1 工程概况

1.1 主要技术标准

(1)线路情况：双线，线间距5.0m，无砟轨道，线路平面为直线，纵坡为7.5‰、-9.5‰。

(2)设计时速：客运专线350km。

(3)设计活载：ZK活载。

1.2 环境类别及作用等级

桥址处碳化环境作用等级为T2级，地下水化学侵蚀环境作用等级为H1。

1.3 工程地质

桥址区上覆土层主要为：第四系人工填土层(Q4ml)素填土；第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)粉质黏土、含砾粉质黏土、粉土、粉砂、细砂及细圆砾土；第四系坡残积层(Qel+dl)粉质黏土；下伏基岩主要为白垩系下统石溪组(Kls)泥质砂岩、砂砾岩。

1.4 通航标准

桥位处规划航道等级为Ⅲ级，通航净宽及净高要 求分别为128.5m和10m。

1.5 地震动参数

地震动峰值加速度0.05g，场地类别Ⅱ类，特征周期分区一区，特征周期0.35s。

1.6 气象资料

桥址处历年最热月平均气温29.5℃，历年最冷月平均气温5.3℃，历年极端最高温度41.8℃，极端最低温度-13.3℃。

昌景黄高铁跨越昌江处采用(90+200+90)m预 应力混凝土连续刚构与钢管混凝土拱组合结构，采用 “先梁后拱”的施工方法，即在主梁挂篮悬臂浇筑 施工完成后再进行拱肋的施工。本桥桥型布置如图1所示。

2 结构设计

2.1 主梁

主梁采用单箱双室直腹板箱形截面，主梁顶宽一般段13.2m，中支点处考虑拱脚影响，顶宽线性变化为15.9m，箱宽均为10.8m。主梁采用C60混凝土，梁底下缘按二次抛物线变化。

为节省主梁混凝土用量，提高经济适用性，同时满足结构安全可靠性，从梁高、底板厚两方面对主梁截面尺寸进行比选。

2.1.1梁高比选

对跨度180~300m的铁路大跨度梁拱组合桥梁高跨比进行调查研究，结果显示，梁高跨比主要集中在1/18~1/20，其中主跨200m的梁拱组合桥支点梁高在10.6~12m之间。

根据本桥桥位处纵断面，当支点梁高为11.5m时，最小通航净高为10.8m，《航评报告》中要求的桥址处最小通航净高为10m，若考虑0.5m通航净高富余量，则要求最小通航净高为10.5m，因此，梁高比选时以11.5m作为上限值。

根据大跨度梁拱组合桥梁高跨比的调查结果，以10.5m作为下限值，对10.5，11，11.5m等3种梁高方案进行比选。

梁高比选时，梁底抛物线段理论厚度最厚处hmax取1.2m。

对3种梁高分别进行钢束布置和静力计算，结果 显示，在满足主梁应力，强度及抗裂安全系数的情况 下，主梁均存在受压区高度超限截面，且随着梁高的减小，超限截面急剧增多。

若要满足受压区高度不超限， 则需减少顶板预应力钢束数量，但这会导致强度及抗 裂安全系数小于TB10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》(以下简称“《混规》”)规定的限值。即当主梁底板厚hmax为1.2m时3种梁高均无法满足规范要求，需进一步对底板厚度进行比选。

2.1.2 底板厚比选

对跨度180~300m的铁路大跨度梁拱组合桥梁高跨比进行调查研究，结果显示，梁底抛物线段理论厚度最厚处主要集中在1.2~1.5m之间。根据梁高比选的结果可知，随着梁高增加，主梁受压区高度超限截面逐渐减少，主梁应力、强度及抗裂安全系数等指标也更趋近于满足规范要求，故底板厚比选时梁高取11.5m。

梁底抛物线段理论最厚处底板厚hmax分别取1.2，1.3，1.4，1.5m等4种方案进行比选，对4种方案分别进行静力计算，主梁主要验算结果见表1。

表中应力以受压为正，受拉为负。

由表1可知，控制主梁设计的指标为主力工况下强度安全系数和截面受压区高度超限等2个指标。当底板厚hmax<1.5m时，主力工况最小强度安全系数不 满足规范要求，且受压区高度超限。此时，增加顶板 束，虽可以提高主力工况最小强度安全系数，但由于截面受拉区钢束增多，受压区高度将进一步超限，无法满足规范要求。

当底板厚hmax=1.5m时，主力工况最小强度安全系数满足要求，且无受压区高度超限的截面，主梁各项指标均可满足规范要求，因此，取底板厚hmax为1.5m。经比选确定的主梁结构尺寸见表2，主梁典型截面布置如图2所示。

图 2 主梁典型截面布置(单位:cm)

预应力混凝土桥的预应力类型及数量均较多，而布置 空间有限，如何合理布置纵向、横向、竖向预应力以保证结构安全，受力合理，同时尽可能减少预应力之间的干扰，是本桥设计过程中的一个难点。以下分别介绍纵向、横向、竖向预应力钢束规格及布置特点。

2.2.1纵向预应力

主梁纵向钢绞线采用17-φ15.24mm、19-φ15.24mm、23-φ15.24mm、27-φ15.24mm等4种规格的预应力钢绞线。由于顶板钢束数量较多，而顶板空间有限，故分3层进行布置，布置时除应保证结构受力合理外，还需同时满足以下几方面要求。

(1)钢束管道间最小间距。根据《混规》要求：“后张法结构中，当管道直径大于55mm时，不应小于0.8倍管道外径。”

(2)管道距混凝土边缘最小距离。根据《混规》：“在结构顶面和侧面不应小于1倍管道外径，且不小于50mm，在结构底面不应小于60mm。”考虑底板下 缘附近的钢束所处环境优于结构底面，且钢束布置空间有限，故底板下缘附近钢束管道距混凝土边缘按不 小于60mm进行设计。

(3)螺旋筋与钢束管道、螺旋筋之间的最小间距。应确保锚具螺旋筋与相邻钢束管道、螺旋筋与相邻螺旋筋之间不发生干扰。由于螺旋筋沿纵向有一定的分布长度，应注意检查螺旋筋末端是否存在干扰问题。

(4)锚垫板距混凝土边缘最小距离。为保证混凝 土有足够的局部承压强度，锚垫板距混凝土边缘需满 足一定距离要求，但由于近几年螺旋筋尺寸不断增大，在满足螺旋筋最小保护层厚度的情况下，一般混凝土局部承压均能满足要求。

(5)预留竖向预应力的布置空间。为预留竖向预应力的布置空间，腹板束应尽量与顶板束对齐布置，本桥主梁截面为三腹板，中腹板位置的腹板束无法与顶 板束对齐布置，在布置中腹板附近的顶板束时应注意 预留出竖向预应力的布置空间。

(6)其他构造要求。纵向预应力布置时应避开桥面附属结构预埋钢筋及泄水管，同时注意与腹板闭合箍筋的干扰问题。

本桥中支点截面纵向预应力钢束布置见图3。

图 3 1 / 2 中支点截面纵向预应力钢束布置(单位:cm)

2.2.2横向预应力

在0号段与吊点横梁处布置横向预应力，规格均为5-ϕ15.24mm，其中，0号段采用内径90mm×19mm扁形镀锌金属波纹管成孔，吊点横梁处采用圆形镀锌金属波纹管成孔。横向预应力布置时应避开纵向和竖向预应力管道、螺旋筋及桥面泄水管。

2.2.3竖向预应力

为减小主梁主拉应力，在边跨侧1~9号段，中跨侧1~11号段及0号段需布置竖向预应力，规格为1×19W-28.6mm规格的缓粘结预应力钢绞线。

竖向预应力布置时应避开横向预应力管道及螺旋筋，由于纵向预应力一般在节段分界线附近锚固，其螺旋筋沿纵向有一定长度，竖向预应力在纵向布置时距节段分界线应有相应距离以避开纵向预应力螺旋筋。

2.3 拱肋

拱肋采用竖直平行钢管混凝土哑铃拱，从桥面开始起拱，拱轴线为二次抛物线，两拱肋中心距11.9m，拱肋立面矢高40m，计算跨度为200m，矢跨比为1/5。

拱脚采用C60混凝土，拱肋钢管及腹腔内灌注C55自密实补偿收缩混凝土。拱肋间设置11道桁架式横撑，横撑为空钢管，内部不填充混凝土，拱肋钢管、横撑采用Q345qD钢材。

拱脚横向宽1.9m，横向两侧边缘距离拱肋钢管0.35m。主桥拱肋布置如图4所示。

图 4 (90+200+90) m 连续刚构拱拱肋布置(单位:cm)

对我国铁路大跨度梁拱组合桥拱肋矢高-跨度比进行调查研究发现，拱肋的高跨比主要集中在1/55~1/65之间，本桥主跨200m，拱肋高在3.1~3.6m之间。选取3.1，3.3，3.5m三种拱肋截面高度方案进行比选，3种方案的拱肋截面尺寸见表3。

由于本桥施工图设计时铁路行业暂无针对钢管混凝土拱桥的设计规范，因此，按照GB50923—2013《钢管混凝土拱桥技术规范》(以下简称“《拱规》”)，对3种方案的拱肋进行承载能力极限状态强度及稳定性检算。

根据《拱规》第5.1.4条：“钢管混凝土拱肋强 度计算应包括拱肋各组成构件，稳定计算应当包括各 组成构件与拱肋整体。”由于哑铃形拱肋受腹板约束，单肢稳定性不控制设计，因此，对拱肋进行单肢强度、整体强度、整体稳定的检算。

3种方案的检算结果见 表4~表6。

由于本桥使用容许应力法进行设计，为便于表述，将强度、稳定的检算结果用安全系数表示，而《拱规》基于极限状态法，需要将《拱规》中的检算指标等效为安全系数的形式。《拱规》承载能力极限状态计算时式5.1.3-1要求γ0S≤R，相当于R/γ0S≥1，即安全系数应不小于1。

另外，由于容许应力法未考虑荷载分项系数，因此，安全系数限值需按考虑荷载分项系数进行提高，参照JTGD60—2015《公路桥涵设计通用规范》，恒荷载分项系数取1.2，活载分项系数取1.4，结构重要性系数取1.1，安全系数应不小于1.1×(64%×1.2+36%×1.4)=1.399才等效满足《拱规》要求。

由表4~表6可知，整体稳定检算结果最控制设计，方案1的整体稳定检算最小安全系数为1.36，不满足《拱规》要求，方案3的检算结果虽满足规范要求，但其截面较大，经济指标较高。

综合对比方案1~方案3，从满足拱肋强度、稳定性要求及经济性等方面考虑，采用方案2的拱肋截面尺寸是较为合理的。拱肋截面尺寸见图5。

图 5 拱肋截面尺寸(单位:cm)

2.4 吊杆

吊杆采用整束挤压钢绞线，吊杆纵向间距9.0m，共设20对纵向双吊杆。吊杆上端穿过拱肋，锚于拱肋 上缘张拉底座，下端锚于吊点翼缘与腹板相交处固定 底座。吊杆设磁通量传感器以便于施工过程及运营阶段吊杆力的监测。

吊杆张拉采用从拱脚至拱顶交替张拉顺序进行吊杆张拉。

2.5 支座

支座布置尽可能接近腹板中心，同时满足支座中心线至梁体混凝土边缘的最小距离要求。本桥主梁采用三腹板的单箱双室截面，在边支点横向设置3个支座，中心距为4.55m。支座吨位应满足主附工况下竖向承载力及设计地震作用下横向水平力的要求。

支座 位移量根据考虑上支座板预偏后的最大/最小位移进 行选择。

2.6 主墩

对主墩墩高、纵横向尺寸等参数进行比选，结果显示，主墩参数对主梁受力及徐变影响均较小，同时由于桥址处地震设防烈度不高，主墩参数变化时主墩受力及裂缝等指标满足《混规》要求，且均留有一定富余量。

参考大跨度连续刚构拱桥桥墩常用的结构尺寸， 并满足航评中通航净宽要求，本桥主墩采用双肢薄壁 圆端形桥墩，中心距6.4m，壁厚2.0m，2#、3#号墩墩高均为27m。主墩墩顶以下2.2m范围采用C60混凝土，并同主梁一起浇筑，其余部分采用C50混凝土。

为减小主墩混凝土用量，主墩采用横桥向放坡，纵桥向不放坡的形式。横桥向顶宽13.8m，向下逐渐减小至10m，墩底段2m范围横向宽由10m增加至12m，同时壁厚由2m增加至3m。主墩单肢薄壁墩结构如图6所示。

图 6 单肢薄壁墩结构(单位:cm)

3 计算模型及荷载

采用有限元软件 MIDAS / Civil 建立全桥计算模 型。主梁、桥墩、承台、拱脚、拱肋、横撑各杆件均采用三维梁单元模拟。钢管混凝土拱肋采用“双单元、共节点”方法模拟，吊杆采用桁架单元模拟，仅考虑轴向的拉伸刚度。全桥计算模型见图7。

图 7 全桥有限元模型

计算荷载主要包括：结构自重、二期恒载、混凝土收缩徐变、基础不均匀沉降、列车活载、列车横向摇摆力、温度荷载、风荷载、制动力、船舶撞击力及地震作用等。

主梁、拱肋、吊杆横撑等分别以主力、主力+附加力作为荷载组合，取最不利组合进行设计。桥墩分别以主力、主力+附加力、主力+特殊荷载、地震作用等作为荷载组合，取最不利组合进行设计。

4 结构分析及计算结果

采用有限元软件MIDAS/Civil、BSAS对结构各构件进行受力性能及变形计算分析。由于本桥施工图设计时暂无针对钢管混凝土结构的铁路规范，因此，拱肋以《拱规》为准进行检算，对于拱肋以外的其余结构则采用TB10002—2017《铁路桥涵设计规范》(以下简称“《设计规范》”)、《混规》、TB10091—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》(以下简称“《钢规》”)等铁路规 范进行检算。

4.1 主梁强度、抗裂性与应力

运营阶段，刚运营阶段主梁强度、抗裂性与应力的检算结果分别见表7、表8。

由表7、表8可知，运营及刚运营阶段主梁强度、抗裂性与应力结果均满足《混规》要求。刚运营阶段 指施工完二期后立即进行运营的阶段，此时收缩徐变效应未完全产生，基础不均匀沉降按运营阶段的一半 考虑。

从表中看出，该阶段主梁受力与运营阶段稍有差异，对于强度安全系数，刚运营阶段更控制设计，而对于抗裂安全系数则是运营阶段更控制设计。

4.2 主梁变形

4.2.1竖向挠度

主梁竖向挠度见表9，表中挠度以向上为正，向下为负。由表9可知，主梁竖向挠度满足《设计规范》要求。

4.2.2梁端竖向转角

活载静力作用下梁端竖向折角：正弯0.559‰，反弯-0.266‰，均小于限值1.0‰，满足《设计规范》要求。

4.2.3主梁横向位移

运营阶段在列车摇摆力、风力及温度作用下，主梁结构横向最大位移为16.9mm<L/4000(L为梁跨长度)=50mm，满足《设计规范》要求。

4.2.4主梁徐变

运营30年阶段主力徐变边跨最大为4.0mm，中跨最大为3.8mm，中跨跨中为0.9mm，均小于20mm，满足《设计规范》要求。

4.3 支座选型

运营阶段边墩竖向反力见表10。

本桥边墩横向设置三支座，采用TJQZ-通桥8361-6000-0.2g，支座竖向承载力满足要求。设计地震作用下，边墩横向反力为1738.4kN，支座设计地震作用下水平容许承载力为2700kN，满足要求。

支座预偏量按施工二期阶段位移+0.5倍收缩徐变位移量进行设置，本桥1、4号墩支座预偏量分别为-47.8mm，47.9mm(以从1号墩向4号墩方向为正)，考虑上支座板预偏后支座最大位移为±81.7mm，故支座位移量选择±150mm满足要求。

4.4 拱肋检算

4.4.1拱肋应力检算

(1)拱肋钢管应力

运营阶段拱肋钢管应力见表11，表中应力以受压为正，受拉为负。

由表11可知，运营阶段拱肋钢管应力满足《钢规》要求。

(2)拱肋混凝土应力

运营阶段拱肋混凝土应力见表12，表中应力以受压为正，受拉为负。

由表12可知，运营阶段拱肋混凝土压应力及剪应力均满足《混规》要求；拉应力在一般段小于1.7MPa，满足《混规》要求，在拱脚处局部较大达到3.7MPa左右，超过限值。通过在拱脚附近局部设置16根直径32mm纵向钢筋分担拉应力，如图8所示。

经计算，钢筋应力为139MPa，小于限值320MPa，满足《混规》要求。

4.4.2拱肋强度及稳定性检算

根据《拱规》对拱肋单肢强度、整体强度及稳定进行检算，检算结果满足规范要求，详见“2.3节中拱肋截面高度比选”。

4.5 拱肋稳定计算

4.5.1拱肋面内稳定性

拱肋面内弹性稳定系数根据《设计规范》5.3.7条 按承受最大水平推力的中心受压杆件进行检算，本桥 拱肋为柔性拱肋，梁与拱在连接处视为固接。经计算，拱肋面内弹性稳定系数为4.73>4，满足《设计规范》要求。

4.5.2拱肋面外稳定性

拱肋面外稳定性一般按照空间程序求解，拱肋的 弹性整体稳定系数不小于4。采用MIDAS/Civil进行运营阶段、吊杆张拉阶段、拱肋混凝土灌注阶段的拱肋稳定分析，一阶稳定系数分别为5.95，6.53，7.29，均满足《设计规范》要求。

4.6 吊杆检算

除拱脚处吊杆D1外其余吊杆规格均采用GJ15-12，拱脚处吊杆D1由于最先张拉，成桥吊杆力偏低，按成桥吊杆力约为0.1倍破断力进行设计，D1的吊杆规格采用GJ15-10。

经计算，主力、主+附工况下吊杆的最小安全系数分别为5.3，4.8，疲劳荷载作用下，吊杆最大应力幅为129.5MPa，均满足《钢规》要求。

4.7 桥墩检算

4.7.1钢筋布置

纵筋采用对称配置纵筋，纵横向均为两排，外侧为3根1束φ32mm@12.5cm，内侧为2根1束φ32mm@12.5cm。箍筋按构造要求配置，采用φ12mm箍筋，竖向间距为10cm，箍筋配箍率为0.35%。

4.7.2桥墩主要检算结果

桥墩检算时，以0.5~2倍基础刚度进行包络计算，由于0.5倍和2倍基础刚度的检算结果差异不大，以下仅列出2倍基础刚度下的检算结果。

2倍基础刚度下桥墩在主力、主+附、主+特、多遇地震、罕遇地震作用下的检算结果见表13。

由表13可知，各工况下混凝土压应力、钢筋拉应力，裂缝宽度、混凝土稳定压应力均满足《混规》要求。

4.8 自振特性分析

本桥的自振特性结果见表14。

4.9 主梁长短波变形

考虑温度变化对主梁变形的影响，整体升温+局 部升温作用下，任意5m长梁段内，梁体温度作用下最大变形为1.22mm；任意150m长梁段内，梁体温度作用下最大变形为25.54mm。

主梁变形满足现行高铁规范短波不平顺2mm/5m指标，长波不平顺10mm/150m指标略大，在车桥耦合仿真分析时，将温度变形引起的轨道结构变形作为轨道不平顺输入，以考虑温度变形对行车的影响。

4.10车桥耦合动力仿真结果

运用桥梁结构动力分析程序，采用空间有限元建立全桥动力分析模型，考虑桥面初始变形(包括徐变 变形、温度变形)的影响，对桥梁在CRH3客车作用下 的车桥空间耦合振动进行了分析，评价了该桥梁方案 的动力性能及列车运行安全性与舒适性。

结果表明，当CRH3高速列车以250~420km/h(设计速度段及检 算速度段)通过该桥时，在所有计算工况下，桥梁的动 力响应均在容许值以内，列车横、竖向振动加速度满足限值要求，列车行车安全性能满足要求；当CRH3高速列车以250~350km/h(设计速度段)通过该桥时，列车的运行平稳性达到“良好”标准以上；当CRH3高速列车以350~420km/h(桥梁检算速度段)通过该桥 时，列车的运行平稳性达到“合格”标准以上，满足 要求。

5 结语

昌景黄高铁(90+200+90)m连续刚构与拱组合 体系结构，充分发挥了预应力混凝土主梁承受弯矩及钢管混凝土拱承受轴向力的特点，使得结构受力更加 合理，主梁在吊杆力的作用下弯矩大幅减小，徐变显著降低，截面高度也远小于同跨度的连续刚构。主要结论如下。

(1)通过对10.5，11，11.5m三种梁高方案，1.2，1.3，1.4，1.5m四种底板厚方案分别进行比选，发现控制主梁设计的指标为主力工况下最小强度安全系数及截面受压区高度是否超限，经过比选确定以11.5m为中支点梁高，以1.5m为梁底抛物线段理论最厚处 底板厚，通过调整钢束布置可同时满足主梁各项验算 指标。

(2)纵、横、竖向预应力钢束布置除应保证结构受力合理外，还应满足相关构造要求，需进行全局统筹布置。本桥的预应力钢束布置可为同类工点提供有益的借鉴。

(3)对3.1，3.3，3.5m三种拱肋截面高进行计算对比，结果表明，从满足拱肋强度、稳定性及经济性等方面考虑，拱肋截面高采用3.3m较为合理。

(4)拱肋应力检算结果表明，运营阶段拱肋钢管 应力满足规范要求；拱肋混凝土拉应力结果稍大，在一般段拉应力小于1.7MPa，满足规范要求，在拱脚处局部达到3.7MPa左右，超过限值。通过在拱脚附近局部设置16根ϕ32mm纵向钢筋解决拱肋混凝土拉应力超限问题。

(5)拱脚处吊杆D1由于最先张拉，成桥吊杆力偏低，按成桥吊杆力约为0.1倍破断力进行设计，规格采用GJ15-10，其余吊杆规格均采用GJ15-12。

本文转自《铁道标准设计》——昌景黄高铁(90+200+90) m 连续刚构拱桥设计，作者傅安民；仅用于学习分享，如涉及侵权，请联系删除！