大跨度鐵路連續(xù)鋼桁拱橋設(shè)計研究

閆巖

中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043

1 工程概況

新建西成鐵路（西寧—成都）是設(shè)計時速200 km的雙線客貨共線鐵路。尖扎黃河特大橋是西成鐵路的重難點工程，位于青海省黃南藏族自治州尖扎縣，于亞曲灘村附近跨越黃河。

橋梁正交跨越公伯峽水庫，橋位處水面寬約350 m，最大水深約30 m。橋梁穿越了黃河尖扎段特有魚類國家級水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)，環(huán)境保護(hù)要求高。橋址區(qū)干旱，冰凍期長，溫差變化大，雨量集中。極端最高氣溫40.3 ℃，極端最低氣溫-20.0 ℃。年平均風(fēng)速1.6 m/s，定時最大風(fēng)速16.0 m/s。

2 橋式方案選擇

橋址區(qū)位于黃河河谷平原區(qū)，地形起伏較大。岸邊地層主要為泥巖夾砂巖，存在嚴(yán)重的水庫坍岸問題。結(jié)合本橋366 m 的主跨及橋址地形條件，擬定了混合梁斜拉橋和連續(xù)鋼桁拱橋兩種方案。

對于混合梁斜拉橋方案，橋梁基礎(chǔ)、橋塔及邊跨混凝土方量大，橋塔冬季施工困難，而且生態(tài)環(huán)境部要求4—8月禁止夜間施工，對需要連續(xù)作業(yè)的混凝土工程的施工組織及工期影響較大，大方量混凝土的澆筑對黃河水資源和稀有魚類影響也較大。鋼箱梁需采用整體節(jié)段施工。斜拉橋兩岸為基本農(nóng)田，不宜設(shè)置存梁場地和現(xiàn)場焊接車間，需從大里程側(cè)修運(yùn)輸通道至岸邊，設(shè)置臨時碼頭，采用船舶運(yùn)輸。若運(yùn)輸小節(jié)段鋼箱梁，現(xiàn)場拼接焊縫太多，焊接質(zhì)量不易保證；若運(yùn)輸大節(jié)段鋼箱梁，鋼箱梁運(yùn)輸通道設(shè)置困難，大型臨時工程量較鋼桁拱方案大。

連續(xù)鋼桁拱橋方案雖然總造價略高于混合梁斜拉橋方案，但景觀效果較好，對環(huán)境影響較小，施工周期較短，上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量小，對抗震有利。

綜合考慮施工難度、景觀效果、工程造價等，采用連續(xù)鋼桁拱結(jié)構(gòu)一跨跨越黃河。

3 鋼桁拱形式比選

3.1 主桁結(jié)構(gòu)形式

桁架橋梁有P 式、K 式、W 式等多種桁架結(jié)構(gòu)形式，不同形式對桁架結(jié)構(gòu)總體受力和剛度影響不明顯，僅對部分桿件的局部受力（如桿端次彎矩）有較大影響。選擇橋跨結(jié)構(gòu)桁式時通常以桿件布置能使結(jié)構(gòu)更緊湊或滿足景觀特定要求為目的［1-2］。較短的豎直腹桿承受壓力，較長的斜腹桿承受拉力，有利于桁拱的受力，對結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性有益。故本橋主桁采用P式，其中斜腹桿均布置于桁架節(jié)點的鈍角處，保證斜腹桿端部更靠近節(jié)點中心，以減小節(jié)點構(gòu)造的輪廓尺寸。

3.2 節(jié)間長度

節(jié)間長度的變化不僅影響主桁結(jié)構(gòu)及橋面系受力，還會對桁式布置及美觀性有一定影響。節(jié)間長度過小，弦桿桿端將產(chǎn)生較大次彎矩，使桿件斷面承受較大次應(yīng)力；增加節(jié)間長度可以減小弦桿截面高度與節(jié)間長度的比值，降低次應(yīng)力，但節(jié)間過長會增加桿件重量。

若拱腳附近斜腹桿和豎直腹桿的夾角過小，節(jié)點布置困難。為保證夾角在30°以上，且節(jié)間種類不宜過多，從跨度及節(jié)間長度取整考慮，本橋最終選擇12 m和15 m相結(jié)合的節(jié)間長度。

3.3 拱頂桁高

拱頂桁高的選擇不僅要滿足受力要求，同時要考慮全橋整體架構(gòu)的和諧。拱頂桁高由成橋以后運(yùn)營狀態(tài)產(chǎn)生的內(nèi)力決定，過高會增加腹桿，特別是斜腹桿的自由長度，不利于受壓桿件的穩(wěn)定。鋼桁拱橋的拱頂桁高與跨度之比大約在1/45～ 1/26。鋼桁拱橋的拱頂桁高對節(jié)點板設(shè)置及桁架協(xié)調(diào)性也有一定影響。

不同拱頂桁高下連續(xù)鋼桁拱橋的受力性能和用鋼量對比見表1。

表1 不同拱頂桁高下連續(xù)鋼桁拱橋受力和用鋼量對比

由表1可知：①從受力方面來講，受拱頂桁高影響最大的是拱頂弦桿彎矩。拱頂桁高越大，拱頂弦桿彎矩越小。拱頂桁高每增加2 m，拱頂弦桿彎矩下降25%～ 30%，而弦桿軸力變化很小。②拱頂桁高越大，活載作用下鋼桁拱撓跨比越小，腹桿及橫聯(lián)桿件的長度越長，因此用鋼量略有增加。綜合考慮受力和用鋼量，最終拱頂桁高取10 m。

3.4 加勁弦高度

連續(xù)鋼桁拱橋中主墩支點桁高，往往由施工過程中，特別是懸臂拼裝架設(shè)時產(chǎn)生的最大內(nèi)力來控制。支點桁高與跨度之比在1/8～ 1/5。

合理的支點桁高能夠減小鋼桁拱受力和橋墩的高度，且鋼桁拱橋的景觀效果更突出。支點桁高在50 m 左右時，若主梁系桿從拱肋下弦第二個節(jié)點穿過，則加勁弦高度為14.94 m。該高度不能滿足結(jié)構(gòu)受力要求，橋面以上的加勁弦高度較高，桿件間夾角也小于30°，節(jié)點設(shè)置較困難，如圖1（a）所示。加勁弦高度較低，會使橋墩高度相應(yīng)增高，加大基礎(chǔ)工程量，拱肋整體造型美觀性較差，過長的桿件運(yùn)輸也十分困難。若主梁系桿從拱肋下弦第三個節(jié)點穿過，節(jié)點設(shè)置相對容易，墩高較矮，美觀性較好。綜合考慮后，主梁系桿從拱肋下弦第三個節(jié)點通過，加勁弦高度為28.59 m，如圖1（b）所示。

圖1 加勁弦高度對比（單位：cm）

3.5 矢跨比

連續(xù)鋼桁拱橋的矢高對結(jié)構(gòu)受力的合理性、吊桿長度及橋梁豎向、橫向剛度均有較大影響。我國鐵路連續(xù)鋼桁拱橋的矢跨比一般在1/4.8～1/3.6［3］。

減小連續(xù)鋼桁拱橋的矢跨比會增加系梁用鋼量。矢跨比過大會導(dǎo)致拱圈部分用鋼量和吊桿長度增加，對拱橋的抗傾覆性及抗震性能均有一定影響，也不利于施工階段拱頂全回轉(zhuǎn)吊機(jī)工作。

主跨長366 m，矢高分別取85、90、95、100、105 m。不同矢跨比下連續(xù)鋼桁拱橋受力、變形和用鋼量對比見表2。可知：矢高從105 m 降至85 m，主力作用下拱肋下弦桿軸力增大14%，活載作用下豎向位移增大6%，風(fēng)荷載作用下主梁橫向位移減小28%，自振周期減小14%。矢跨比的變化對全橋用鋼量影響較小，矢高95 m時用鋼量最少。

表2 不同矢跨比下連續(xù)鋼桁拱橋受力、變形和用鋼量對比

不同矢跨比下連續(xù)鋼桁拱橋受力、變形和用鋼量的變化規(guī)律不一致，不能根據(jù)單一指標(biāo)確定矢跨比，故將各指標(biāo)歸一化后再對比。不同參數(shù)歸一化值隨矢跨比變化曲線見圖2。

圖2 不同參數(shù)歸一化值隨矢跨比變化曲線

由圖2 可知：橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)揮最優(yōu)效率的矢跨比介于1/3.85～1/3.66；從用鋼量來看，矢跨比為1/3.85 時用鋼量最小。從橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)揮最優(yōu)效率和減小用鋼量方面考慮，最終選定矢跨比為1/3.85。

4 邊跨設(shè)計

4.1 邊跨長度

主橋邊跨長度與受力和剛度要求、經(jīng)濟(jì)性、施工難度有關(guān)。邊跨長度小可以減小主橋長，節(jié)省工程造價，且梁端轉(zhuǎn)角和邊跨橫向、豎向剛度均有所改善，但中跨受力增大，邊墩支座可能出現(xiàn)負(fù)反力且增加施工難度［4-5］。因此合理的邊跨長度是在滿足受力和施工要求的前提下，使邊墩支座不出現(xiàn)負(fù)反力。國內(nèi)已建成的鋼桁拱橋邊中跨長度比在0.3～ 0.5。中跨長366 m，邊跨長度分別取117、129、141、153 m。不同邊跨長度下連續(xù)鋼桁拱橋受力、變形和用鋼量對比見表3。

表3 不同邊跨長度下連續(xù)鋼桁拱橋受力、變形和用鋼量對比

由表3可知：隨著邊跨長度的增加，梁端轉(zhuǎn)角和全橋用鋼量逐漸增大，因此邊跨長度宜盡量減小；邊跨長度117 m 時，施工階段邊墩單支座反力達(dá)到了-19 214 kN，且主力作用下單支座反力過小，需要更多壓重才能維持整個結(jié)構(gòu)的平衡，難度較大。綜合考慮受力、變形、施工難度和用鋼量，本橋邊跨長度取141 m。

4.2 邊跨桁高

邊跨桁高主要影響梁端轉(zhuǎn)角及豎向剛度。根據(jù)客貨共線鐵路限界及本橋橫向聯(lián)結(jié)系的布置，選取14、15、16 m 三種桁高進(jìn)行計算。結(jié)果見表4。可知：隨著邊跨桁高增加，梁端轉(zhuǎn)角和邊跨豎向撓跨比減小，但全橋用鋼量稍有增加。綜合考慮，本橋邊跨桁高取15 m。

表4 不同邊跨桁高下連續(xù)鋼桁拱橋變形和用鋼量對比

5 橋面結(jié)構(gòu)形式選擇

大跨度鐵路鋼橋橋面結(jié)構(gòu)主要有鋼混結(jié)合橋面和正交異性鋼橋面兩種。根據(jù)橋面系與主桁是否共同作用，鋼混結(jié)合橋面結(jié)構(gòu)分為不結(jié)合、半結(jié)合和全結(jié)合三種。不結(jié)合橋面結(jié)構(gòu)又可細(xì)分為縱橫梁體系和密布橫梁體系［6-7］。半結(jié)合或者全結(jié)合時混凝土橋面板拉應(yīng)力大，材料性能沒有充分發(fā)揮，故不考慮。

鋼混結(jié)合橋面縱橫梁體系中，縱梁參與橋面系共同作用的程度較高，縱橫梁橫彎對橋面系影響較大，需設(shè)置伸縮縱梁釋放共同作用力，橋面整體性較差。鋼混結(jié)合橋面密布橫梁體系下需要增大系桿截面，橋面增高，用鋼量增大。

采用鋼混結(jié)合橋面（不結(jié)合）時結(jié)構(gòu)簡單，受力明確，但整體剛度較弱，橋梁行車動力性能較差。與采用正交異性鋼橋面相比，雖然減小了橋面用鋼量，但增大了結(jié)構(gòu)自重，使得全橋桿件特別是系桿用鋼量大幅增加，性價比較低。

與采用鋼混結(jié)合橋面（不結(jié)合）相比，采用正交異性鋼橋面可以有效減輕恒載重量，從而減輕大跨鋼桁梁桿件恒載內(nèi)力。正交異性鋼橋面板與主桁結(jié)合，形成板桁組合結(jié)構(gòu)，參與縱向受力，還可減小系桿或下弦桿的尺寸。采用正交異性鋼橋面時結(jié)構(gòu)整體剛度大，且便于施工和后期維護(hù)。綜合考慮受力、用鋼量、維護(hù)等，采用正交異性鋼橋面。

6 施工壓重

該橋橋下Ⅵ級通航，最大水深30 m，故在水中設(shè)置臨時輔助墩施工難度很大，需采用懸臂拼裝輔以斜拉扣掛法施工［8-9］。施工時需要壓重，提出兩種壓重方式：①邊跨壓重。邊跨采用臨時支墩架設(shè)完成后，懸臂拼裝主跨的拱肋及橋面，待拼裝至一定節(jié)間后，在主墩桁架頂部設(shè)置臨時輔助塔架及斜拉索拉住懸臂端及邊跨端，在邊跨壓重后繼續(xù)拼裝剩余節(jié)間，直至合龍。②地錨壓重。同樣采用上述拼裝方式，但斜拉索不拉在邊跨，而是拉在主橋兩側(cè)地錨上，以平衡主橋懸臂部分自重，保證施工過程中橋梁的穩(wěn)定性及安全性。

若采用邊跨壓重，需在邊跨壓34 280 kN 的壓塊，此時總抗傾覆力矩約為5.4 × 106kN·m，大于1.3 倍傾覆力矩，滿足TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》要求。若采用地錨壓重，需要壓重40 890 kN 才可平衡結(jié)構(gòu)的傾覆力矩。

本橋兩岸地質(zhì)條件較差，地錨若采用錨樁，樁身設(shè)置長度較長；若采用重力錨，重力錨所需的混凝土方量較邊跨壓塊大，施工成本高。綜合考慮后，采用邊跨壓重的方式。

7 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

主橋采用（141+366+141）m 連續(xù)鋼桁拱橋，線間距5 m，鋪設(shè)有砟軌道［10］。立面布置見圖3。縱橋向成都側(cè)主墩設(shè)固定支座，西寧側(cè)主墩設(shè)活動支座。

圖3 尖扎黃河特大橋主橋立面布置（單位：m）

主橋采用兩片桁架，桁寬14 m。主橋兩側(cè)邊跨長96 m，采用平行桁架，桁高15 m。主跨為變高度桁架拱，拱頂至拱趾高95 m，矢跨比1/3.85，拱肋桁架上下弦拱軸線采用不同矢高的二次拋物線，上弦拱軸線與邊跨上弦桿采用半徑300 m 圓曲線勻順過渡，主墩中支點處桁高50.3 m（包含下加勁弦高度），中跨跨中拱頂桁高10.0 m。主墩中支點處設(shè)置高29 m 的下加勁弦，加勁弦增加了主墩支點處主梁桁高，改善了結(jié)構(gòu)受力，同時與鋼桁拱拱肋下弦勻順過渡，連接為整體，使整體結(jié)構(gòu)簡潔美觀，剛勁有力。

主桁在中支點處邊跨側(cè)45 m 和中跨側(cè)75 m 范圍內(nèi)節(jié)間長度均為15 m，其余節(jié)間長度均為12 m。在拱肋下弦與橋面相交點設(shè)置剛性系桿，以承受拱肋產(chǎn)生的水平推力。主桁采用整體式節(jié)點，全橋受力較大的拱肋桿件和部分系桿采用Q420qE鋼板（圖4中加黑部分），其余均采用Q370qE鋼板。

圖4 1/2拱肋立面布置示意（單位：m）

主桁桿件采用箱形截面，截面內(nèi)寬1 m。腹桿分為H 形和箱形。箱形腹桿、受力較大的H 形腹桿與主桁桿件均對拼連接；受力較小的H 形腹桿與主桁桿件采用內(nèi)插式連接。系桿采用箱形截面。全橋吊桿采用剛性吊桿，八邊形截面。吊桿與拱肋下弦、系梁均對拼連接。全橋共設(shè)置23 對吊桿，吊桿最長64 m，最短9 m。吊桿四邊切角處焊接圓弧形抗風(fēng)導(dǎo)流板。主桁桿件及吊桿截面如圖5所示。

圖5 主桁桿件及吊桿截面示意（單位：mm）

橋面采用與下弦桿和系梁焊接的正交異性鋼橋面板，如圖6 所示。橋面板寬10.6 m，橫向設(shè)置坡率2%的人字坡。橋面板的頂板采用（16+3）mm 的復(fù)合鋼板，軌道下方設(shè)置板厚8 mm的U形加勁肋。在人行道下方設(shè)置板式加勁肋。橋面板縱向每隔3.0 m 設(shè)置一道倒T形橫梁。

圖6 正交異性鋼橋面板構(gòu)造示意（單位：mm）

平面聯(lián)結(jié)系呈X 形和一字形布置。大部分桿件采用工字形截面，橋面以上兩個節(jié)間內(nèi)的拱肋下平聯(lián)桿件采用箱形截面。拱肋及加勁弦每個節(jié)間均設(shè)X形橫向聯(lián)結(jié)系，邊跨平弦部分每兩個節(jié)間設(shè)雙交叉橫向聯(lián)結(jié)系，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的橫向剛度。橫向聯(lián)結(jié)桿件均采用工字形截面。

8 結(jié)論

從主桁桁式、節(jié)間長度、拱頂桁高、加勁弦高度、橋面結(jié)構(gòu)形式、邊跨長度、施工壓重等方面對連續(xù)鋼桁拱橋的受力和變形進(jìn)行了分析，并對橋梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)造進(jìn)行了設(shè)計。主要結(jié)論如下：

1）連續(xù)鋼桁拱橋主桁桁式采用P 式，拱頂桁高10 m，采用12 m 和15 m 相結(jié)合的節(jié)間長度，主梁系桿從拱肋下弦第三個節(jié)點通過，加勁弦高度28.59 m，矢跨比1/3.85，采用正交異性鋼橋面時，結(jié)構(gòu)受力合理、整體剛度大且美觀經(jīng)濟(jì)。

2）在滿足梁端轉(zhuǎn)角限值的情況下，邊跨長度取141 m能夠節(jié)省施工壓重。

該大橋于2022年6月完成施工圖設(shè)計，2022年12月開工建設(shè)，預(yù)計2026 年8 月竣工。本文確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)和構(gòu)造設(shè)計為工程建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。