双线系杆拱桥对不同列车荷载的适应性分析

李桂林,文望青

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；2.中铁建大桥设计研究院，湖北 武汉 430063)

2005年以来，按照国务院“加快我国铁路运输装备现代化”的战略方针，我国铁路货运机车和车辆技术得到迅速发展。2010年2月，根据铁路机车车辆装备技术发展和重载运输的需求，我国铁路启动了《铁路主要技术政策》的修编工作，对于高速铁路、城际铁路、客货共线铁路和重载铁路分别规定了相应的列车荷载图示[1-2]，用于新建铁路线路基础设施的设计。

系杆拱桥具有施工方便、施工周期短、结构经济性好等特点，且梁高相对较小，能有效降低建筑高度，减少全桥墩高及引桥长度，在铁路桥梁设计建设领域中应用广泛。系杆拱桥是铁路桥梁工程中跨度为80～140 m的重要应用结构之一，分析其对不同列车荷载的适应性具有重要意义。本文以一座跨度为128 m 的铁路双线系杆拱桥为例，建立有限元分析模型，分析主梁、拱肋等的应力、强度、抗裂性、稳定性和变形，并探讨其适应性，为今后类似工程提供指导性意见。

1 系杆拱结构形式

一铁路系杆拱桥主梁全长130.4 m，计算跨度128 m，矢跨比为1/5，拱肋平面内矢高25.6 m，拱肋采用悬链线线形。悬链线方程为y=73.775 2(ch 0.810 68ξ-1)，ξ=2x/L=x/64，x为拱顶至计算点处的距离，L为计算跨度。系杆拱平面和立面见图1，横断面布置及拱肋截面见图2。

图1 系杆拱平面和立面(单位：cm)

图2 系杆拱横断面布置及拱肋截面(单位：cm)

系梁按整体箱形梁设计，采用单箱三室预应力混凝土箱形截面，桥面箱宽16.6 m，梁高2.5 m。底板厚0.3 m，顶板厚0.3 m，边腹板厚0.35 m，中腹板厚0.3 m。底板在3.0 m范围内上抬0.5 m。吊点处设横梁，横梁厚0.4～0.6 m。系梁纵向设70束15-7φ5预应力筋，横向8 m范围内底板设8束3-7φ5的横向预应力筋，每个横隔板设4束9-7φ5横向预应力筋。系梁两端底板上设进人孔，每个箱室均设检查孔。底板上设截水槽、泄水孔，边腹板与中腹板上设通气孔。

拱脚顺桥向8 m范围内为实体段，截面渐变处设倒角或过渡段。实体段内设12-7φ5的横向预应力筋，分上下2排布置分批张拉完成。拱脚混凝土分2次现浇，在第1次现浇混凝土前，将拱肋钢管、加劲钢材等安放到位，二期恒载施工完成后第2次浇筑混凝土。

吊杆布置采用尼尔森体系，吊杆水平夹角为52.281°～71.160°。吊杆间距8 m，两交叉吊杆之间横向中心距0.34 m。吊杆均采用127根φ7高强低松弛镀锌平行钢丝束，冷铸镦头锚，索体采用PES(FD)低应力防腐索体，外包不锈钢防护。吊杆与主梁锚固设置于系梁箱梁内，吊杆张拉端设置于拱肋端。

两拱肋之间共设5道横撑，横撑由φ600，φ500和φ360 mm圆形钢管组成，钢管内不填混凝土，其外表面作防腐处理，内表面作除锈处理。

2 不同列车荷载组合工况分析

采用桥梁博士软件建立有限元模型，分析系杆拱桥在不同列车荷载荷载作用下的受力及变形特性。

2.1 结构刚度检算

不考虑冲击系数，系梁竖向位移及拱肋竖向位移计算结果见图3。可知，拱肋及系梁最大垂直位移均发生在L/4、3L/4附近。在ZK,ZC,ZKH,ZH(Z=1.3)列车荷载作用下，拱肋位移分别为系梁位移的65%,70%,62%,63%。

图3 竖向位移计算结果

不同荷载工况下系梁变形及转角引起钢轨上拨和下压量见表1。可知：①在ZC列车荷载作用下挠跨比为1/9 309，在ZH(Z=1.3)荷载作用下挠跨比为1/5 104。350 km/h高速铁路桥梁跨度大于80 m时的限值为L/1 500(L为跨度)，说明系杆拱具有良好的刚度。②在ZK,ZC列车荷载作用下梁端转角均小于1‰，且均满足采用无砟轨道形式时梁端转角按引起钢轨上拨和下压量小于1 mm控制[3]的要求。③对于ZKH,ZH(Z=1.3)荷载工况，轨道结构类型采用有砟轨道，对转角引起钢轨上拨和下压量无规定，其梁端转角均满足3‰的限值要求。因此，该跨度双线系杆拱桥应用于高速铁路、城际铁路、客货共线铁路和重载铁路时，具有良好的适应性。

表1 系梁变形及转角引起钢轨上拨和下压量

系杆拱桥采用支架现浇形式施工，拱肋为钢管混凝土形式，钢管对管内混凝土存在套箍效应，收缩徐变变形发展不明显，总工后徐变较小。本文中系杆拱线路铺设后，主梁残余变形计算值仅为1.4 mm。

2.2 拱肋钢管及混凝土检算

表2 拱肋钢管应力 MPa

由表2—表5可知，在4种荷载工况下，拱肋钢管及混凝土应力均满足规范要求，并有一定富余。拱肋强度安全系数在ZH(Z=1.3)列车荷载作用下，主力工况超规范限值2.2，超限部位在拱肋与拱脚连接位置8 m范围内。因其范围较小可采用区域局部增加拱肋钢管厚度的方式进行加强[11-12]。拱肋横向稳定安全系数均满足4.0的限值要求。

表3 主力工况拱肋钢管混凝土应力 MPa

表4 主力+附加力工况钢管混凝土应力 MPa

表5 拱肋最小强度及稳定安全系数

2.3 系梁检算

在ZK,ZC,ZKH,ZH(Z=1.3)列车荷载作用下，主力+附加力工况系梁截面应力见图4。可知，不同荷载工况下，最大应力相差较小，最小应力差别较大。由图4(b)可知，拱脚区域上缘出现局部拉应力(均小于0.3 MPa)。采用增加预应力钢束的方式，改善效应不明显，宜适当增加纵向普通钢筋。其他区域压应力储备均达1 MPa以上。

图4 主力+附加力工况系梁截面应力

系梁强度及抗裂安全系数见表6。可知，在ZK,ZC列车荷载作用下，主梁截面强度及抗裂安全系数富余均较大，可适当减少系梁预应力钢束的根数及束数。

表6 系梁强度及抗裂安全系数

在ZKH及ZH(Z=1.3)列车荷载作用下，系梁强度及抗裂安全系数均较为合理。

2.4 吊杆检算

吊杆应力、安全系数、疲劳应力幅检算结果见表7。可知，在ZK,ZC,ZKH,ZH(Z=1.3)列车荷载作用下，吊杆安全系数均满足规范限值3.0的要求，且疲劳应力幅均小于150 MPa限值。在ZK,ZC列车荷载作用下，吊杆安全系数及疲劳应力幅均有一定富余，可适当优化调整吊杆规格。在ZKH,ZH(Z=1.3)列车荷载作用下，吊杆安全系数及疲劳应力幅富余较为合理。

表7 吊杆应力、安全系数、疲劳应力幅检算结果

2.5 经济性分析

双线系杆拱主要材料用量见表8。可知：在ZC,ZK列车荷载作用下，可适当减少系梁钢绞线用量；在ZH(Z=1.3)列车荷载作用下，靠近拱脚区域8 m范围内拱肋钢管厚度增至32 mm，对总拱肋钢管用量影响较小，增幅为2.8%。

表8 主要材料用量

3 结论

1)系杆拱桥表现出良好的刚度，挠跨比均远大于1/1 500，在ZK,ZC荷载作用下梁端转角小于1‰，且梁端转角引起的钢轨上拨和下压量小于1 mm，满足应用于无砟轨道时梁端变形要求。在ZKH,ZH(Z=1.3)列车荷载作用下均满足有砟轨道梁端转角限值要求。该跨度双线系杆拱桥应用于高速铁路、城际铁路、客货共线铁路和重载铁路时，其变形具有良好的适应性。

2)系杆拱控制因素为拱肋结构受力及拱肋横向稳定性。在ZK,ZC,ZKH,ZH(Z=1.3)列车荷载作用下，拱肋钢管及混凝土应力均满足规范要求，并有一定富余。各荷载工况下拱肋横向稳定安全系数均满足4.0的限值要求。在ZH(Z=1.3)列车荷载作用下，为满足拱肋强度安全系数要求，拱肋与拱脚连接位置8 m 范围内区域应采用增加拱肋钢管厚度方式进行加强。

3)在ZK,ZC列车荷载作用下，主梁截面强度及抗裂安全系数富余均较大，可适当减少系梁预应力钢束的根数及束数。在ZKH及ZH(Z=1.3)列车荷载作用下，系梁强度及抗裂安全系数较为合理。

4)从建筑高度、结构刚度、后期徐变变形、受力状态、经济性等方面考虑，系杆拱均表现出良好的性能，对不同列车荷载适应性强，表明其在跨度为80～140 m的铁路桥梁应用中有很强的竞争力。