跨度430 m铁路钢管混凝土拱桥主拱设计

本刊特稿
跨度430m铁路
钢管混凝土拱桥主拱设计
陈克坚，陈建峰，张志勇
（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031）
摘要：依托拉林铁路藏木雅鲁藏布江特大桥，对主跨430m中承式钢管混凝土拱桥主拱拱圈的拱轴线、矢跨比、拱肋截面、拱肋高度及拱肋倾角进行对比分析，确定主拱主要设计参数，拱轴线采用悬链线，矢跨比为1/3.84，拱肋截面采用全桁式截面。

研究提出铁路大跨度拱桥计算拱肋高度的推荐公式，并对场地狭窄V形峡谷区钢管混凝土主拱结构进行简要介绍，钢管桁架节段利用缆索吊机悬臂拼装架设，钢管内灌注自密实无收缩混凝土，单管采用四级接力泵送混凝土。

该研究可为类似结构设计提供参考。

关键词：铁路桥梁；中承式钢管混凝土拱桥；拱轴线；矢跨比；拱肋截面；拱肋高度；内倾式拱
中图分类号：U442文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）09-0046-07 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.09.046
0引言
拉林铁路位于西藏自治区东南部，北起拉萨市，经山南市、桑日县、加查县、朗县、米林县抵达林芝市。

藏木雅鲁藏布江特大桥于加查县境内桑加峡谷区一跨跨越雅鲁藏布江，桥址为典型深切V形峡谷区，施工场地狭窄，主桥采用430m中承式钢管混凝土拱桥［1］。

我国铁路首座钢管混凝土拱桥为主跨236m的水柏铁路北盘江大桥［2］；近期修建的较大跨度钢管混凝土拱桥为主跨360m的呼准鄂铁路黄河特大桥［3-4］。

铁路钢管混凝土主拱多为内倾式拱，拱脚区段采用钢管-钢箱混凝土组合箱型断面，其他采用N形桁式断面，腹杆与弦管采用节点板连接，横向联结系与弦管采用焊接连接。

主拱钢管桁架主要有转体施工和悬臂拼装施工［5］。

藏木雅鲁藏布江特大桥为高原陡峻峡谷、大温差、强震区大跨度钢管混凝土拱桥，建设环境更加复杂，结构性能要求更高，具有特殊性［6-9］。

因此，需要对铁路大跨度钢管混凝土拱桥主拱结构设计施工方案进行研究。

第一作者：陈克坚（1966—），男，教授级高级工程师。

E-mail：
1工程概述
藏木雅鲁藏布江大桥距藏木水电站大坝上游约1.2km，桥址海拔3310～3500m，两岸自然坡度39°～75°，地形陡峻、植被较差。

该地区年气温区间-16.6～32℃，为8度地震区（地震动峰值加速度0.24g），桥址实测最大风速33.9m/s，属于高原、大温差、强风、强震地区，桥梁建设条件差。

受地形、水文条件及抗震设计等级控制，大桥主桥采用430m中承式钢管混凝土拱桥跨越雅鲁藏布江，梁体采用一联（39+32+384+28+ 34）m混凝土连续箱梁。

藏木雅鲁藏布江特大桥总布置示意见图1。

2主拱设计
主拱是桥梁的主要承重结构，承受结构自质量以及拱上全部荷载，并将荷载传递至拱座基础，是桥梁设计的关键部位。

结合跨度、抗震、运输架设及后期养护等条件，主拱采用免涂装耐候钢管混凝土全桁式拱圈。

为使主拱受力更合理、经济性更优，重点对主拱拱肋的拱轴线、矢跨比、截面、高度及倾角进行研究比选。

2.1拱轴线
拱轴线的形状不仅直接影响拱肋内力分布及截面应力大小，而且与结构的耐久性、经济性和施工安全性等都有密切关系。

其选择原则是尽可能使拱轴线与拱上各种荷载作用下的压力线相吻合，降低荷载产生的弯矩，使拱肋截面主要承受压力，减少弯矩及剪力作用，使截面应力均匀，能充分利用材料的抗压性能。

实际上，由于恒载分布的非均匀性、活载加载的非对称性，以及温差效应等因素影响，往往得不到理想的拱轴线。

铁路大跨度拱桥恒载占其总荷载的比例较大，一般以恒载压力线作为设计拱轴线。

由于中承式拱桥的吊杆间距较小，作用在拱肋的恒载较均匀，因此拱轴线一般采用抛物线或低拱轴系数的悬链线。

公路钢管混凝土中承式拱桥统计显示，约40%的桥梁拱轴线为抛物线，约60%的桥梁拱轴线为悬链线；铁路钢管混凝土中承式拱桥统计显示，11座铁路大跨度拱桥拱轴线为悬链线（见表1
）。

结合
桥梁的建设环境、调研情况和理论分析，拱轴线推荐
采用悬链线。

图1藏木雅鲁藏布江特大桥总布置示意图
表1
各铁路大跨度拱桥主要参数
2.2矢跨比
矢跨比是拱桥的重要特征参数，当拱桥跨径和截面一定时，当矢跨比减小，则拱弧缩短、拱肋材料用量减少，但拱圈内轴向压力和弯矩变大、拱推力增加，并且弹性压缩、混凝土收缩徐变及温度变化产生的附加内力增大；反之，若矢跨比增大，则拱弧加长、拱肋自质量和材料用量增大，拱圈内轴向压力和弯矩减小。

合理选取矢跨比对减少拱桥内力和材料用量都具有重要意义。

与上承式拱桥相比，中承式拱桥的矢高不受拱上立柱高度限制，矢跨比的选择余地更大。

为了合理地选择矢跨比，对矢跨比1/3.16~1/4.48对应的拱肋拱脚、拱顶受力进行计算对比。

矢跨比与拱脚及拱顶的上、下弦拱脚应力关系曲线见图2、图3。

由图可知，随着矢跨比减小，拱脚上弦应力增大，拱脚下弦应力略有减小但变化不大，拱脚上下弦应力差值变大，拱顶上下弦应力逐渐增大。

从结构受力角度可以看出，大桥矢跨比为1/3左右时，拱脚上下弦应力接近，拱脚受力较合理，为较优矢跨比。

但是，拱桥矢跨比的改变不仅影响拱肋受力，还会影响拱肋长度和吊杆长度，从而改变拱肋和吊杆的工程量。

将拱肋受力和结构材料变化共同考量，对桥梁结构的综合费用进行对比（见表2）。

由表可知，1/3.71或1/3.84为较合理的拱肋矢跨比。

由于桥址位于8度地震区，地震动峰值加速度达0.24g，地震作用是该桥的设计控制因素，因此对不同矢跨比下的地震作用进行比较，计算结果见表3。

结果显示，矢跨比为1/3.71时，横向罕遇地震下拱肋钢管混凝土应力为31.1MPa，相对于矢跨比为1/3.84时增加了0.8MPa。

综合考虑结构静力受力、地震受力和工程造价因素，推荐该桥矢跨比取1/3.84。

2.3拱肋截面
2.3.1截面形式
对于大跨度钢管混凝土拱桥，根据受力需要，宜采用多管桁式拱肋，横向连接采用杆件的全桁式截面图4（a）或板式连接的横向哑铃型桁式截面图4（b）。

相对于横向哑铃形桁式截面，全桁式截面由于取消了钢管间的横向缀板和缀板内的混凝土而采用杆件连接，节省了用钢量和混凝土用量、减小了结构自质量、简化了施工工序；而横向哑铃型桁式截面由于横向连接缀板内填充混凝土，增加了结构抗压弯能力和刚度。

2种截面形式各具优点，均为大跨度钢管混凝土
（a）恒载钢管应力（b）主力钢管应力（c）主、附钢管应力
图2矢跨比与拱脚上、下弦拱脚应力关系曲线
（a）恒载钢管应力（b）主力钢管应力（c）主、附钢管应力
图3矢跨比与拱顶上、下弦拱脚应力关系曲线
拱桥较合理的截面形式。

通过对全桁式截面和横向哑铃桁式截面进行对比分析，2种截面形式均满足桥梁设计要求（见表4），全桁式截面计算结果稍优。

2.3.2钢管直径从我国钢管混凝土拱桥施工经验看，拱肋钢管外径在0.8～1.5m 较合适，过大、过小均会给施工带来不便。

藏木雅鲁藏布江特大桥是双线铁路拱桥，活载大，经初步计算，拱肋钢管外径合理取值为1.6～1.8m ，钢
管壁厚36～54mm ，满足主管径厚比要求。

因此对拱肋钢管外径取1.6、1.7、1.8m ，以及1.6～1.8m 等4种情况时的各项目计算结果进行对比（见表5）。

当拱肋钢管直径D =1.6m 时，虽然材料用量最省，但拱脚钢管在主力和主+附工况下应力偏高，已接近限值；D =1.8m 时，钢材用量增加15.7%，管内混凝土用量增加24.9%，经济性较差。

通过计算分析，大跨度中承式拱桥主要是拱脚应力控制的设计，主拱管径1.6m
表3不同矢跨比地震作用下钢管混凝土应力计算结果
MPa 表2
不同矢跨比桥梁结构综合费用对比
注：由于不同矢跨比的钢管最大应力不同，故引入应力等效概念，将不同矢跨比的钢管应力与矢跨比1/4.48取为一致，再计算钢管截面大小，依此截面数量进行费用比较
表4
不同截面形式钢管混凝土应力计算结果
MPa
表5
不同钢管直径时各项目计算结果
（a ）全桁式截面
（b ）横向哑铃型桁式截面图4
多管桁式截面
即能满足拱顶范围受力要求，而管径1.8m 时，才能满足主拱拱脚受力要求。

因此，为使结构材料用量更经济，并兼顾结构受力要求，主拱采用变管径设计，拱脚区段采用1.8m 管径，其他部分采用1.6m 管径。

2.4拱肋高度
拱肋高度主要与其所承受的竖向活载有关，钢管
混凝土拱桥一般采用等高度拱肋以便于制作与安装，此时可通过钢管壁厚变化和拱肋截面形式变化来适应截面受力要求，通常将拱脚段管壁加厚，拱脚段上下弦管用2片钢腹板连接，内填充混凝土形成箱形截面。

但对于大跨度钢管混凝土拱桥，拱肋拱顶与拱脚截面内力相差较大，采用等高度拱肋非常不经济，变高度拱肋截面一般是较好选择。

对于钢管混凝土拱桥拱肋截面的高度、宽度、主管外径，应充分考虑主拱跨度和荷载的影响，JTG/T D65—06—2015《公路钢管混凝土拱桥设计规范》第8.1.2条给出了经验公式，但由于铁路荷载远大于公路荷载，需研究铁路钢管混凝土拱桥拱肋高度的合理取值，经研究，提出铁路拱桥拱肋高度估算公式如下：
（1）等高度拱肋。

H =k éë
êê0.2(L 0
100
)
2
+
L 0
100
+1.2ùû
úú，（1）B =(0.35~0.60)H ，
（2）D =(0.13~0.20)H ，
（3）
式中：H 为拱肋截面全高，m ；B 为拱肋截面全宽，m ；D 为拱肋主管外径，m ；L 0为拱桥计算跨度，m ；k 为线路调整系数，单线取1.1、双线及以上取1.2。

（2）变高度桁式拱肋。

变高度桁式拱肋拱顶截面高度宜取（0.6~0.9）H ，拱脚截面高度宜取（1.3~1.6）H 。

另外，对我国已建铁路大跨度拱桥拱肋高度进行了调查，调查结果见表6。

结合铁路钢管混凝土拱桥拱肋高度推荐公式和类似结构桥梁设计实践，藏木雅鲁藏布江特大桥采用变高度桁式拱肋。

经过计算和比选，拱肋截面高度H 取8.8~15.0m ，截面宽度取4.6m 。

2.5拱肋倾角
根据拱肋侧向倾角，拱桥可分为平行拱、内倾拱及外倾拱。

平行拱是拱桥最基本和常用的结构形式，
受力明确，设计施工简便。

但随着跨径增大，宽跨比越来越小，平行拱的横向刚度和侧倾稳定问题越来越突出；内倾拱（提篮拱）可使拱桥的横向刚度和侧倾稳定系数提高，但造成竖向平面内刚度降低，其结构受力和施工也比平行拱更复杂；外倾拱（蝴蝶拱）自身稳定性较差，适用于跨度较小、景观要求特别高的地区。

藏木雅鲁藏布江大桥地处高原、桥址偏僻，且跨度很大，不适合采用外倾拱。

因此，仅针对提篮拱和平行拱进行对比计算，计算结果见表7。

由表可知，提篮拱在主力组合、附加组合等工况下拱肋应力（包括横撑、腹杆、吊杆）略大于平行拱，但地震组合下应力较低。

提篮拱拱肋和主梁竖向刚度稍低于平行拱，但其拱肋和主梁横向刚度明显大于平行拱。

在工程造价方面，拱肋采用提篮拱造价比平行拱1低386.7万元，比平行拱2低839.4万元。

考虑桥址位于高烈度地震区，横向地震作用控制大桥设计，且提篮拱横向刚度大、造价低，因此设计推荐采用提篮拱。

3主拱钢管桁架和钢管内混凝土施工
由于大桥位于西藏自治区桑加峡谷内，地处偏僻，
施工场地狭小，既没有大型钢结构加工基地，也没有满足钢结构拼装的场地。

因此，在林芝市建立了临时钢结构加工厂，在距桥位上游7.5km 开辟河岸设置了钢结构拼装场。

拱肋钢管在林芝工厂加工成单元件，并完成预拼。

考虑道路通行能力，厂内单元件最大质量控制在80t 以内，长度控制在15m 以下。

通过汽车陆路运送至桥址上游的钢结构拼装场，利用龙门吊机起吊拼装。

拱肋按每2个节间组成1个节段，全桥共58个拱肋节段，单
表6
铁路大跨度拱桥拱肋高度设计调查结果
节段最大质量在250t以内。

在拼装场设置码头下河吊机，将钢管节段吊装至300t驳船，用150t拖轮和300t 驳船将钢管节段运输至桥址，通过固定锚和移动锚固定驳船，利用缆索吊机将钢管桁架节段起吊，吊装至待安装位置并定位、安装。

钢管拱肋从两岸向跨中进行架设，在跨中进行钢管合龙，合龙段长度2m，经扣索索力微调，合龙口实现毫米级精度合龙。

钢管拱合龙后，按下弦内侧—上弦内侧—下弦外侧—上弦外侧顺序灌注钢管内自密实、无收缩C60混凝土。

单管内混凝土按四级接力从下至上对称灌注，左右弦管内混凝土按非对称灌注，即灌注完成左侧弦管内混凝土，再灌注右侧弦管内混凝土。

为保证混凝土灌注质量的可靠性，在现场进行了足尺钢管内混凝土灌注试验［10］。

4结束语
藏木雅鲁藏布江大桥430m中承式钢管混凝土拱桥主拱拱轴线、矢跨比、拱肋截面、拱肋高度及拱肋倾角等设计参数和陡峻峡谷地区钢管拱桁架施工方案的确定，为该桥大跨度钢管混凝土拱桥的建设提供了技术支撑。

2021年6月25日，藏木雅鲁藏布江大桥建成通车，运营情况良好，为复杂环境下建设大跨度拱桥提供了示范，也为复杂山区铁路中段大跨度拱桥建设提供了参考和借鉴。

参考文献
［1］中铁二院工程集团有限责任公司.拉林铁路藏木雅鲁藏布江特大桥施工图［Z］.成都，2015.
［2］马庭林，徐勇，何庭国，等.水柏铁路北盘江大桥设计［J］.桥梁建设，2001，31（5）：25-29.
［3］杨克鉴，李凤芹，张亚丽.大跨度上承式钢管混凝土拱桥设计研究［J］.铁道工程学报，2008，23（12）：
66-71.
［4］赵剑发.朔准铁路黄河大桥主桥钢管拱架设方案比选［J］.桥梁建设，2015，45（1）：108-112.
［5］陈良江，文望青.中国铁路桥梁四十年［M］.北京：中国铁道出版社，2020．
［6］余艳霞.商合杭高铁淮河特大桥（112+224+112）m 连续梁拱设计及关键技术研究［J］.中国铁路，2020（6）：58-64.
［7］赵云飞，员利军，杨少龙，等.高速铁路大跨度钢箱桁梁斜拉桥无砟轨道施工技术［J］.中国铁路，2020（6）：126-130.
［8］张政，黄永辉，梁爽，等.大跨度钢桁梁柔性拱桥明桥面无缝线路计算分析［J］.中国铁路，2021（2）：122-127.
［9］郑典明.拉林铁路昌果特大桥连续梁0#块专项施工方法［J］.中国铁路，2021（6）：122-126.
［10］朱俊武，杨斌，侯宇飞，等.基于BIM技术的铁路智能梁场钢筋加工技术应用［J］.铁路技术创新，
2020（1）：73-77.
责任编辑苑晓蒙
收稿日期2021-08-24
表7
提篮拱与平行拱主要计算结果对比
注：（1）提篮拱：拱顶和拱脚中心距取7m和25m，内倾角为4.59°；（2）平行拱1：拱肋横向中心距16m；（3）平行拱2：拱肋横向中心距19m
Design of Main Arch of Concrete-filled Steel Tube Arch Railway Bridge with
Span of 430m
CHEN Kejian,CHEN Jianfeng,ZHANG Zhiyong
(China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd,Chengdu Sichuan 610031,China)
Abstract:Based on the Zangmu Yarlung Zangbo River Super Major Bridge of Lhasa-Nyingchi Railway,for a
430m main span half-through concrete-filled steel tube arch bridge,the arch axis,rise-span ratio,arch rib section,arch rib height and arch rib inclination angle of the main arch ring are compared and analyzed to determine the main design parameters of the main arch.The arch axis is of catenary with a rise-span ratio of 1/3.84,and the arch rib section is of full-truss section.In the study,the recommended formula is proposed for calculating the arch rib height of the railway long-span arch bridges,and the concrete-filled steel tube main arch structure in the narrow V-shaped canyon area of the site is briefly introduced.The steel pipe truss segments are assembled and erected by the cable crane cantilever,and the steel tubes are poured with the self-compaction non-shrinkage concrete,which is pumped in four-stage relay pumping mode for a single pipe.This study may provide references for similar structural designs.
Keywords:railway bridge;half-through concrete-filled steel tube arch bridge;arch axis;rise-span ratio;arch rib
section;arch rib height;arch with inward inclination
广告
聚力"十四五" 智启轨道交
通新
未
来。