廖成强

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

1 工程概况

钦江铁路特大桥是广西沿海铁路扩能改造工程钦北段重点桥渡，桥梁与河道水流基本正交;桥位处远期规划为双孔通航，净空2－110m×13m，最高通航水位为10.09m。

本桥采用双线有碴轨道，线间距4.6m，列车运行速度目标值为(ZK活载)250km/h、(中－活载)120km/h。桥梁位于R=3 500m的曲线上，全长2 225m。其中，主桥采用两孔计算跨径128m下承式钢管混凝土简支系杆拱，立面如图1所示。

图1 主桥2×128 m钢管混凝土拱桥立面布置

2 主桥结构构造

单跨系杆拱系梁全长131.6m，计算跨径128m，矢跨比f/L=1/5，拱肋平面内矢高25.6m，拱轴线采用m=1.347悬链线线型。单跨系杆拱桥立面、平面及断面布置详见图2所示。

图2 系杆拱立面、平面及断面布置(单位:cm)

系杆拱采用“先梁后拱”的施工方法，主要施工顺序为:桥下搭设钢管桩支架现浇混凝土主梁(系梁)→以主梁梁体作为施工平台搭架拼装空钢管拱肋→泵送拱肋混凝土→安装张拉吊杆。

2.1 拱肋、横撑及吊杆

拱肋横截面采用哑铃型钢管混凝土截面，截面高3.6m，沿程等高布置，主钢管规格为1 300mm、壁厚δ=20mm，上下弦管中心距2.3m。拱肋主钢管及腹腔内均灌注C55混凝土。

两片拱肋之间共布置5道横撑，其中拱顶设置“米”撑，拱顶至两拱脚间设4道K撑。横撑为空钢管组成的桁式结构，主钢管外径850mm、壁厚16mm，斜钢管外径630mm、壁厚12mm。

单跨系杆拱共设14对吊杆，第一根吊杆距离支点12m，其余吊杆纵桥向中心间距均为8m。每处吊杆均由单根163丝7mm的平行钢丝束组成，配套锚具为冷铸墩头锚。

2.2 系梁

系梁按整体箱形梁布置，采用单箱三室预应力混凝土箱形截面。系梁标准段箱宽17.8m，梁高2.5m。系梁平面、立面及断面构造详见图3所示。

图3 混凝土系梁立面、平面及断面布置(单位:cm)

系梁纵向设置102束15－ΦS15.2预应力筋，横向在底板上设置4－ΦS15.2预应力筋，吊杆处横梁内设置4束13－ΦS15.2预应力筋，端横梁处设置39束15－ΦS15.2预应力筋。

2.3 主墩及支座

3个主墩均采用中间挖门洞造型的圆端形墩柱。主墩基础均采用群桩基础。单孔系杆拱桥共计设置4个40 000kN的球钢支座。

3 主桥结构计算分析

本桥系杆拱结构体系为刚性系杆刚性拱，空间杆系结构静力分析、结构动力及稳定性分析计算均采用Midas/Civil7.4.1版程序。并采用了Midas/FEA程序对拱脚及主梁吊点进行了局部实体有限元分析，采用MSC程序对本桥进行车桥耦合动力响应分析。

3.1 计算荷载与计算参数

(1)恒载(2)活载(3)附加力，附加力包括:①制动力或牵引力;②风荷载;③温度力:整体均匀升降温±25℃，非均匀升降温考虑为拱肋±10℃、吊杆±15℃、系梁顶板±10℃。

3.2 结构整体计算结果

(1)系梁挠度:在静活载和考虑温度荷载引起的最大挠度为38.0mm，挠跨比为1/3372。

(2)梁端转角:在中活载作用下，梁端竖向折角为－1.270‰、+0.884‰;在ZK活载作用下，梁端竖向折角为－1.124‰、+0.793‰。

(3)自振频率:结构一阶自振为横向弯曲(拱肋)，频率0.669Hz;二阶自振为纵向弯曲，频率1.283Hz。

(4)结构应力:

①拱肋钢管最大应力:中活载主力组合135.5MPa，主+附组合147.0MPa。

②拱肋钢管混凝土应力(考虑混凝土收缩、徐变):中活载主力组合最大14.1MPa，最小2.0MPa;主+附组合最大15.3MPa，最小 0.9MPa。

③吊杆应力:中活载主力组合最大499.2MPa，最小377.2MPa;主+附组合最大511.5MPa，最小352.1MPa。吊杆最大应力幅为96.2MPa，安全系数大于3.0。

3.3 拱脚及主梁吊点局部应力分析

拱脚节点及主梁吊点的构造处理较为复杂，采用实体有限元模型(如图4所示)进行局部应力计算分析，用以指导局部加强和钢筋设置。

图4 拱脚及主梁吊点局部实体分析模型

计算结果表明，忽略去预应力筋锚固区域及过人孔等部位的局部应力集中，拱脚处最大主拉应力可控制在1.4MPa以内;系梁吊点处最大主拉应力可控制在1.3MPa以内。

3.4 主拱结构稳定性核算

计算结果表明，主拱结构1～15阶失稳模态均为面外失稳，最低阶面外失稳模态稳定系数为8.47(结构横向稳定性足够)，如图5所示。

图5 最低阶桥梁横向失稳模态

3.5 车桥耦合动力分析计算

采用MSC程序对本桥进行车桥耦合动力响应分析检算，结果表明主桥结构在正常运营中有足够的横向刚度及良好的列车运营平稳性。

4 设计体会

通过对钦江特大桥128m系杆拱桥的全过程设计，笔者有如下几点体会。

4.1 大跨径高速铁路钢管混凝土系杆拱桥的结构选型

(1)拱肋布置 分内倾提篮拱型式和竖直双拱肋型式两种，前者拱肋结构施工定位略复杂，后者则相对简洁施工便捷，本桥采用了后者。

(2)吊杆布置 分斜吊杆布置(尼尔森体系)型式和平行布置型式两种，前者吊杆在主梁及拱肋上的节点构造处理较为复杂(单个吊点一般为两根吊杆交汇)，后者则相对较为简单，本桥采用了后者。

(3)哑铃型拱肋腹腔结构 从提高截面的抗弯截面惯性矩而言，腹腔混凝土贡献并不大，可考虑采用空腔(不灌注混凝土)。为保证拱肋上下弦管的刚度衔接过渡，本桥仍考虑腹腔内灌注混凝土，但采用较小的腹腔缀板间距。

4.2 系梁与拱肋的刚度比

作为刚性系杆刚性拱，系梁和拱肋的刚度比应适当进行控制。经过对比计算分析，建议(EI)拱肋/(EI)系梁取值在1/2左右时，可以明显的减小拱肋中的弯矩，使其更加符合梁拱组合体系桥梁的受力特点，使得“拱肋受压、系梁受拉”得到充分发挥。

4.3 吊杆分批张拉顺序的优化

为避免施工过程中各组吊杆索力预张拉值过大，不建议直接采用“边→中、逐组分批张拉”，建议采用“边→中→边、隔组分批张拉”。以本桥为例，单跨系杆拱共计14组吊杆，吊杆编号从拱脚到跨中分别编号1～7和1’～7’，经过反复试算分析，建议的张拉顺序为:第7、7’对吊杆→第4、4’对吊杆→第1、1’对吊杆→第3、3’对吊杆→第 6、6’对吊杆→第2、2’对吊杆→第 5、5’对吊杆。

5 结束语

钢管混凝土系杆拱桥刚度大， 动力性能好，能够有效降低主梁的结构高度，具有较强的适应能力。为确保结构安全和行车平稳，满足刚度要求，钢管混凝土系杆拱桥设计应注意拱肋和吊杆结构布置选型，合理控制系梁和拱肋的刚度比。对于拱梁结合部及主梁吊点处，应根据局部应力分析的计算结果，做好其构造处理及配筋设计。

[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥[M］．人民交通出版社，2007