大跨PC組合結構在高速鐵路無砟軌道橋梁中的應用研究

康 煒

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

近年我國高速鐵路橋梁取得了舉世矚目的成就。在高速鐵路建設中，橋梁軸線往往受限于線路走向，不可避免地出現了許多大跨橋梁。而橋梁結構逐步從滿足基本需求向技術創新轉變，各種橋型也相繼投入到運營使用階段。

對于跨度在200～300 m的高鐵橋梁，采用純粹的PC梁已不盡合理；盡管鋼結構方案從受力本身而言是可行的，但無砟軌道在大跨度鋼結構橋梁中的應用尚需進一步研究[1]，同時考慮到鋼結構的工程造價高及后期養護工作量大的因素，在此跨度范圍內缺乏競爭力。而PC組合結構無論從受力、經濟、施工、運營均具有較大的優勢，隨著橋梁設計和施工技術的快速發展，組合橋式結構得到了越來越廣泛的應用。

PC組合結構一般為梁拱、梁索、梁桁組合體系，為了進一步研究PC組合結構的受力特點及其在高速鐵路無砟軌道大跨度橋梁中的應用，本文將以西延高鐵王家河特大橋為工程背景，分別對連續剛構加拱組合橋式、連續剛構部分斜拉橋以及連續剛構加勁鋼桁組合橋式進行分析研究。

1 工程概況

王家河特大橋是西安至延安高速鐵路的重點控制性工程，位于陜西省銅川市王益區境內，距離銅川北站較近，受線路高程控制，橋高達100 m左右。橋址位于黃土臺塬區，兩端橋臺位于斜坡地帶，橋址區地形起伏較大。

設計標準為350 km/h雙線高速鐵路，線間距5.0 m，軌道類型為CRTSⅢ型雙塊式無砟軌道，設計洪水頻率1/100，設計活載為ZK活載。橋址處設計地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應譜特征周期為0.45 s，Ⅱ類場地土。橋址處屬北暖溫帶亞濕潤型氣候區，年平均氣溫11 ℃，最熱月平均氣溫23 ℃，最冷月平均氣溫-3.5 ℃，極端最高氣溫37 ℃，最低氣溫-17.5 ℃，年平均相對濕度66%。

2 橋式方案構思

2.1 橋梁跨度

橋梁通過區人口較為密集，地面建筑較多，影響橋梁布孔的主要因素有包茂高速公路、王益城區道路、王家河礦山專用鐵路、王家河、地面建筑物及橋梁高度。通過綜合分析，主跨采用248 m一跨跨越王家河、兩側道路及鐵路，邊跨跨越包茂高速。

2.2 橋式方案

主橋橋式方案考慮了3種PC組合橋式，即連續剛構加勁拱組合結構、連續剛構部分斜拉橋、連續剛構加勁鋼桁組合結構，如圖1所示。

圖1 3種組合結構橋式方案的孔跨布置(單位：cm)

3 方案研究

分別對上述3種設計方案從受力特點與設計難點、結構設計、關鍵力學性能等方面進行研究。

3.1 連續剛構加勁拱組合橋式

近年來，盡管連續剛構加勁拱組合結構在鐵路橋梁中得到廣泛應用，然而在200 m以上跨度的高鐵無砟軌道橋梁中尚未使用[2-8]。

3.1.1 受力特點與設計難點

連續剛構加勁拱組合結構為先梁后拱體系，受力以主梁為主，加勁拱旨在提高主梁剛度、減小主梁徐變殘余變形、承擔二期恒載及活載。加勁體系所承擔荷載的大小受梁、拱剛度比例，吊桿力的大小等因素影響。加勁拱有效拓展了混凝土連續剛構的跨度及適用范圍，使拱與梁在受力方面的優點得到充分發揮。

該橋型的設計難點主要有：墩、梁、拱三者合理的剛度比；矢跨比的選取；主梁配束；控制溫度作用、支座位移及混凝土收縮徐變等因素對結構的不利影響；吊桿初張力的確定等方面。

3.1.2 關鍵力學性能研究

本方案在設計過程中對主梁邊跨長度、主梁梁高、加勁拱拱軸線、拱肋矢跨比、拱肋結構形式及結構參數、加勁拱效果、剛構墩結構形式等方面進行了詳細研究，限于篇幅，以下著重闡述矢跨比的選擇過程。

(1) 矢跨比的選擇

矢跨比是拱橋的一個重要特征參數。劉瑤等(2014)[9]的調查結果顯示，對于高速鐵路梁拱組合橋梁來說，大部分橋梁矢跨比設在1∶5左右，其中矢跨比為1∶5的橋梁占比重72.21%，11.11%的橋梁矢跨比為1∶6。

對矢跨比1/3.5、1/4、1/5及1/6幾種情況進行了對比分析。將不同情況的主梁恒載內力、主梁活載內力及拱肋內力列在表1中。

從計算結果可以看出，恒載作用下，隨著矢跨比的減小，主梁和拱肋跨中截面彎矩和軸力均增大。活載作用下，矢跨比的變化對結構軸力影響較大，隨著矢跨比的減小，主梁和拱肋的軸力都增大。以矢跨比1/6為基準，矢跨比1/3.5、1/4、1/5時，拱肋最大吊桿長度分別增加61.9%、41.7%、24.0%，拱肋長度分別增加11.7%、8.0%、4.4%。從景觀效果來看，矢跨比1/5時，曲線流暢，整體曲線起伏均勻。綜合各因素，本橋設計采用矢跨比1/5。

表1 不同矢跨比情況的結構內力

(2)其他力學性能的研究及設計方案的形成

在設計方案形成過程中，分別對邊跨長度、主梁梁高、拱軸線比較、拱肋形式、剛構墩墩型等方面進行了研究，將研究過程簡要列于表2。

基于以上分析，該方案的結構設計概述如下：主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，跨中及邊支點處梁高5.8 m，中支點梁高14 m，梁底按二次拋物線變化。邊跨長度采用120 m。拱肋采用鋼管混凝土結構，每片拱肋由2根上下弦鋼管(φ1 200 mm壁厚22 mm)和兩塊厚22 mm鋼板焊接成啞鈴形斷面。拱肋橫向中心距11.7 m，兩道拱肋之間設11道橫撐。拱肋鋼管內灌注C55補償收縮混凝土。每聯共設22對吊桿，吊桿順橋向間距10 m，邊吊桿距拱腳19.0 m。

表2 主要力學性能的研究

在分析橋墩剛度對結構的影響時，采用矩形空心墩和雙薄壁墩進行比較分析，由計算可知，在保證兩種墩型橫向剛度一致的前提下(主梁橫向自振周期為2.5 s左右)，雙薄壁墩縱向剛度僅為793 kN/cm，而空心墩的縱向剛度為2 000 kN/cm，縱向位移比雙薄壁墩減小2.8 mm，可以有效保證運營時線路的穩定性和列車通過的安全性，故本橋各方案均采用矩形空心墩。

3.2 連續剛構部分(矮塔)斜拉橋

我國已建成京滬高鐵天津聯絡線大橋、武九客專聯絡線大橋、黔張常鐵路澧水南源大橋等多座部分斜拉橋[10-15]。本方案為目前國內部分斜拉橋在高速鐵路無砟軌道中應用的最大跨度。

3.2.1 受力特點與設計難點

連續剛構部分斜拉橋以連續剛構主梁受力為主，斜拉索受力為輔，是一種介于PC連續梁橋和PC斜拉橋之間的一種組合體系橋型，具有塔矮、梁剛、索集中的結構特點。其受力特征是：以主梁受彎、受剪來承擔大部分荷載效應，斜拉索對主梁起加勁作用承擔一部分荷載，相當于一般PC梁橋的體外預應力索。由于斜拉索的存在,大大降低了主梁后期收縮、徐變產生的跨中下撓。

該橋型的設計難點主要有：斜拉索與體內預應力的配比；主梁變形的控制等方面。控制主梁跨中徐變變形及升溫時(整體升溫及索梁溫差)斜拉索伸長導致的主梁下撓，將是決定方案成立與否的關鍵。

3.2.2 關鍵力學性能研究

本方案在設計過程中對邊跨長度、塔高、背索的設計參數、無索區長度、拉索初張力等方面進行了詳細研究，限于篇幅，以下著重闡述無索區長度的分析內容。

(1)無索區長度

本次設計中對不同無索區長度進行了比較分析，研究方法采用斜拉索根數不變，僅整體移動其在主梁上的錨固位置，以調整無索區長度。共研究了3種工況，無索區長度如表3所示。

表3 各工況無索區長度

將不同無索區長度情況下的連續剛構部分斜拉橋主要計算結果列于表4。

表4 不同無索區長度的影響

經以上比選分析，本橋無索區長度按工況3選取。

(2)其他力學性能的研究及設計方案的形成

在設計方案形成過程中，分別對邊跨長度、塔高、背索設置、拉索初張力、邊跨現澆段設置等方面進行了研究，將研究過程簡要列于表5。

表5 力學指標的影響分析

注：Fcab為一組拉索初張力。

基于以上分析，該方案的結構設計概述如下：主梁采用單箱雙室直腹板變高度箱形截面，邊支點及跨中梁高為5.8 m，中支點梁高14 m，梁底曲線為1.8次拋物線。邊跨長度選擇124 m。橋塔高度為橋面以上40 m，采用花瓶式的H形橋塔。橋塔上部24.5 m范圍橫向間距8.8 m，以下逐步加寬于梁體橋面以外形成塔、墩、梁固結體系的連續剛構部分斜拉橋。斜拉索采用雙索面扇形布置，全橋設置46對拉索，其中2對為邊跨背索。除背索外，梁上拉索水平間距7.0 m，塔部斜拉索間距1.2 m。

3.3 連續剛構加勁鋼桁組合橋式

梁桁組合結構是一種較為新穎的橋梁結構形式，在國內尚處于起步階段。我國建成的實橋中最具代表性的有大西客專晉陜黃河特大橋，該橋為14-2×108 m剛構加勁鋼桁組合結構橋梁[16-17]。

3.3.1 受力特點與設計難點

該組合橋式結構將混凝土主梁與鋼桁相結合，承受豎向荷載仍以混凝土梁為主體，鋼桁主要起加勁作用，增加主梁剛度，控制混凝土梁的徐變殘余變形，以滿足高速列車運行的平順性及舒適性要求。近年來，這一組合結構在高速鐵路橋梁中得以實踐，取得了良好的效果，極大拓展了混凝土連續梁(剛構)的跨度及應用范圍。

該橋型的設計難點主要有：梁桁共同受力；結構輕量化設計；加勁桁設置范圍、桁高及截面形式的確定；施工控制；加勁桁與混凝土主梁的連接。

3.3.2 關鍵力學性能研究

本方案在設計過程中對邊跨長度、梁高、加勁桁范圍、桁高等方面進行了對比研究，限于篇幅，以下著重闡述加勁效果、加勁桁范圍和桁高的分析過程。

(1)加勁效果分析

加勁桁桁高取14.0 m，加勁桁節間長度取12 m。計算結果見表6。

從表6可以看出，設置加勁鋼桁效果顯著，加勁鋼桁能有效降低結構后期徐變變形和活載跨中撓度，同時能夠減小跨中彎矩，進而降低跨中梁高，減少跨中鋼束配置。

(2)加勁桁范圍的選擇

通過對比分析108～228 m的中跨加桁范圍以及加勁桁范圍越過中支點(加桁范圍316 m)兩種類別，選取合理的加勁桁設置范圍。加勁桁桁高取14.0 m，加勁桁節間長度取12 m，主要計算結果見表7。

從表7可以看出，加勁鋼桁范圍變化對支點彎矩和跨中彎矩影響不明顯，對跨中靜活載撓度和后期徐變變形影響顯著。綜合考慮加桁范圍對跨中撓度、徐變變形和梁端轉角的影響，跨中加桁范圍采用156 m。

(3)桁高的選擇

中跨加勁鋼桁節間長度取12 m，考慮到鐵路限界，桁高的比選范圍為10～16 m。計算結果見表8。

表7 中跨鋼桁加勁范圍對比結果

表8 桁高變化對比結果

從表8可以看出，桁高變化對支點彎矩和跨中彎矩影響不明顯，對中跨徐變變形影響較大。桁高變化影響較為復雜，設計中綜合考慮了接觸網采用上平聯懸吊設置的可行性，以及斜腹桿自有長度的降低，進而減少用鋼量等方面，設計桁高采用14 m。

3.3.3 結構設計要點描述

通過詳細分析比較形成了合理的設計方案，該方案的結構設計要點概述如下：主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，邊跨及中跨梁高5.5 m，中支點處梁高15.0 m，梁高按1.6次拋物線變化。中跨加勁鋼桁采用無豎桿三角形桁，加勁范圍為156 m，共13個節間，節間長12 m，桁高為14 m，桁寬11.1 m。弦桿采用焊接箱形截面。

4 組合結構橋式方案的受力比較

4.1 加勁效果

為了深入了解不同加勁方式的組合結構，將加勁結構承擔的荷載比例列于表9。表9包括了加勁結構承擔的自重、二期恒載以及活載的比例。

需要指出的是，由于采用了后背索及部分拉索二次張拉，斜拉索承擔荷載比例比以往設計的部分斜拉橋略高。

表9 3種組合橋式的加勁結構承擔荷載比例 %

4.2 變形

將各結構的變形計算結果列于表10。

表10 3種組合橋式的主要變形指標比較

注：表中撓度、徐變變形、主梁與加勁結構溫差引起的主梁最大變形方向向下為負。

由表10可知，加勁結構很好地控制了梁端轉角和徐變變形，滿足了高速鐵路設計規范的相關條文規定[18]。其中連續剛構加拱組合橋式結構在控制變形方面表現最為突出。

4.3 截面正應力

不同組合結構在運營階段的截面正應力(主力作用下)列于表11。

各組合結構充分發揮了加勁結構的作用，主梁截面的正應力均在允許范圍內，滿足了高速鐵路橋梁設計規范的相關條文規定[18]。

5 組合結構橋式方案的綜合比較分析

3種組合結構橋式方案的上部結構主要工程指標如表12所示。

表12 3種組合結構橋式方案主要工程指標

從經濟、美觀、技術先進性、列車運行動力性能、徐變變形、施工與養護等方面綜合比較3種組合結構橋式方案，結果見表13。

表13 方案綜合比較

注：經濟性以連續剛構加勁鋼桁組合結構為參照進行比較。

由表13可見，3種組合結構都能體現出技術先進、后期維護量小、徐變變形小、對無砟軌道高速行車適應性較好的特點。

6 結語

以西延高鐵王家河特大橋為研究背景，對連續剛構加勁拱組合結構、連續剛構部分斜拉橋、連續剛構加勁鋼桁組合結構進行了深入研究，詳細論述了各組合橋式結構的受力特點、設計難點、結構設計及關鍵力學性能研究。

連續剛構加勁拱組合結構的拱、梁、吊桿剛柔相濟，造型優美；主梁后期徐變變形較小，對無砟軌道高速行車適應性較好；整體結構剛度大；主梁主拉應力略大，梁高較高，圬工量較大；拱肋結構較高，施工、養護難度較大。

連續剛構部分斜拉橋的橋塔高聳，宏偉壯觀；主梁后期徐變變形較大，剛度較小；上部結構造價較高；斜拉索在施工過程中可起到“永臨結合”的效果，對主梁受力改善較大，節省梁部圬工。斜拉索張力較大，需進行二次調索，施工復雜且難度較大；斜拉索加勁效果受溫度等因素影響較大。

連續剛構加勁鋼桁組合結構的造型簡潔，形式較新穎，景觀效果一般；加勁桁加勁效果有限，主梁徐變變形接近規范限值，需增加備用措施；加勁鋼桁與混凝土主梁的連接及受力較為復雜；主梁受力狀態較差，應力水平較高；上部結構造價較低；橋面較寬，主梁較笨重，圬工量大。

通過分析可知，在高鐵無砟軌道大跨橋梁中應用這3種PC組合結構均有較好的適用性，在200～300 m跨度是非常有競爭力的橋式結構，各具特點。結合橋址處工程建設條件，王家河特大橋將采用連續剛構加勁拱組合結構。