铁路简支槽形梁系杆拱组合桥设计研究

王法武

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070）

铁路工程经常采用的低高度桥梁结构形式主要有系杆拱、钢桁梁、槽形梁等。其中，系杆拱桥具有建筑高度低、结构刚度大、轻巧美观等特点。当采用槽形梁作为系梁时，其建筑高度可进一步减小［1-8］。本文以宁启复线电气化改造工程跨沪通铁路64 m 简支槽形梁系杆拱组合桥为背景，介绍系梁、拱肋、拱脚、横撑、吊杆等结构设计，采用有限元软件对桥梁进行结构整体计算、道床板横向计算、拱脚局部应力分析。

1 工程概况

宁启线复线电气化改造工程宁启右线自南通平东站引出后上跨沪通铁路，两者夹角62°，宁启右线平面曲线半径为1 600 m。由于受到线路平面和纵断面的限制，桥梁设计方案须解决斜交、高程受限的难题。因此，本工程采用64 m 简支槽形梁系杆拱组合桥，其总体布置见图1。

图1 槽形梁拱总体布置（单位：cm）

2 结构体系

简支槽形梁系杆拱桥是由槽形梁与系杆拱形成的组合结构（见图2），由系梁、道床板、拱肋、吊杆、横撑等组成。槽形梁与拱肋和横撑构成部分封闭截面。槽形梁的建筑高度主要取决于道床板的厚度。道床板厚度与梁的横向跨度有关，与纵向跨度无关。

图2 简支槽形梁拱组合桥结构体系示意

槽形梁拱组合桥在承受列车荷载时，荷载直接作用在道床板上，然后通过道床板→系梁→吊杆→拱肋→拱座→支座的路径进行传递。列车荷载由拱、梁共同承担，其分担的比例与拱、梁相对刚度有关。本桥为刚性系梁刚性拱。

3 结构设计

3.1 系梁设计

系梁为槽形梁，其截面形式主要有I 形、Γ 形、箱形。I 形截面抗扭刚度小，跨度不大时适宜采用这种形式。Γ 形根据腹板的布置可分为直墙式和斜墙式［9］。箱形截面抗扭性能好，适合于双线铁路。Γ 形与I 形相比是把主梁上翼缘的大部分移到外侧，这样两主梁间有更多的空间，也便于将附属设施放置在上翼缘板上。

该工程为单线铁路，系梁采用直墙式Γ形槽形梁。人行道布置在槽外，以减小系梁横向宽度。

该桥位于平面曲线半径1 600 m 的圆曲线上，系梁采用以直代曲的设计，槽形梁横向净宽由拱脚位置控制。为减小系梁横向宽度，将系梁按弦线布置，在梁端处线路中心和系梁中心重合。系梁全长65.5 m，计算跨度64 m。系梁横断面见图3。系梁仅在纵向设预应力，横向和竖向不设预应力。

图3 系梁横断面（单位：cm）

3.2 拱肋截面

铁路系杆拱桥的拱肋通常采用钢管混凝土拱或钢箱拱。考虑施工的便利性和经济性，该工程拱肋采用单圆管钢管混凝土拱肋。

拱肋截面尺寸决定了拱肋与系梁的刚度比。研究表明，两者刚度比的变化对拱肋及系梁的轴力影响较小。随着刚度比增大拱肋所承受的弯矩随之增大，系梁承受的跨中弯矩随之减小。拱肋和系梁的竖向位移随着刚度比的增大而减小。因此，可根据系梁的竖向变形容许值和自身的极限承载力选取合适的刚度比，从而确定拱肋的刚度及截面尺寸。

该工程拱肋采用单肢钢管混凝土截面，钢管直径为1 000 mm，壁厚为16 mm。钢管内灌注C50 无收缩混凝土。

3.3 拱轴线

选择拱轴线形式的基本原则是使拱轴线与荷载压力线吻合，尽量减小荷载弯矩。一般采用恒载的压力线作为拱轴线。拱轴线的选择应满足2个方面的要求：①尽量减小拱肋截面的弯矩，使主拱肋在荷载作用下主要截面的应力相差不大；②计算方法简便，易于施工制造。

系杆拱桥的桥面荷载通过吊杆传递给拱肋，竖向荷载沿拱肋分布比较均匀，拱轴线宜选用抛物线或拱轴系数较小的悬链线，其活载位移相差较小。采用二次抛物线时拱脚截面弯距较小，因此拱轴线采用二次抛物线。

3.4 拱脚构造

拱脚顺桥向6.2 m 范围内为实体段，横桥向宽度为1.5 m，拱脚混凝土一次浇筑成形。为保证钢管混凝土拱肋与拱脚连接可靠，形成一个整体，采用以下措施：①拱肋钢管埋入拱座2.5 m，钢管外壁设剪力栓钉；②拱脚下设承压钢板，拱肋与承压钢板焊接，承压钢板下再设4 层钢筋网，避免拱肋巨大的轴压力引起应力集中。

3.5 横撑布置

横撑将2 片拱肋连成整体，对拱肋整体稳定有较大的影响。横撑常用形式有一字撑和K 撑。与一字撑相比，K 撑能显著提高整体稳定性。本文设计2 种横撑布置形式：①2道K撑+1道一字撑；②3道一字撑。不同横撑布置形式的整体稳定系数见表1。可知，采用K 撑后，整体稳定系数提高19%，因此本工程采用2道K撑+1道一字撑。

表1 不同横撑布置形式的整体稳定系数

3.6 吊杆

吊杆通常有单吊杆和双吊杆2种形式。单吊杆构造简单，施工方便，但单根吊杆受力较大；双吊杆构造复杂，单根吊杆受力减小，便于运营阶段吊杆更换。

本桥为单线铁路，吊杆受力较双线铁路小，因此采用单吊杆。吊杆纵向间距6.0 m，采用较小的吊杆间距可以减小系梁弯矩和剪力。吊杆采用61根φ7高强平行钢丝束，冷铸镦头锚。吊杆上端锚固在拱肋外部，方便吊杆锚头的检查、养护与吊杆更换。

4 施工方法

大跨度槽形梁一般采用支架现浇施工［10］。本桥上跨待建沪通铁路，沪通铁路将在该工程建成后再施工。现场为农田，没有特殊地形、地貌及控制因素，因此本桥系梁具备搭设支架现浇施工的条件。采用先梁后拱的方法施工，主要施工步骤如下：

1）对地面进行硬化处理，搭设支架，安装拱脚段预埋钢拱肋及其定位钢构件；现浇系梁及拱脚混凝土。张拉第1批纵向预应力索。

2）在桥面搭设临时支架；安装钢管拱肋和横撑，自拱脚至拱顶调整拱肋线形及标高，焊接各拱肋及横撑；灌注钢管内混凝土。

3）拆除桥面临时支架，安装吊杆，吊杆进行初张拉，张拉系梁剩余预应力束。

4）施工桥面铺装，调整吊杆力至设计值。

5 结构整体计算

结构整体计算采用西南交通大学研发的BSAS 软件，拱肋、系梁采用梁单元，吊杆采用桁架单元。根据BSAS 软件的计算约定，正应力以正值表示压应力，负值表示拉应力。

5.1 静活载挠度和梁端转角

在静活载作用下系梁最大挠度为-17.0 mm，挠跨比为1/3760；梁端转角为1.16‰。挠跨比和梁端转角均小于规范限值，结构具有较大的刚度。

5.2 运营阶段系梁应力及安全系数

系梁按全预应力设计，运营阶段系梁应力及安全系数分别见表2和表3。

表2 运营阶段系梁应力 MPa

表3 运营阶段系梁安全系数

由表2和表3可知：

1）主力组合。系梁上下缘最大正应力均小于规范限值16.80 MPa，最小正应力均为正值，未出现拉应力，满足规范要求［11］。截面梗胁处最大主压应力8.40 MPa（小于20.10 MPa），最大主拉应力-0.41 MPa（小于3.10 MPa），抗裂性满足规范要求。强度安全系数 4.32＞2.00，抗裂安全系数 2.25＞1.20，满足规范要求。

2）主力+附力组合。系梁上下缘最大正应力均小于规范限值18.43 MPa，最小正应力均为正值，未出现拉应力，满足规范要求。最大主压应力8.92 MPa（小于22.1 MPa），最大主拉应力-0.60 MPa（小于3.30 MPa），抗裂性满足规范要求。强度安全系数4.28＞1.80，抗裂安全系数1.77＞1.20，满足规范要求。

5.3 运营阶段拱肋应力

运营阶段拱肋钢管和混凝土应力分别见表4和表5。

由表4和表5可知：

表4 运营阶段拱肋钢管应力 MPa

表5 运营阶段拱肋混凝土应力 MPa

1）主力组合。拱肋钢管最大压应力131 MPa，最小压应力16 MPa，满足规范要求；拱肋混凝土最大压应力5.02 MPa，最大拉应力-0.77 MPa，满足规范要求。

2）主+附组合。拱肋钢管最大压应力136 MPa，最小压应力10 MPa，满足规范要求；拱肋混凝土最大压应力5.87 MPa，最大拉应力-1.41 MPa，满足规范要求。

6 道床板横向计算

根据槽形梁的受力特点，道床板直接承受活载，道床板在横向为单向板受力［12］。道床板横向计算模型为简支结构，支点位置为吊杆位置。采用MIDAS/Civil软件建立道床板横向计算模型，纵向取1 m长，单元划分见图4。

图4 道床板单元划分示意

道床板横向按普通钢筋混凝土结构设计，跨中最大弯矩为386 kN·m，采用直径25mm 两根一束的受力钢筋，间距为12.5 cm。道床板钢筋最大拉应力128 MPa（小于210 MPa），裂缝宽度0.09 mm（小于0.20 mm），混凝土压应力10.1 MPa（小于16.8 MPa），均满足规范要求。

7 拱脚局部应力分析

拱脚为钢管混凝土拱肋和预应力混凝土系梁的结合部位，局部结构构造复杂，一般杆系结构的整体有限元模型无法给出拱脚内部的应力分布规律。因此，有必要对拱脚节点采用三维块体模型进行空间受力分析［13-16］。

7.1 计算方法

采用有限元软件ANSYS 建立全桥结构的有限元模型进行分析。根据MIDAS/Civil 模型求得的各截面内力影响线计算出最不利的加载情况，并在ANSYS模型中施加相应荷载，这样可以反映局部受力情况。建模时混凝土材料采用solid45，钢管混凝土拱肋采用beam188，纵向预应力钢筋采用link8。预应力采用降温方法来实现。

7.2 计算工况

ANSYS 计算模型按照MIDAS/Civil 全桥模型影响线进行加载，活载采用TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》中的普通铁路活载形式。计算工况分别为：工况1，跨中最大正弯矩；工况2，四分点最大正弯矩；工况3，拱脚最大正弯矩；工况4，拱肋顶部最大轴力。

7.3 计算结果

对比分析计算结果可知，工况4 为最不利工况。因此，仅列出工况4 梁端局部和拱脚局部的ANSYS 应力云图。根据ANSYS软件的计算约定，应力云图中的正值表示拉应力，负值表示压应力。工况4 应力云图见图5。

图5 工况4应力云图（单位：Pa）

由图5（a）可知，该桥在恒载和活载作用下，顺桥向全截面基本受压，最大压应力为-7.0 MPa，仅拱脚弧面处出现了约0.6 MPa 的拉应力。由图5（b）可知，梁端道床板产生横向弯曲，道床板上部受压、下部受拉，最大压应力为-4.0 MPa，最大拉应力约为4.0 MPa。由图5（c）可知，拱脚第1主应力最大值约为2.41 MPa，出现在拱脚圆弧过渡与主梁交接处。

8 结论

1）简支槽形梁系杆拱桥能显著降低结构高度，大幅缩短桥长，经济性明显，为跨度大、净空受限的工点提供了一种新的解决方案。

2）简支槽形梁系杆拱桥具有较大的竖向和横向刚度，工后徐变值较小。

3）根据具体工点的实际情况，可采用少支架、转体或顶推等施工方法，进一步扩大槽形梁系杆拱的适用范围。