大跨连续钢桁拱-梁组合体系桥梁在万州长江铁路大桥的应用

文章编号:1003-4722(2003)03-0053-04

大跨连续钢桁拱-梁组合体系桥梁

在万州长江铁路大桥的应用

邵长宇,朱旭初,徐　伟

(中铁大桥勘测设计院,湖北武汉430050)

摘　要:概要介绍万州长江铁路大桥因应所处建设条件,主桥采用三跨连续钢桁拱-梁组合

体系桥梁新技术的方案比选情况、结构布置及静力分析结果;分析介绍了横向刚度问题、稳定问题及桥面结构的设计思路。指出本桥的设计与建设将大跨度铁路桥梁的发展推进到更具多样性选择的新层次。

关键词:铁路桥;拱桥;钢桁架;组合结构;横向刚度;受力稳定;桥梁设计中图分类号:U448.13;U442.5

文献标识码:A

ApplicationdofLong2SpanHybridSystemofContinuous

SteelTrussArch2GirdertoWanzhouChangjiangRiverRailwayBridge

SHAOChang2yu,ZHUXu2chu,XUWei

(MajorBridgeReconnaissance&DesignInstituteofChinaRailway

EngineeringCorporation,Wuhan430050,China)

Abstract:Thispaperdescribesthecomparisonprocess,structurallayoutandstaticanalysisofthe32spanhybridsystemofcontinuoussteeltrussarch2girderselectedforWanzhouChangjiangRiverRailwayBridgeinordertoaccommodatetheconstructionconditionsattheBridgesite.Thepaperalsoanalyzesissuesofdesignconsiderationsforbridgetransverserigidity,stabilityanddecksystemstructuredesign,andpointsoutthatthedesignandconstructionoftheBridgewillpromotethelong2spanrailwaybridgetoanewlevelofmorechoices.

Keywords:railwaybridge;archbridge;steeltruss;hybridstructure;transverserigidity;stabilityun2derloading;bridgedesign1　概　述

万州长江铁路大桥是万宜铁路与达万铁路相连接的重要跨江工程,大桥按单线Ⅰ级线路标准建设。万州地处长江中上游结合部,三峡库区腹地。桥址处河槽及两岸为典型的峡谷地貌,现状条件下具有江面较窄、深槽、陡坎、流速较急的特点,枯水时江面宽约210m,最大水深约50m,为江中深槽。三峡水库蓄水后,江面宽约950m,水深达百米以上。河床

在左、右两岸一级台阶一定范围内存在强卸荷带,带内裂隙发育,受其影响,两岸不宜设墩区域之间的距离约为300m,设墩时还应考虑适当的安全距离。而规划要求通航条件须满足万吨级船队的通航要求,且本桥与上游万州长江公路大桥相距仅1.2km,航道部门从保证航行安全出发,亦提出大桥主孔作为单孔双向通航孔,跨径不小于360m,相邻右边跨作为单孔单向通航孔,跨径不小于140m。根

收稿日期:2003-03-11

作者简介:邵长宇(1963-),男,教授级高工,1984年毕业于同济大学桥梁工程专业,工学学士。

© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

54桥梁建设　　2003年第3期

图1　360m单拱连续钢桁梁方案

据水文、地质、通航等条件,经综合比选,最终确定采用主跨360m单拱连续钢桁梁方案,见图1。作为重载铁路桥梁,这一方案与周围环境协调,雄伟壮观,是世界最大跨度的重载铁路拱桥。2　桥型方案比选与构思

方案与上述拱桥方案进行比选。

三个方案的结构受力、刚度等技术指标均能满足要求,在构造要求的桥宽基础上,为满足列车运营对横向刚度的要求,三个方案均需增加桥宽。其中两个斜拉桥方案为满足竖向刚度要求,必须设置辅助墩并采取适当的结构处理措施,钢桁梁斜拉桥尤其如此。

钢桁梁斜拉桥方案因其钢材用量大、造价高、刚度最差,因而竞争性不强,首先予以舍弃。方案比选的重点在拱桥方案与混凝土斜拉桥方案。

混凝土梁斜拉桥虽然造价最低,但因梁面以下塔身高达百米,更增加了斜拉桥的柔性,又因受通航要求限制,桥式孔跨无法按结构最佳受力状态布置,因而梁、塔及基础受力较大。在主梁梁高4m、梁宽16.8m情况下,其控制截面应力很高,中、边跨需配

本桥为满足水文地质条件及通航要求,主跨跨度达360m,鉴于铁路荷载大、对结构刚度要求高等特点,可供选择的桥型有限。钢桁连续梁要达到360m的跨度已无技术经济优势;悬索桥方案同样

无技术经济优势,且难以适应桥址处的地形条件。较有竞争力的桥式方案当属拱桥和斜拉桥方案。

传统的上承式和中承式拱桥因其桥面以下的拱圈侵占通航净空较多,且受接线条件控制,不宜依靠抬高桥面来满足桥下通航净空,要满足通航要求,主跨跨度须大幅增加,显然很不经济。传统的单跨下承式拱桥方案,面对360m的大跨度及铁路重载,不仅结构处理、施工技术难度大且代价高。关于拱圈结构形式,无论上承、中承或下承式拱桥,若采用钢箱形结构,拱圈吊装施工均存在对机具设备要求高,施工用料多、难度大等问题。钢管混凝土桁架拱,在本桥大跨、铁路重载、高墩的各种不利因素综合作用下,技术上已基本不可行。

鉴于以上分析,综合考虑列车运营对大桥的技术性能要求,施工条件及通航要求,提出了跨度布置

为(168+360+168)m三跨连续钢桁拱-梁组合体系桥式方案(以下简称拱桥方案)。这一方案兼顾通航对边、主跨的要求,利用边、主跨的相互配合方便了施工,降低了主拱施工对辅助结构、机具的要求,安装施工时仅需按单根杆件的重量考虑起吊设备。斜拉桥方案则根据通航对边、中跨的要求及斜拉桥的力学特点,分别拟定了跨度布置为(45+160+360+160+45)m的双塔混凝土斜拉桥及(120+168+360+168+120)m的双塔钢桁梁斜拉桥两个

置大量预应力索,虽能满足规范要求,但已接近限界而不尽合理。另外受收缩徐变影响,尤其在墩身较高的情况下,运营初期其线形稳定性相对较差,这将会增加运营初期线路的养护工作量;同时斜拉索系统的长期养护维修工作量较大,使用期内斜拉索的更换不可避免;再者其施工工期最长,按目前三峡工程进展情况及本桥工期安排,主梁安装施工将在三峡蓄水之后,不仅增加施工难度,对环境影响也大。

拱桥方案竖向刚度最优,横向刚度通过增加桥宽及适当构造措施可以满足客货列车安全舒适运营要求。拱圈由钢桁构成,因而拱圈杆件拼装施工时,对吊装机具设备要求较低,施工方便,速度快、工期短。但由于杆件类型多、长度变化多,设计构造处理难度大,工厂加工工装设备较复杂、制造难度较大。但运营期间养护工作简单,工作量小。拱桥方案虽然工程造价高于混凝土斜拉桥方案,但在综合考虑长期养护维修后,其经济上的竞争性相对更好。拱桥方案还具有速度快、工期短、运营期养护维修工作量较小等特点,因此选为实施方案。

© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

大跨连续钢桁拱-梁组合体系桥梁在万州长江铁路大桥的应用　　邵长宇,朱旭初,徐　伟55

3　拱桥关键问题的思路3.1　横向刚度问题

拱桥方案具有较好的竖向刚度,在满足受力要求的条件下,所能提供的竖向刚度完全可以满足列车运行要求。但横向刚度则成为设计的控制条件。鉴于本桥主跨跨度达360m,又为单线铁路,按其净空要求的桁宽所能提供的横向刚度不能满足列车运行要求。一般而言,连续钢桁梁的桁宽与跨度之比达到1/25～1/20可满足列车运营时对横向刚度的要求,但拱桥有所不同,其竖向荷载的主要受力构件-拱圈与行车桥面分离,仅通过吊杆连接,因而不能

这一问题又与横向刚度问题相互影响,两者需综合考虑。同前述横向刚度问题一样,按单线铁路净空要求确定的桥梁宽度,面外稳定安全系数达不到要求。要满足面外稳定安全性指标,有两种措施可以采用,一是采用提篮式结构,变平行拱肋为空间X形拱肋;二是增加桁宽,同时增强两片拱肋之间的横向联结,以增加抗侧弯能力。两种方法单独或组合应用均能解决问题,但需综合分析比较,合理选用。采用提篮式结构,是最为经济有效的方法,它避免了桁宽增加及桁宽增加所引起的平面联结系、铁路面横梁等用材的增加,单纯从解决拱桥稳定问题考虑,特别对大跨度且承受重载情况,应列为首选方案。但是,这一方案在解决了拱桥面外稳定问题的同时,并不能解决横向刚度问题。也就是说,在桥面宽度一定的情况下,采用提篮式空间X形拱肋,较之平行拱肋,对增强拱桥面外稳定安全性效果十分显著,但对改善桥面系横向刚度则并无明显效果。由此可以说明,不能单方面从结构稳定性出发选择拱桥的结构型式。如前所述,由于铁路桥梁不同于公路桥梁,因对横向刚度要求较高,桁宽的增加已成必然,在此条件下若结构能够满足受力稳定要求,则并无必要采取专门措施,事实也确实如此。不可否认,采用提篮式结构,有其力学上的合理性,但会引起杆件长度、类型的多样化与复杂化,将显著增加加工、制造的难度与费用,也会增加施工难度。综合考虑,仍然选取平行拱肋的结构形式。3.3　桥面结构

本桥桥面结构除同公路桥一样承载并传递车辆荷载,平衡拱圈推力外,作为铁路桥梁,还须形成足够的横向抗弯刚度,以满足列车安全运行要求。桥面结构两端断开,以支座连接并采用柔性拉索式导梁的体系布置,不能适应受力及刚度方面的要求;采用混凝土结构或钢与混凝土组合结构,因重量的大幅增加,导致拱圈受力与耗材增加,经济上不合理;因此宜采用连续钢结构。桥面采用钢结构有两种选择,一是采用钢桁梁结构,二是由导杆与纵横梁、平面联结系直接构成,两种结构形式,在钢桁梁弦杆面积与导杆面积相同条件下,所能提供的横向抗弯刚度是基本一致的,两者的主要差异在于桥面结构本身的竖向抗弯与抗扭刚度上。由于拱桥具有较好的竖向刚度,满足受力要求条件下,完全可满足列车运行对结构竖向刚度与抗扭能力的要求,勿需依靠桥面结构采用竖向抗弯及抗扭能力强的钢桁梁来加强大桥总体抗弯扭能力。另外,若采用钢桁梁,除要承

如钢桁架那样,主要受力构件-上、下弦杆能直接发挥横向抗弯能力,形成抗弯刚度。因此,对拱桥而言,要达到一定的横向刚度,满足列车运营要求,桥面系构造尺寸及布置成为主要因素。就影响桥面系横向刚度的各种因素而言,桁宽是最主要的,其次分别为系杆面积、吊杆长度及其横向联结系等。横向刚度所要达到的标准,并无明确的规定,根据大跨度桥梁的有关研究成果,对横向在列车摇摆力作用时挠跨比按1/4000的目标控制,同时进行车桥耦合振动分析,检验行车安全性与舒适性指标是否满足标准。分析表明,桁宽14m条件下,列车运营安全性与舒适性判定指标偏高,不能满足要求,桁宽16m、横向挠跨比约为1/3000条件下,列车运营安全性满足要求,舒适性指标偏高,接近上限。由此可以说明,桁宽由14m增加到16m,横向挠跨比按1/4000控制是必要且恰当的,必须说明,这仅是对本桥而言,当结构形式、运营车辆、速度目标变化时,不一定如此。在桁宽16m的情况下,要使横向挠跨比达到1/4000,尚须要对系杆面积、吊杆长度进行合理调配。系杆截面的选取,不仅要满足结构受力的需要,同时还需考虑到横向刚度要求,最初仅从结构面内承载需要出发,按较大矢跨比(相应最长吊杆65m)条件下确定的系杆、吊杆系统,横向挠跨比仅能达到约1/3000,不能满足要求。经调整后,降低矢跨比,使最长吊杆降低到55m时,横向挠跨比可达1/4000,此时系杆也刚好满足矢跨比降低水平力增加后的承载力要求,在满足受力及刚度要求方面,较好地协调一致,避免了增加的系杆截面尺寸仅单方面用于满足横向刚度要求。3.2　稳定问题

拱桥的受力稳定是必须面对的关键技术问题之一,对本桥这样大跨度、单线铁路拱桥而言,面外受力稳定问题最为突出,是设计需要解决的重点问题。

© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.

56桥梁建设　　2003年第3期

受同样水平推力作用外,还要承受因活载作用受弯

而产生的杆件轴力作用;由于相对360m大跨而言,钢桁梁刚度较小,故在活载作用下,拱圈受力不会明显减小;因此会增加材料用量。

按照以上思路,经分析比较,选用由导杆与纵横梁、平面联结系直接构成的桥面结构,经济性较好、施工方便、景观效果更优。4　拱桥设计结构布置及静力分析结果4.1　结构布置

有20m高加劲腿,拱肋跨中处高8m,支点处高41

m。中跨拱肋与铁路桥面系之间采用钢吊杆连接,最长吊杆55m,最短吊杆10m。钢吊杆与系杆直接相连,系杆之间设有平面联结系及横纵梁形成如钢桁梁的下弦构造。系杆与两边跨除桁梁下弦相连通,承受拱肋产生的水平推力外,还与平面联结系共同作用形成一定的面外抗弯刚度,以满足列车运行时对桥梁横向刚度要求。为提高横向刚度,每对吊杆之间设有横向联结系。

主桁采用铁路钢桁梁传统的拆装式节点构造,杆件断面形式根据受力类型分别选用箱形或H形。主桁杆件宽800mm,高420～1480mm。4.2　静力分析结果

静力分析结果见表1。

静活载最大竖向挠度

边跨

挠度值/cm挠度值/Lp

15.0

1/1120

拱桥采用Ω形三跨连续结构,两边跨及中跨拱肋均为钢桁架,桁宽16m,节间长12m。边跨桁高16m,中跨拱肋上、下弦杆采用不同二次抛物线线形,拱肋上弦与边跨梁上弦设凹曲线过渡,支点处设

钢桁拱杆件最大内力/kN拉力

16874

表1　静力分析结果

系杆内力拉力/kN

28300

支座反力(一桁)/kN中支点

36789

压力

-34526

弯矩/kN・m

1806

边支点

6196

中跨

挠度值/cm挠度值/Lp

25.8

1/1395

5　结　语

赖于多年建设经验的积累及研究成果,尤其是近年相

关领域研究的新进展,为解决大跨度铁路桥梁的技术问题打下了坚实的基础,关键在于要合理地识别并综合于具体工程项目之中。本桥因应所处建设条件,采用主跨360m三跨连续钢桁拱-梁组合体系新桥型,不仅突破了国内铁路桥梁的跨度记录,同时也是世界上最大跨度的重载铁路拱桥,更把大跨度铁路桥梁的建设推进到更具多样性选择的新层次。

铁路桥梁因其有别于公路桥梁的重载、行车安全性与舒适性要求等特点,在向大跨度方向发展的过程中面临更多、更大的挑战,设计者更要面对多种多样的技术问题。进入21世纪,大跨度铁路桥梁的建设成为铁路发展的必然需要,要求设计者要随科技水平的提高及时更新观念,不断推动技术发展与进步。有

© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.