第五节　跨济兖公路2-96m四线下承式钢箱拱桥

京沪高速铁路在跨越济兖公路（220国道及京福高速公路匝道）时，受附近高速车站的限制，采用了2-96m四线下承式简支钢箱系杆拱结构。此结构形式在国内高速铁路无砟轨道桥梁中是首次应用。

一、结构设计

2-96m四线下承式钢箱系杆拱（图4.2.24）中间为京沪高速铁路正线（双线），两边为联络线。正线采用CRTSⅡ型板式无砟轨道，联络线采用CRTSⅠ型板式无砟轨道。桥梁计算跨度为96m，钢箱梁总长98m，桥面总宽25.7m，两主拱中心距11.68m。桥梁的结构体系分为钢箱拱、钢箱梁、拱肋横撑、吊杆、现浇混凝土桥面板等，钢箱梁不仅承受垂直荷载作用，还在整个结构中充当系杆。

1.钢箱拱

主拱采用变截面钢箱拱，矢高19.2m，矢跨比1/5，拱脚与主梁固结，两拱肋间通过5道钢箱横撑连接。钢箱拱分为11个节段，包括拱脚段、标准段（K撑段、一字撑段及无横撑段）、合龙段（拱顶段）。拱肋上吊杆水平投影间距为5m。

拱肋的理论拱轴线为二次抛物线，实际拱轴线采用以折代曲，两折线交点为吊杆中心线与理论拱轴线的交点，折线间采用圆弧过渡。

拱肋箱形截面顶、底板及腹板厚均为32mm，箱宽1200mm，高度由跨中处2800mm变化至拱脚处5500mm。拱肋内隔板布置分为三种：①吊杆锚固用竖直隔板，板厚30mm；②垂直拱轴线设置的隔板，板厚16mm；③对应横撑顶、底腹板设置的隔板（此类隔板起到传递横撑轴力的作用），板厚16mm。

拱肋内采用纵向开口加劲肋，在竖直隔板处断开并与其焊接，在其他隔板处则直接穿过并单面与隔板焊接。顶板及底板均设置两道加劲肋，间距600mm。腹板由中心向两侧按700mm间距布置加劲肋，在垂直隔板处与顶底板间距大于700mm时增设一道加劲肋。腹板加劲肋与段内实际拱轴线平行布置，折线间用圆弧过渡。

节段间主拱箱板的连接为熔透焊接，纵向加劲肋的连接采用高强螺栓栓接。拱箱进人孔设置在与拱脚段相邻的拱肋节段腹板上。

2.钢箱梁

主梁采用等截面单箱九室箱形截面，梁高3m，顶宽25.7m，底宽22.5m，桥面为正交异性桥面板。标准钢梁段纵向每节段长5m，每节段横向分为三段，相邻纵向节段间的横向节段错开划分，纵向焊缝与横向焊缝间为“丁字交叉”。每纵向节段均设置两道横肋，一道吊杆锚固用隔板。拱脚段钢梁纵向长度11.5m，横向分为五段。

桥面正交异性板由16mm厚桥面板、纵向U肋、横隔板及横肋组成。U肋间距600mm，板厚8mm。无列车荷载作用的箱室及翼缘桥面板由板肋加劲。拱脚段拱肋对应箱室顶板加厚到32mm。

箱室内共设10道腹板，每线中心线均设置一道腹板，标准段主要腹板厚度为16mm，每道腹板单侧均设置两道肋加劲，拱脚段对应拱肋的四道腹板厚度为40mm。标准段底板板厚16mm，设置板肋加劲，拱脚段除拱肋对应箱室底板厚度为32mm外，其余部分板厚为16mm。箱室内横肋间距1.6m，横肋与横隔板间距为1.7m，横肋及横隔板板厚为16mm，支点处横隔板厚32mm。

纵向及横向节段间主梁连接顶板为熔透焊接，其余均采用高强螺栓栓接。钢箱梁进人孔设在拱脚段底板。

3.拱肋横撑

两拱肋间共设置五道箱形横撑，其中两道K撑、三道一字撑。一字撑断面尺寸为1420mm×1500mm，K撑斜腿截面为1378mm×420mm。横撑与拱肋间设整体节点，整体节点与横撑间为全断面熔透焊接。K撑斜腿与两端的连接及加劲肋间的连接均为高强螺栓栓接。

4.吊　杆

全桥共设吊杆15对。吊杆沿桥轴纵向间距5.0m，采用HDPE护套平行钢丝索，两端均为冷铸锚头。吊杆上端为张拉端，锚在拱箱内横隔板上，下端为锚固端，锚在箱梁内横隔板上。

5.变形协调措施

高速铁路要求无砟轨道桥梁相邻梁端的钢轨支点横向相对位移不大于1mm。96m四线钢箱拱桥的桥面宽度达25.7m，相邻正线桥梁为双线预应力混凝土箱梁，两侧联络线为预应力混凝土T梁，结构变形协调是设计关键。为保证变形协调，设计研究了牛腿支撑方案、过渡道砟槽板方案、销轴方案、横向联动方案等，并对这些方案进行了计算分析。根据研究结果，设计在钢梁下方增设横向限位装置，以保证钢箱梁与正线混凝土箱梁变形协调，同时采用横向联动方案保证钢箱梁与混凝土T梁间的变形协调。为确保支座与限位装置的安装精度，从加工工艺、安装顺序、精度要求等角度进行深入研究，确定了合理的支座及限位装置安装方案。

二、应力分析

1.整体受力

分别建立板单元模型和梁单元模型进行全桥整体结构分析。由于一般梁单元模型无法考虑主梁内力在横截面上的扩散与分布，梁单元模型采用了剪力柔性梁格进行修正。计算表明，板单元模型及修正后的梁单元模型的计算结果基本一致，桥梁各部位的应力满足设计规范要求，结构刚度和变形符合高速铁路桥梁的相关限值要求。

由于桥面很宽，偏载、不均匀温差等会使钢箱梁横断面上产生程度不同的应力分布不均匀。为了明确荷载分布及偏载对结构性能的影响，对结构在一线偏载、两线偏载和四线满载条件下的主梁结构应力分布情况进行了分析。计算表明，在一线偏载和两线偏载条件下，箱梁顶板应力分布不均匀主要集中在靠近偏载线路的中间部分，钢箱梁跨中截面最明显；底板应力分布不均匀一部分集中在靠近偏载线路的中间部分，另一部分集中在主梁两端。四线满载条件下，顶、底板应力分布不均匀主要集中在顶、底板与拱肋连接部位，其他部分截面的应力基本均匀。无论是何种工况，桥梁各部位的应力都满足规范要求。

2.局部应力

采用有限元软件对钢箱梁拱组合结构的拱脚、拱肋锚点、主梁锚点等构造细节进行局部应力分析（图4.2.25）。计算表明，全桥各关键构造细节的应力水平均满足规范要求。

3.疲劳检算

运用概率理论分析四线列车在桥上的相遇概率和次数，以及四线铁路桥在各种相遇情况下的损伤度，给出四线铁路桥梁疲劳检算中采用的四线疲劳系数计算公式。96m四线钢箱系杆拱的设计速度为高速正线350km/h、联络线160km/h，至2030年，高速线每天开行198对，联络线每天开行20对。由于联络线开行列车对数少，桥梁长度较短，三线和四线同时在桥上行车的概率极小。计算得出本桥四线疲劳系数为1.176。

疲劳计算进行了整体计算分析和局部计算分析。整体计算分析包括梁部、拱肋、吊杆的疲劳计算，计算结果表明在活载作用下全桥各构件应力满足疲劳检算要求。局部计算分析包括主梁顶板、底板、腹板、横隔板、顶板U形加劲肋、横隔板加劲肋等部位，计算结果表明正交异性板各构造细节处应力均能满足疲劳检算要求。