大跨度鋼箱疊拱橋在高速鐵路中的應用研究

劉彥明

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043)

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大跨度鋼箱疊拱橋在高速鐵路中的應用研究

劉彥明

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

新建哈爾濱-大連高速鐵路跨越長春市富民大街設計采用138m鋼箱疊拱，為國內首次采用的新型拱橋結構，是目前國際上同類橋梁中的跨度最大、位于嚴寒地區的橋梁，也是國內第一座應用實體圓鋼吊桿鐵路橋梁，對該橋應用中的關鍵技術實體圓鋼吊桿的連接及低溫疲勞特性、拱腳的合理構造及局部應力、對無砟軌道適應性、車橋耦合動力效應等進行了系統計算分析和試驗研究，其研究成果已應用于新開河特大橋中，詳細介紹橋式方案及在高速鐵路應用中的關鍵技術研究成果。

鐵路橋；高速鐵路；鋼箱疊拱橋；關鍵技術；應用研究

1　工程概況

本橋為哈大高速鐵路新開河特大橋跨越長春市富民大街而設[1]，本段線路位于直線、平坡段，線路與富民大街夾角為31°，因該橋毗鄰長春西站，建筑高度及城市景觀需求，設計采用1-138 m簡支鋼箱疊拱結構。哈大高鐵為一次雙線，線間距5 m，設計速度目標值350 km/h，鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道。該橋地處低溫嚴寒地區，最低溫度達-36.5 ℃。橋址處地震動峰值加速度值0.10g(相當于地震基本烈度七度)，地震動反應譜特征周期0.45 s。建成后的全橋實景見圖1。

圖1　新開河特大橋1-138 m鋼箱疊拱橋

2　橋式方案

本橋橋式為L=138.7 m下承式鋼箱疊拱，拱肋由2個寬2.0 m、高1.8 m等高度箱形截面組成，上下拱肋在跨中間距最大達7.0 m，在拱腳處聯結在一起。兩側系梁中心距16.0 m，采用等寬變高度鋼箱截面，梁寬2.0 m，跨中梁高3.4 m，拱腳處梁高4.5 m。在每線軌道下方附近各設置1道縱梁，全橋共4道；中橫梁為高3.4 m工字形截面，相鄰橫梁之間的中心距離均為8.0 m；端橫梁為高4.5 m、寬6.5 m等高度箱形截面。上、下拱肋之間連桿及吊桿均采用強度460 MPa級實心圓鋼，連桿直徑為100 mm，間距2.667 m；吊桿直徑為130 mm，間距8.0 m。兩榀拱肋之間設3道“X”橫撐，橫撐縱向間距24 m。

鋼箱疊拱與常規系桿拱相比，不僅造型更加優美，富有動感，而且由于雙層拱肋間距為跨中大、支點小的特點，可以更有效地增加跨中豎向剛度，減小跨中撓度，同時改善拱肋中的彎矩分布的不均衡，受力結構更為合理。

圖2　鋼箱疊拱橋平、立面布置(單位：mm)

鋼箱疊拱橋方案還有如下優點。

(1)高速鐵路橋梁在平原地區跨越道路時，由于線路標準高，往往與道路夾角角度很小，需要采用較大的跨度跨越。混凝土連續梁結構當跨度較大時需要建筑高度較高，采用下承式系桿拱結構可以有效降低橋梁建筑高度和局部路段的線路高程，節約投資。

(2)常規系桿拱采用混凝土箱梁系桿、鋼管混凝土拱肋、預應力吊桿，在跨度較小時是適宜的，但跨度加大后，由于材料不同，在溫差作用下，特別是日照溫差作用下，結構的受力分配將產生較大的變化，同時線路不平順條件也急劇惡化。本橋系桿和拱肋均采用鋼結構，吊桿采用圓鋼實心吊桿，可以從根本上避免上述弊病產生。

(3)目前國內剛性吊桿應用較多為工字鋼吊桿，高速鐵路因行車速度高，線路標準高，往往與道路小角度交叉，工字鋼吊桿截面較大，會影響該橋整體美觀性，而本橋設計采用實心圓鋼吊桿， 吊桿外觀纖細，通透性更好，景觀效果更佳，更適合在城區建設。

(4)系桿拱結構普遍采用的預應力吊桿，盡管采用了多種防護措施，但吊桿的耐久性問題仍然未徹底得到解決，如何有效地解決預應力鋼材的銹蝕及吊桿防護材料的老化問題，尚無可靠的手段，本橋采用圓鋼實體吊桿有效的解決吊桿耐久性問題。

(5)該跨度簡支鋼箱疊拱橋經軌道專業檢算可以不設鋼軌溫度調節器，同時采用疊拱結構及實體圓鋼剛性吊桿，大大提高了結構的變形剛度，更適應鋪設無砟軌道的要求，大大增加了列車走行的平順性、安全性及乘坐的舒適性，減少線路養護維修的工作量。

3　主要研究內容

3.1實體圓鋼吊桿的合理構造和疲勞特性

實體圓鋼吊桿因比柔性吊桿能降低梁端轉角，減小撓跨比值，增大結構剛度，吊桿受力更均勻；比傳統的工字形截面吊桿外觀纖細，景觀效果更佳，同時安裝更簡單，方便調整吊桿張力、降低施工精度要求、節約用量等諸多優點而備受關注，但實體圓鋼超長吊桿的連接、與系梁拱肋的連接問題，特別是低溫嚴寒條件下長期承受列車動荷載疲勞應力幅無法滿足鐵路規范要求，為阻礙其應用的最關鍵技術問題[2]。

該橋中吊桿為受力最大桿件，最大應力達210 MPa，最大應力比達0.62，疲勞應力幅達80 MPa。系梁頂至下拱肋底最大距離為28 m，而一根實體圓鋼最長為12 m，因此超長吊桿的連接不可避免，同時也存在與系梁拱肋連接問題。為方便安裝、應力調整、后期更換等，設計采用通過連桿的螺扣連接形式，螺扣連接的疲勞問題成為解決吊桿疲勞應力的關鍵。吊桿試驗中首次根據吊桿廠家原有工藝水平生產10根試件，對其中的6根進行了疲勞試驗，并繪制了S-N曲線，試驗結果很不理想，得到試件常溫下疲勞應力幅只有75.89 MPa，無法滿足設計需要。經認真研究分析其原因，找到問題所在，提出了幾個方面的具體措施：增加吊桿端部墩粗頭的直徑；改變螺頂高度，使螺頂形成縱向緩坡；改善螺齒形狀和表面狀態，使螺齒間更為平順。按實施措施改進后的工藝制作5根試件進行疲勞試驗，對應于200萬次的疲勞應力幅自最初的75.89 MPa，不能滿足設計要求，到研究改進后提高至159.77 MPa，提高幅度達110%。吊桿的疲勞試驗見圖3。

由于新建哈大線為高速鐵路，設計使用年限為100年，從預期運營頻次看，在長春西站遠期預計達178對/d，在設計使用年限內吊桿的疲勞反復應力次數可能超過200萬次。故對該橋吊桿應考慮最不利情況，按照疲勞循環次數1 000萬次對應的強度為疲勞裂紋不擴展的強度，即為疲勞截止限考慮。根據國內外相關研究得到[3-4]：常溫下改進后的吊桿承受運營拉拉疲勞荷載的疲勞極限強度應在120～124 MPa范圍內。

該橋地處我國東北長春市長春西站附近，屬于低溫嚴寒地區，最低溫度達-36.5 ℃，應考慮吊桿的低溫斷裂韌性對允許疲勞應力的影響[5]，對低溫嚴寒狀況下疲勞問題進行相關試驗研究，吊桿材質為35CrMo高強度鋼，主要進行了室溫、-20、-40、-50 ℃共四級溫度的直三點彎曲CTOD試驗，共完成4個試件，試驗結論：35CrMo材質斷裂韌性與Q370qE相當，35CrMo材質的實體圓鋼吊桿在低溫下的疲勞容許應力幅需按常溫下應力幅的0.8系數進行折減。吊桿材料的低溫斷裂試驗見圖4。

圖3　吊桿的疲勞試驗

圖4　吊桿材料的低溫斷裂試驗

同時進行了吊桿與耳板的連接試驗研究，提出2套可實施方案[6]，首先采用大型有限元分析軟件ANSYS建立節點塊體單元模型，進行數值對比及理論分析，找出最優方案，進行了1∶1的實體模型試驗驗證，掌握了吊桿耳板銷軸的構造應力分布特征和設計荷載下吊桿圓鋼、U形銷座的最大應力部位和數值，同時探索了焊接及銷軸成孔工藝，保證加工精度。試驗結果顯示：吊桿(35CrMo)與耳板(Q370qE)的共同工作情況良好，整個吊桿結構的破壞是吊桿光滑圓鋼部位率先屈服，吊桿可以作為大橋可更換構件。吊桿與耳板連接試驗見圖5。

圖5　吊桿與耳板連接試驗

3.2大跨雙箱疊拱拱腳合理構造試驗研究。

雙層疊拱在拱腳相交在一起，其傳力途徑發生改變，其構造處理最為重要；由于該橋為跨度近140 m鋼結構，支座反力近3.00×104kN，支座上方受力最為復雜，隔板局部最大應力達206 MPa，疊拱拱腳構造是否合理成為設計成敗的關鍵[7]。

針對新開河138 m鋼箱疊拱橋拱腳，設計并加工1∶2比例的拱腳模型進行模擬實橋受力狀態的靜力加載試驗和焊接殘余應力測試[8]。為掌握試件應力分布情況，同時校對試驗加載，首先采用9.0版ANSYS空間有限元結構分析通用軟件建造有限元模型進行數值分析，優化加載方案，提出了測試重點。

對模型試件分別進行了軸心加載測試：設計荷載(10 100 kN)作用下試驗、最大加載(14 560 kN)時作用下試驗，以及偏心靜載測試(試驗加載見圖6)：最大荷載(6 500 kN)作用下向上偏心加載試驗、向下偏心加載試驗，并采用盲孔法進行了各種材料和結構的殘余應力分析和研究。

圖6　拱腳加載試驗

加載試驗方案真實模擬了實橋邊界受力條件，得到了拱腳結構應力流分布狀況，掌握了拱腳結構的受力和傳力途徑，實測結果與有限元分析相符。研究表明，拱腳應力流具有指向性，主應力基本上順著拱肋方向指向支座和系梁方向，上下拱肋對應拱腳隔板應力分布比較均勻，驗證了拱腳結構設計的合理性。

3.3對鋪設無砟軌道的適應性研究

目前只有法國的地中海線設計2座鋼箱疊拱橋[9]，但均采用有砟軌道，而本橋鋪設板式無砟軌道，對梁端轉角、線路平順提出了更高要求。有砟軌道相鄰兩孔梁之間的梁端轉角之和不應超過4‰，而無砟軌道為不應超過2‰，又因鋪設無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側的鋼軌支承點橫向相對位移不應大于1 mm，而有砟軌道無此限制。采用疊拱結構、實體圓鋼吊桿本已對橋梁的豎向剛度改善較大，但由于該橋跨度大、為充分發揮鋼材的材料性能，其豎向剛度相對于混凝土結構往往相差較大，因此大跨度鋼箱疊拱拱橋梁端轉角及梁縫兩側鋼軌支承點間的相對橫向位移成為控制設計的主要因素。

為解決梁端轉角問題，從以下2種途徑進行了研究分析，一種為從軌道進行研究采取措施，放寬對大跨鋼箱疊拱橋的梁端轉角及相對豎向位移的要求，在梁縫處軌道結構上設置短梁；另一種為從大跨鋼箱疊拱橋的構造上進行研究，無砟軌道在梁端鋪設在端橫梁上，梁縫兩側鋼軌支承點間的相對豎向位移與梁端轉角由支點至梁端的距離決定，在兩端轉角不變的情況下，減少支點至梁端的距離，可有效減小豎向位移及梁端轉角。第一種方案需要設置短梁，構造復雜，后期養護工作量大；第二種方案從鋼箱疊拱橋構造上通過內移橫梁即可解決，簡單有效，設計最終采用第二種方案。

該橋拱肋橫向間距較大，支座位于拱腳下方，其支座橫向間距因構造控制達到14 m，而相鄰的簡支箱梁支座橫向間距只有4.5 m，橋位處最高與最低氣溫差達74.5 ℃，按照常規方式布置支座，均無法滿足“鋪設無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側的鋼軌支承點橫向相對位移不應大于1 mm”的要求。經認真分析研究，首次采用豎向活動橫向限位支座，不約束豎向位移，只限制橫向位移，即在端橫梁上布置3個支座，兩側系梁下布置橫向活動支座，中間為豎向活動橫向限位支座，既不改變端橫梁的受力方式，又可解決“無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側的鋼軌支承點橫向相對位移”難以滿足要求的難題。

3.4動力仿真分析研究

采用德國ICE3動力分散獨立式高速列車、法國TGV動力分散鉸接式高速列車、日本500系動力分散獨立式高速列車、國產動力分散獨立式高速列車、先鋒號列車、中華之星列車共計6種機車車輛的參數，以德國低干擾譜轉換的時域軌道不平順樣本作為系統激勵，針對哈大高鐵新開河138 m鋼箱疊拱特進行了車橋耦合動力分析研究，得到車輛系統的動力指標：動車和拖車的脫軌系數，輪重減載率，橫向力，車體橫、豎向加速度，車體橫、豎向Spering舒適度指標；以及橋梁系統的動力指標：橋梁的動力系數、橋梁跨中豎橫向位移、橋梁跨中豎橫向加速度、墩頂橫向位移及橫向加速度。結果表明：橋梁的安全性、列車安全性及乘坐的舒適性等均滿足高速鐵路設計規范[10]各項安全性、平穩性要求。

計算所涉及的各工況中，動力系數最大者為1.13，顯示橋梁未發生明顯的共振現象；在德國ICE3、法國TGV、日本500系、國產高速列車250～350 km/h速度范圍內所有工況均達到了乘坐舒適性良好的標準；上述列車在375～420 km/h速度范圍內，所有工況均達到了乘坐舒適性合格的標準；在先鋒號、中華之星列車160～220 km/h速度范圍所有工況均達到了乘坐舒適性良的標準；上述列車在240～270 km/h速度范圍內，所有工況均達到了乘坐舒適性合格的標準。

4　主要結論

該研究成果已應用在哈大高速鐵路新開河特大橋1-138 m鋼箱疊拱橋及京滬高速鐵路北京特大橋跨京開高速公路(32+108+32) m中承式鋼箱拱橋中，橋梁各項檢測指標均滿足規范要求。通過對上述關鍵技術的系統分析及實驗研究，得到以下結論。

(1)通過一系列實體分析及實驗研究，綜合考慮使用低溫環境以及高速鐵路行車密度的影響后，得到實體圓鋼吊桿的疲勞應力幅達到96 MPa以上，能夠滿足大橋低溫下運營100年的使用要求。為今后鋼箱疊

拱橋、實體圓鋼吊桿在鐵路橋梁的應用奠定了堅實的基礎，為拱橋提供了一種新型的吊桿結構形式。

(2)通過拱腳的中心加載及偏心加載試驗，拱腳應力流具有指向性，主應力基本上順著拱肋方向向支座方向和系梁方向傳遞，上下拱肋對應拱腳處隔板應力分布比較均勻，疊拱拱腳構造設計合理。

(3)該類型的拱橋可以通過內移端橫梁，有效地減小跨中豎向位移及梁端轉角，大大改善線路的平順性；端橫梁上布置3個支座，中間為豎向活動橫向限位支座，兩側均為橫向活動支座，在不改變原結構的受力狀態下，可解決“無砟軌道橋梁相鄰梁端兩側的鋼軌支承點橫向相對位移”難以滿足要求的難題。

(4)該橋的車橋耦合動力分析研究表明，橋梁的安全性、列車安全性及乘坐的舒適性等均滿足高速鐵路規范各項安全性、平穩性要求。

5　展望

新開河138 m鋼箱疊拱橋在哈大高速鐵路的成功建設，不僅為哈大鐵路順利開展奠定了堅實基礎，為長春市增添了一道美麗的景觀建筑，而且也填補了國內鐵路橋梁工程空白，對大跨度鋼箱疊拱新型橋梁在國內鐵路領域的應用與推廣意義重大，也為類似工程的設計、施工以及橋梁設計規范的修訂提供借鑒、參考及指導價值。

[1]中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新開河特大橋施工圖(第二冊)[Z].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2008.

[2]劉彥明.大跨度鋼箱疊拱橋實體圓鋼吊桿疲勞試驗研究[J].蘭州交通大學學報，2010(6):7-11.

[3]英國標準學會(BSI)，英國BS5400規范BS 5400，Steel，Concrete and Composite Bridges-Part10：Code of Practice for Fatigue[S]. British Standard， 1980.

[4]歐洲鋼結構協會.鋼結構疲勞設計規范[S].西安:西北工業大學出版社，1989.

[5]劉彥明，張玉玲.嚴寒地區鋼箱疊拱實體圓鋼吊桿斷裂韌性試驗研究[J].高速鐵路技術，2010(S):17-22.

[6]劉琛.138 m鋼箱疊拱橋耳板錨固結構應力分析[J].鐵道標準設計，2014(7):124-127.

[7]歐陽輝來，張萬華.新開河大橋拱腳設計及局部應力分析[J].世界橋梁，2009(3):33-35.

[8]張玉玲，榮玉環.哈大客專新開河特大橋拱腳模型試驗研究[J].鋼結構，2013(6):9-13.

[9]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):38-42.

[10]鐵道第三勘察設計院集團有限公司，等.TB10621—2014高速鐵路設計規范[S].北京:中國鐵道出版社，2014.

Application Research on Long-span Double Steel Arch Bridge on High-speed Railway

LIU Yan-ming

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

The bridge on newly-built high-speed railway of Harbin to Dalian spans over Fumin street with 138m double steel arch. Such bridge type is the first of its kind adopted in domestic railway and also the biggest span of similar bridges in the world and located in the cold region. It is also the first bridge to use solid round steel hanger. Systematic calculation, analysis, test and research are conducted in perspective of such key technologies as anchorage plate connection of solid round steel hanger and low temperature fracture toughness, proper structure and local stress of skewback, adaptability of ballastless track, vehicle-bridge coupled vibration and so on. The paper explains in depth the key technologies applied in the bridge and related research results.

Railway bridge; High-speed railway; Double steel arch bridge; Key technology; Application research

2015-12-28；

2016-01-04

鐵道部科技研究開發計劃項目( 2006G011-C-2)

劉彥明(1969—)，男，教授級高級工程師， 1991年畢業于西南交通大學橋梁工程專業，工程碩士，E-mail:clzlym@163.com。

1004-2954(2016)08-0069-04

U238； U448.22+3

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.015