简支梁桥和拱桥组合铁路桥的关键设计参数分析

简支梁桥和拱桥组合铁路桥的关键设计参数分析

摘要：根据宁启线64 m简支梁、拱桥组合的情况，详述了这种桥梁的结构细节、关键设计要点和施工方案，并总结了该结构用于中等跨度铁路桥时，与其他类型的桥梁相比较的优、缺点。

关键词：铁路；简支梁和拱桥组合桥；参数分析；下承式桥梁

中图分类号：U441 文献标识码：A DOI：

10.15913/ki.kjycx.2015.07.009

1 简介

宁启线以62°的夹角穿过沪通线，最大跨度为64 m。宁启线区段的曲线半径为1 600 m。为了确保该区段纵向坡度不大于11.4‰，该桥最大净高为16.6 m。而沪通线的轨道高度为6 m，相应净空为8 m。因此，新建桥梁的厚度应<2.4 m。简支梁与拱桥组合桥作为一种新型桥梁结构，具有高度低、噪声低、投资少和节省用地等优点。

该桥总长为65.5 m，最大跨度为64 m，矢跨比为1∶5，拱高12.8 m，桥拱采用二次抛物线。梁采用预应力混凝土梁，主梁端座部桥面面宽5.7 m，高2.4 m，厚1.0 m，腹板厚1.5 m。主梁中部桥面宽6.3 m，高1.9 m，厚0.5 m，腹板厚0.9 m。

梁在纵向方向上由12 15-7Φ5预应力钢筋张拉。拱肋由单肢充满混凝土的钢管构成。钢管直径为1.0 m。2个K型和1个H型支撑设置在两拱肋之间。单个支撑水槽拱形复合桥的概况（正面图、断面图、平面图和拱肋截面）如图1、图2、图3和图4所示。

2 最佳设计分析

2.1 所有计划采用的设计

采用64 m跨度的桥梁作为分析案例，本文比较了采用不同桥梁类型的3个方面的影响因素，分别是线性特点、技术要求和工程费用。

简支梁槽girder-arch组合桥的概述具有多种方案，具体如表1所示。

设计铁路桥时应遵循以下5点原则：①确保铁路运行正常，满足动态荷载的特性；②减少梁深度的同时，满足净空要求；③节约成本；④施工便捷；⑤较好的外形，与周边环境融洽。

简支梁和拱桥组合桥应满足的要求主要有高度较低、适用于小半径曲线、造型美观和具有经济性。

2.2 拱桥的关键设计细节

铁轨可以铺设在腹板的内侧或外侧。当铁轨铺设在腹板的内侧时，火车将具有更大的运行空间，视觉效果也会更佳，桥梁的主要悬索将焊接在拱肋上。

下承式桥梁的梁有工型、T型、箱型和U型等，各具特色。中小跨度桥梁采用工型梁；双线或中大跨度桥梁因需求较高的抗扭强度，一般采用箱梁。

此外，强度要求和外观要求均需要考虑。如图5所示，随着拱刚度比增加，挠跨比不断减少。当曲拱的刚度比超过22时，挠跨比稳定在1∶4 800. 恒载、活载和内力会随着拱的高度增加而增加。当梁高度过低时，轴向拉力和力矩会变得非常大，难以安装预应力钢筋。因此，有必要在考虑强度、刚度和经济性后，再决定梁的高度。

如图6所示，当等跨度桥梁的矢跨比分别为1∶4.5，1∶5，1∶5.5时，拱脚轴向力分别为22 039 kN、23 656 kN、25 259 kN，固定静负荷挠曲分别为15.2 mm、14.9 mm和14.8 mm。考虑到刚度、拱脚轴向力和其他设计分析，矢跨比为1∶5是合理的。

如图7所示，当拱圈截面为不同类型时，对应的刚度是不同的。固定静负荷作用于悬臂且并未发生变化时，梁的强度不会发生改变，但对拱圈的强度影响较大。因此，承压能力决定着拱圈设计。当跨度较小时，选择方钢管灌注混凝土作为拱圈；大跨度的桥梁应采用圆钢灌注混凝土作为拱圈材料。

相关设计参数包含拱圈矢跨比、拱轴系数、拱圈界面类型和断面高度。因此，合理选择参数可以确保结构安全，且

具有适用性和经济性。

矢跨比值通常应在1∶7～1∶3之间。本次研究对比分析了矢跨比分别为1∶4.5，1∶5和1∶5.5，相应的拱圈高度分别是16 m、12.8 m和11.64 m。从表2中提供的信息可以看到，通过比较不同跨度与高度的比例，拱座的轴向力分别是22 039 kN、23 656 kN和25 259 kN。同时，桥的活载挠度分别是15.2 mm、14.9 mm和14.8 mm。推荐的方案为：矢跨比采用1∶5，跨度高度为12.8 m，同时，考虑了刚度和景观方面的要求。拱桥拱

轴的线性将直接影响拱圈内力和截面应力分布。此外，它与结构耐久性、经济性和安全密切相关。选择拱轴线的线性基本原理是使压力线与其保持相同状态，因此，选择静载压力线作为拱轴线，以减少弯矩。

通常情况下，拱轴线的选择应满足以下要求：减少界面弯矩，降低荷载作用下主桥压力变化性；在相同效果下，使施工更容易和方便；桥的几何线形应符合审美观。

甲板通过系杆拱将负荷传递给拱圈。由于垂直荷载均匀分布，合理的拱圈线性应为抛物线。在本次研究中，二次抛物线拱轴和两个不同的m值分别为1.127和1.167.

由此可见，活载作用下三个拱轴线之间的差异较小，为14.8～14.9 mm。其中，二次抛物线拱轴线的拱座弯矩最小为1 967 kN?m。由于拱座弯矩比较复杂，所以，所有荷载应尽

可能地减小。因此，二次抛物线拱轴线是本案例的最佳选择。

当大跨度、双线或多线桥梁、槽梁、严重开放截面抗扭强度的能力具有明显的剪力滞后效应时，该方案并不是理想的选择。利用箱形断面主梁和跟踪床，并采取支持横梁可降低剪力滞效应。

3 结束语

简支梁槽梁拱桥组合桥梁的梁深度较低，适合限制纵向坡度等，这是低高度梁的一个新选择；槽梁与拱组合桥可优化设计和垂直边坡设计，减少征用土地面积和投资，具有巨大的经济效益和社会效益；槽梁可阻止噪声的传播，适用于市区或大型居住区。

参考文献

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[2]Zhang S D. Shear lag effect of thin-wall box girders [M].Bei Jing：China Communications Press，1998.

[3]Li X X，Shi X F，Ruan X，et al.Analysis of shear lag effect in wide single cell box girder PC bridges with low

depth[J].Structural Engineers，2008，24（2）：43-47.

作者简介：李志强（1988―），男，山西方山人，毕业于华东交通大学，助理工程师。王小妹（1989―），女，江西九江人，毕业于华东交通大学，助理工程师。