王俊杰

(中国铁路设计集团有限公司， 天津 300142)

为了降低桥梁结构高度，可采用的桥梁类型主要有系杆拱桥、槽型梁、斜拉桥等结构形式。本文研究的工点位于北戴河站附近，对于景观要求较高。槽型梁与系杆拱桥相比，外形美学效果略差。斜拉桥景观效果略好，但是在相同跨度、相同梁高的情况下，刚度低于系杆拱桥，无法满足高速铁路的刚度要求。经过分析，选用系杆拱桥的结构形式较为合理。

系杆拱桥是由拱、系杆、吊杆和桥面系梁等协同工作的组合结构体系组成，以系杆承受拱脚的水平椎力为主要特征，是一种具有良好发展前景的大跨度桥梁结构形式。与其他的桥型比较，系杆拱桥具有跨越能力大、建筑高度小、美观经济等优点，在已建高速铁路、轨道交通、公路等方面均得到了广泛应用。特别是当高架线路斜交跨越城市干道、高速公路等需要桥梁跨度较大、梁部结构建筑高度要求较小时，采用该桥型具有较大的优势。

本文根据津秦客运专线跨越戴河的实际需要，选用高度低于常规设计的系杆拱进行研究，对高速铁路中跨度较大但是梁高较低的结构形式进行分析，对高速铁路的结构进行有益的补充。

1 工程概况

1.1 工程概况

津秦客运专线为连接东北、华北的重要通道，联通了京沪高速铁路与秦沈客运专线，沿线经过天津、唐山、秦皇岛等城市。设计主要标准为ZK活载，时速350 km的无砟轨道。

津秦客运专线在北戴河站在既有京秦铁路车站基础上进行改造，跨越戴河时既有线采用半穿式钢桁梁，轨底至梁底仅有1.25 m，津秦客运专线防洪评价要求采用2孔56 m的结构跨越戴河，梁底受戴河设计水位的控制，为了保障新旧车站的站坪高度尽量一致，要求戴河桥桥梁结构高度不大于1.4 m。

1.2 桥式方案设计

根据综合比选，采用简支系杆拱桥，考虑防洪评价要求，确定采用2孔56 m系杆拱桥，如图1所示。

图1 结构示意图(cm)

2 荷载标准

活载采用ZK活载；二期恒载按113 kN/m计算；单支座不均匀沉降按5 mm考虑；温度效应考虑整体升降温、日照温差等作用。

3 方案研究

3.1 降低梁高所采取的措施

高速铁路无砟轨道桥梁对桥梁的竖向刚度和徐变上拱度要求较高，根据以往桥梁的设计经验，拱肋刚度EI1和系杆(梁)刚度EI2的相对刚度比EI1/EI2的合理的比值为1∶2[4]，若满足该刚度要求，56 m简支拱系梁高度应该在1.9 m左右，本次设计梁高不能大于1.4 m，拱梁相对刚度比值仅为1∶1.5，受梁高限制，系梁刚度明显偏弱。需研究提高系杆刚度的有效措施，来满足高速铁路的各项技术要求。增加系梁刚度主要有加大拱肋截面尺寸、减小吊杆间距和减轻系梁自重等措施，本文从以上几个方面入手，对桥梁结构的静动力性能进行分析研究。

3.2 系梁截面的选择

一般中小跨度拱桥系梁截面采用纵横梁体系，纵梁厚度为1.4 m，纵向加劲肋厚度0.35 m，横梁厚度0.3 m，横梁纵向间距4.0 m，纵横梁体系与箱梁截面各控制参数对比，如表1所示。

表1 纵横梁体系与箱梁截面控制参数对比表

3.3 吊杆间距的选择

为确定吊杆间距的影响，对吊杆间距为4.0 m和吊杆间距5.0 m计算结果进行对比，比较结果如表2所示。

表2 不同吊杆间距控制参数对比表

3.4 拱肋直径的选择

为确定拱肋直径对计算结果的影响，对拱肋直径1.0 m和拱肋直径0.8 m进行对比，比较结果如表3所示。

表3 不同拱肋直径控制参数对比表

3.5 方案研究的结论

不同拱管直径和吊杆间距对桥梁的自振频率影响不大，对竖向刚度和梁端转角影响较大；系梁截面形式对其竖向刚度、自振频率和转角影响最明显，箱梁比纵横梁结构刚度大一倍，而增加拱管直径可以有效提高梁拱组合结构的整体刚度，1 m管径比0.8 m管径减小梁端竖向转角约20%，减小吊杆间距可以提高系梁的竖向刚度约10%。

根据方案研究比选结论，确定系梁采用箱形截面，拱管直径采用1.0 m，吊杆间距采用4 m。

4 结构设计

4.1 结构尺寸拟定

梁部全长58 m，为降低系梁自重，采用单箱五室预应力混凝土箱形截面，梁高1.4 m。系梁断面图，如图2所示。

图2 系梁断面示意图(mm)

吊杆采用平行布置，为了增加梁部刚度，尽量减小吊杆间距，间距采用4 m,全桥共设11对吊杆。

拱肋横断面采用哑铃型钢管混凝土变截面，拱顶截面高度h=2.2 m，拱脚截面高度h=2.8 m，钢管直径为1 m，由厚14 mm的钢板卷制而成，每根拱肋的两钢管之间用δ=14 mm的腹板连接，如图3所示。

图3 拱肋截面示意图(mm)

桥面宽度：防护墙内侧净宽8.8 m，桥面板宽16 m。

4.2 结构分析

4.2.1计算模型

整体模型采用空间有限元程序MIDAS CIVIL计算。主桥分别采用梁单元和板单元进行分析，梁单元模型主要用于主桥强度分析、系梁配束计算等，板单元模型主要用于主桥刚度、动力特性、考虑剪力滞效应有效宽度计算及拱肋稳定分析[7]。

采用梁单元建模时，对于系梁、拱肋及横撑的各杆件采用三维梁单元进行模拟，其截面特性按照实际设计截面定义。拱轴线为二次抛物线，拱肋采用哑铃形截面，钢管和腹杆内均填充混凝土，为变截面，拱高从拱顶2.2 m逐渐过渡到拱脚2.5 m，采用“双单元、共节点”的方法模拟钢管混凝土拱肋。吊索采用桁架单元模拟，仅考虑其轴向的拉伸刚度,梁单元整体模型，如图4所示,考虑了有效分布宽度。

图4 梁单元模型

采用板单元建模时,系梁采用板单元，以截面顶板、底板和腹板中心线为轴线建立板单元，并分别赋予其相应的板厚，拱肋、横撑和吊杆等构件模拟方法和梁单元模型相同。板单元整体模型，如图5所示。

图5 板单元模型

4.2.2变形及刚度分析

(1)主梁竖向挠度：列车竖向静活载+0.5倍温度作用下梁体竖向挠度13.04 mm，0.63倍列车竖向静活载作用+全部温度作用下梁体竖向挠度10.05 mm，均小于 56 000/1 900=29.4 mm。

(2)梁端竖向折角控制：在ZK活载静力作用下，梁端竖向折角最大值0.58 ‰rad，满足文献[2]第7.3.7条，梁部结构在ZK活载静力作用下，梁端竖向折角不应大于1‰的要求。

(3)系梁竖向残余徐变变形为6.61 mm，满足文献[2]第7.3.2条，竖向残余徐变变形不大于L/5 000，即11.2 mm。

4.2.3系梁强度分析

强度分析如图6、图7所示。

图6 主力作用下强度安全系数

图7 主加附作用下强度安全系数

4.2.4拱肋强度分析

拱肋钢管混凝土截面抗压强度结果，如表4所示。

表4 拱肋钢管混凝土截面抗压强度(kN)

在主力组合下N01/γ0NS最小值为3.2，在主力+附加力组合下N01/γ0NS最小值为2.5，均满足文献[3]第5.2.4条γ0NS≤N01的要求。

4.2.5吊杆验算

吊杆的内力计算直接考虑施工二期后，拆除临时墩由于结构自重形成的吊杆内力，并与成桥阶段荷载引起的内力进行组合，保证吊杆的安全系数n≥2.5。吊杆最大应力幅为109.3 MPa，满足规范要求。按不中断行车更换一对吊杆工况检算，更换受力最大的D8吊杆时，本桥吊杆最小安全系数为2.59，满足要求。

4.2.6动力特性及列车走行性分析

动力仿真结论及建议：戴河桥设计方案具有良好的动力特性及列车走行性，当国产高速、法国TGV、德国ICE、日本500系以不超过420 km/h速度通过桥梁时，桥梁动力响应及各车的车体竖、横向振动加速度满足限值要求，列车行车安全性满足要求；当车速不超过该桥设计速度350 km/h时，列车的乘坐舒适度均达到“良好”以上，当速度不超过420 km/h时，列车的乘坐舒适度达到“合格”标准。

5 关键技术研究

5.1 箱梁截面矮梁高、小吊杆间距密等横梁施工难题

为了降低梁高及减少梁重，梁部截面采用高度仅1.4 m高箱梁，箱内高度仅0.7 m，且吊杆间距较小，4 m长度就有一道横梁，使得梁内空间纵向也无法贯通。箱梁内模的选择成为一个制约条件，一般箱内空间较小时可采用橡胶气囊、木模拼装、伞式抽芯内模或者拼装式钢模板作为内模。本文研究的箱梁纵横向均没有拆除模板的通道，模板拆除的话仅能考虑从板顶留进人洞进行模板拆除。

由于采用橡胶气囊模板不能保障结构定位准确，不宜采用。伞式抽芯内模从侧面拆除较为简单，针对本文在顶部开孔较小，而平面尺寸相对较大，研发较困难。拼装式钢模板基本无法拆除，若留在梁内则成本太高。

本桥根据现场实际情况采用木模板拼装较为简单，采用较小的组装单元，在箱梁板顶留有适当工作空间便于拆除内模。

5.2 梁端预应力张拉空间受限问题

本文研究的桥梁采用2孔56 m简支系杆拱桥，梁缝仅20 cm，无法满足张拉空间，若采用较大的后浇段则对拱脚位置受力有不利影响。为保障结构受力更合理，在中间墩位置靠近梁端的钢绞线均采用固定锚具，在另外一侧进行单端张拉。桥台顶部影响梁部张拉的部分考虑在梁部张拉完成后进行浇筑。

5.3 无砟轨道相邻梁端横向变形控制

TB 10621-2014《高速铁路设计规范》规定“无砟轨道桥梁相邻梁端两侧的钢轨支点横向相对位移不应大于1 mm。”按照常规设计支座布置为一侧固定支座，另一侧为横向活动支座。在整体升温25 ℃作用下，活动支座一侧轨道的横向位移为2.1 mm，不满足规范的要求。为了满足规范需要，在梁部中间设置横向限位装置，限制梁部的横向位移，两侧均设置横向活动支座，如图8所示。在这种支座布置下，支座的横向位移为0.6 mm，满足规范需要。

图8 支座布置示意图

6 结论

系杆拱结构将部分恒载及活载通过吊杆传至拱肋，由拱肋直接传到主梁根部，因而与同跨度简支梁及连续梁桥相比，有效的降低了主梁高度。当线路跨越道路和通航河流，桥下净高受到限制，系杆拱是一种较为合适的桥跨结构。经过上述分析研究，系杆拱桥进一步压低结构高度后，静力计算及动力仿真分析显示各方面均可以满足高速铁路运营要求；实际运营没有出现不良表现，可以拓宽高速铁路结构适用范围，适应跨度大结构高度小的实际需要，为铁路桥梁结构应用进行有益的补充。