梁3種設計方案的優缺點，最終推薦采用3×168 m等跨拱加勁連續鋼桁梁結構跨越黃河主河槽方案。介紹了該方案的設計要點、組合結構的受力規律、結構的剛度、材料用量及施工方案，通過增加拱肋的方式，大大增加了結構的剛度，使每孔結構的受力規律與簡支結構類似，改善結構的受力條件，克服等跨布置受力缺陷。該橋在施工及運營階段的剛度、強度均滿足規范要求，具有良好的動力特性，為同類橋梁的設計施工起借鑒作用。

黃河特大橋； 168 m連續鋼桁； 拱加勁鋼桁梁； 橋式方案

1 工程概況

銀西鐵路(正線)從陜西西安北站引出，途經禮泉、乾縣、永壽、彬縣、慶陽、慶城、環縣、惠安堡、吳忠、銀川等縣市，線路總長617 km，設計行車速度先期250 km/h，預留350 km/h，Ⅰ級鐵路，線間距5.0 m,有砟軌道。

銀西高速鐵路在河東機場處跨越黃河，百年一遇洪峰流量 6 160 m3/s，上游距既有太中銀黃河橋16.5 km，距正在建設的永寧黃河公路橋7.5 km，下游距銀古高速黃河特大橋3.2 km。考慮橋位下游不足4km有3座橋，同時為盡量減少建橋后壅水高度及影響范圍，黃河水利委員會黃河水利科學研究院編制的《銀川機場黃河特大橋防洪評價報告》建議主河槽最小跨徑160 m以上。

寧夏回族自治區交通運輸廳回函說明，該段黃河通航等級為內河航道Ⅴ級，黃河特大橋凈空受通航橋孔凈空尺寸：凈寬80 m、上底寬72 m、側高5.5 m，凈高8 m，以及百年一遇洪水位1 109.58 m控制。

該處黃河河堤寬1 800 m，河堤內橋梁孔跨布置形式為96 m簡支鋼桁+2聯(3×168)m拱加勁連續鋼桁梁+96 m簡支鋼桁梁+12-56 m簡支箱梁，分別采用96 m鋼桁和56 m簡支箱梁跨越河堤路，且在主河槽內的主墩偏向河堤側，不影響主河槽內的通航要求，主橋立面如圖1所示。

圖1 主橋立面示意圖(cm)

2 結構形式比選

能夠適應上述跨度的結構均為鋼結構，本次設計比較了平行弦連續鋼桁梁、變高弦連續鋼桁梁、拱加勁連續鋼桁梁3種方案。

在荷載條件相同的前提下，簡支鋼桁架橋與同等跨度簡支箱梁橋相比，外荷載產生的彎矩并沒有變化，只是外彎矩的平衡機理不同。根據設計經驗，一般情況下桁高為跨度的1/8左右。

2.1 平行弦連續鋼桁梁

平行弦連續鋼桁梁方案(如圖2所示)支點上弦48 767 kN，支點下弦400 584 kN，跨中上弦39 803 kN，跨中下弦40 371 kN。優點：技術成熟，施工方便，可采用平推就位或拖拉法進行施工，工期較短；缺點：由于跨度大，需要鋼桁桁高較高，用鋼量大，且在施工中，需在河道中設置臨時墩，對河道影響較大，同時跨中撓度和梁端轉角難以滿足要求，對于3跨等跨連續結構，受力極不合理。

圖2 平行弦連續鋼桁梁景觀效果

2.2 變高弦連續鋼桁梁

變高弦連續鋼桁梁方案(如圖3所示)支點上弦39 484 kN，支點下弦29 971 kN，跨中上弦42 004 kN，跨中下弦42 032 kN。優點：在支點處增加桁高，符合連續梁結構受力特點，技術較成熟，施工較方便，可采用平推就位或懸臂拼裝進行施工；缺點：用鋼量較大，因桿件類型較多，施工復雜，跨中撓度和梁端轉角不滿足要求。

圖3 變高弦連續鋼桁景觀效果

2.3 拱加勁連續鋼桁梁

拱加勁連續鋼桁梁比較了平行弦加拱和加勁弦加拱2個方案。

若采用平行弦連續鋼桁梁加拱，支點上弦 28 360 kN，支點下弦9 902 kN，跨中上弦6 773 kN，跨中下弦23 102 kN，拱頂軸力18 950 kN，拱腳軸力 23 820 kN，支點斜腹桿軸力31 730 kN。

采用加勁弦連續鋼桁梁加拱方案(如圖4所示)，支點上弦23 297 kN，支點下弦8 157 kN，跨中上弦5 859 kN，跨中下弦22 200 kN，拱頂軸力18 400 kN，拱腳軸力22 544 kN，支點斜腹桿軸力28 841 kN，V撐軸力29 948 kN。優點：加拱后結構剛度較大，造型美觀，施工方便，用鋼量較省，也可采用平推或懸臂拼裝進行施工，若采用對稱懸拼施工方案，可不設置臨時墩，對河道影響較小，在支點處設V撐增加桁高后，結構受力更合理，可減小墩高，降低基礎工程量；缺點：加拱后結構高度變高，采用鋼絞線作為吊桿，并施加預應力，施工工藝復雜，要求更高，中支點處為結構受力薄弱點，支點負彎矩集中，上弦受拉較大，采用加高桁高后，可明顯改善。

圖4 拱加勁連續鋼桁梁景觀效果

2.4 比選結論

綜合上述論述的主要內容，整理如表1所示。

表1 方案比選表

3 結構設計

3.1 主桁構造

主梁采用下承式連續鋼桁梁橋，為加大結構剛度，減小主梁分擔彎矩，在各跨均設置鋼箱加勁拱。主梁采用帶豎桿的等高度三角形桁架，桁高12 m，兩片主桁間距12.2 m，節間距根據邊中跨吊桿布置不同采用11.0 m、12.0 m，拱肋按圓曲線布置，矢高24 m，中跨矢跨120 m，矢跨比1/5，中跨矢跨132 m，矢跨比1/5.5。為抵抗連續鋼桁支點處較大負彎矩，在中支點處設置V撐增加桁高，V撐高14 m。

主桁梁部位采用焊接整體節點結構形式，上、下弦桿在節點外拼接，斜腹桿采用對接形式與整體節點拼接，其腹板接頭板焊于節點板上。上、下弦桿及斜腹桿均采用全截面拼接。拱采用拼裝節點。主桁上下弦桿采用帶肋箱形截面，上弦桿內寬 1 000 mm、高 1 100 mm，下弦桿內寬1 100 mm、內高1 300 mm。拱肋弦桿采用箱形截面，桿件外寬1 000 mm，桿件高1 300 mm，每塊板各設一道加勁肋。主桁斜桿、豎桿采用箱形或H形截面，腹板內寬1 000 mm，翼板寬800 mm。

3.2 吊桿設計

一聯梁部共設62根鋼絞線吊桿，吊桿間距邊跨11 m，中跨12 m，吊桿采用柔性吊桿，圓形截面，外徑9.7 cm，其構成為OVM250-61Z智能型平行鋼絞線拉索體系，由 61根φ7環氧涂覆鋼絞線組成(σb=1 860 MPa)，外套雙層 HDPE 護套保護層，吊桿外露部分用鋼護套包裹。吊桿在拱肋頂單端張拉，在上弦桿設固定端錨箱。

3.3 橋面系構造

正交異性板整體橋面結構是節點橫梁、節間橫梁及帶U型縱肋的鋼橋面板組合結構。U型縱肋橫向間距800 mm，板厚10 mm，頂寬400 mm、底寬300 mm、高300 mm。U型縱肋的跨距是3.125 m，并且全聯連續，遇節點橫梁、節間橫梁的腹板時開孔穿越。節點橫梁、節間橫梁均為倒T形截面，在下弦節點處設置節點橫梁，節點之間設置節間橫梁，其間距為3.125 m，節點橫梁、節間橫梁高約為1.5 m，節點橫梁翼緣板寬600 mm，節間橫梁翼緣板寬460 mm。跨中橋面布置如圖5所示。

圖5 跨中橋面布置示意圖(mm)

3.4 聯結系構造

上弦及拱肋間設上平面縱向聯結系，交叉式結構。縱向平聯斜桿及橫撐均采用工字形截面桿件，端橫撐翼板厚24 mm，寬420 mm，腹板厚20 mm，外高500 mm。中間橫撐翼板厚20 mm，寬420 mm，腹板厚16 mm，外高496 mm。斜桿翼板厚20 mm，寬400 mm，腹板厚16 mm，外高496 mm。 鋼桁梁端斜桿上設斜向橋門架，在上弦每個節點均設中間橫聯，橋門架及橫聯均采用板式結構。

4 推薦方案計算分析

4.1 簡化計算比較

推薦方案為鋼桁梁與拱的組合結構，為探明結構的受力特點，掌握組合結構的荷載傳遞規律，采用簡化平面模型對結構進行分析，簡化思路為將簡支鋼桁和簡支梁、簡支鋼桁加拱和簡支梁加拱進行受力分析。

首先比較簡支梁與簡支鋼桁，使簡支梁能完全模擬鋼桁的剛度，主力下，簡支梁和簡支鋼桁跨中豎向位移155 cm。

簡支梁加拱后，跨中位移27 cm，加拱后位移變為未加拱的17%，考慮正交異性板的剛度貢獻后，整體剛度可增加12.5%，即加拱后，梁體分擔的彎矩約為未加拱簡支梁彎矩的20%。

簡支梁加拱跨中彎矩165 000 kN·m，為純簡支結構跨中彎矩的18%。簡支鋼桁加拱下弦拉力24 600 kN，上弦壓應力2 700 kN，跨中彎矩為163 800 kN·m，與簡支梁加拱效果等效，符合該結構的受力特點。

4.2 連續鋼桁加拱計算

內力比較，三跨等跨純連續梁結構，邊跨跨中彎矩M=0.08×ql2=573 500kN·m，中跨跨中彎矩M=0.025×ql2=179 200kN·m，支點彎矩M=0.1×ql2=717 000kN·m，所以邊跨和中跨的彎矩差異太大。連續梁加拱后，簡支梁與連續梁的跨中彎矩差別不大，均為160 000kN·m左右，但考慮是連續鋼桁施工方便，采用連續鋼桁方案。中支點加V撐后，可減小支點負彎矩，同時減少中跨跨中彎矩。

4.3 主要計算結論

縱向計算采用MidasCivil程序進行平面及整體桿系受力分析。將主桁、拱、吊桿按照實際斷面建模，根據結構的實際施工順序進行結構離散，按照實際結構的支撐情況模擬結構邊界條件。

橫向計算及下部計算時，建立空間梁格模型，主桁桿件采用空間梁單元，橋面橫梁、橫肋和縱向加勁肋采用空間梁單元，各部構件均按結構設計尺寸建模，根據結構特點，進行結構離散。計算模型如圖6所示。

圖6 空間計算模型

結構在各項荷載作用下的支座反力如表2所示。

表2 支反力表

根據《高速鐵路設計規范》，該橋168 m跨度主桁在ZK靜活載作用下,梁體的豎向撓度不大于123 mm，梁部結構在列車靜活載作用下，橋梁梁端豎向轉角不應大于2‰。主桁豎向剛度見表3。

表3 主力下主梁變形計算結果表

梁端最大轉角為1.67‰ rad。最大豎向位移為63 mm，撓跨比為1/2 666。主桁豎向剛度滿足規范要求。在列車橫向搖擺力、風力的作用下，梁體的水平撓度最大17.2 mm，水平撓跨比1/9 767，滿足規范橫向撓度不大于1/4 000要求。

4.4 主橋梁工程量分析

本橋主桁及拱肋桿件材質采用Q370qE和Q370qE-Z35，拼接板及填板材質采用Q345qD，連接系、橋面系材質采用Q345qD和Q345D。 一聯主結構用鋼量95 694 t，平均19.4 t/m，具體分項數量表見表4。

表4 主橋主要數量表

4.5 施工方案簡述

鋼桁梁采用懸臂拼裝，鋼桁梁所有桿件均在工廠制造，試拼裝后運至現場拼裝。

步驟一：基礎、墩身施工完成后，在邊墩承臺旁拼裝墩臺，用塔吊在墩旁拼裝50 t提升站架梁吊機；在邊跨安裝支架，并在其他各橋跨的跨中位置修建臨時墩。

步驟二：利用提升站吊機架設前5個鋼梁節間；然后用提升站吊機在第5個鋼梁節間上拼裝架梁吊機。

步驟三：利用架梁吊機，在支架上拼裝第一孔鋼梁；在鋼梁的下弦鋪設運梁走道；利用架梁吊機，對稱懸臂拼裝平弦部分剩余桁梁。

步驟四：利用架梁吊機由右向左拼裝拱肋和吊桿；通過頂落支點等措施，在拱頂按順序進行拱肋合攏。

步驟五：拱肋合攏后，拆除支架、拱肋間臨時連接；拆除支架吊機及塔吊；進行橋面槽碴槽板施工。本橋計劃總工期32個月。

5 結束語

對于大跨橋梁結構，采用傳統的單一結構形式難以滿足結構跨度要求，所以必須采用組合結構，尋找組合結構的受力規律，才能更好地認識和利用該結構。本文比較了平行弦連續鋼桁梁、變高弦連續鋼桁梁、拱加勁連續鋼桁梁3種結構方案，通過美觀、造價、施工難易度、結構受力分析等技術比較，推薦采用拱加勁連續鋼桁梁方案，介紹了該方案的設計要點、組合結構的受力規律、結構的剛度、材料用量及施工方案。

由于高速鐵路對結構的剛度要求較高，所以梁體截面剛度很大，如拱肋截面剛度與系梁截面剛度的比值小于1/80～1/100時，拱肋可視為僅承受軸向壓力的柔性拱。本橋拱肋剛度為主梁剛度的1/210，但因主梁為受彎構件，拱肋為受壓構件，所以組合后整體剛度增加5倍。

本橋采用3×168 m等跨結構跨越黃河主河槽，對于一般連續結構，等跨布置受力極不合理，但通過增加拱肋后，大大增加了結構的剛度，使每孔結構的受力規律與簡支結構類似。平行弦支點處負彎矩較大，上弦桿應力大，在支點處下弦增加加勁弦，可明顯改善拱腳處的受力狀況。

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Design of Arch Stiffening Continuous Steel Truss on Yinchuan-Xi’an High Speed Railway

MIAO Wenhui

(China Railway First Survey and Design Group Ltd., Xi’an 710043， China)

According to flood control evaluation report, the minimum span of Yinchuan Yellow River Bridge on Yinchuan-Xi’an high speed railway across the Yellow River main river channel shall be more than 160m. The design uses a 168m span continuous structure across the main river channel. This paper compares the merits and demerits of three designing schemes such as parallel chord continuous steel truss girder, truss high variability continuous steel truss girder and arch stiffening continuous steel trussfrom the aesthetics, cost, difficulty of construction, structural stress analysis and other factors, finally 3×168 m equal span stiffening chord continuous steel truss girder is recommended. Then the design point of the program, the forced law of composite structure, stiffness of the structure, the amount of material and construction programs are introduced. The results show that the bridge meets regulatory requirements of stiffness and strength in the construction and operation by adding the arch ribs. The bridge has a good dynamic characteristics, design and construction of similar bridges from reference.

Yellow River super major bridge；168 m continuous steel truss；arch stiffening steel truss；bridge type scheme

2016-01-04

繆文輝(1982-)，男，工程師。

1674—8247(2016)02—0080—05

U448.2

A