CN113481818B - 一种适用于超高速铁路的中承式拱桥 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桥梁设计技术领域，公开了一种适用于超高速铁路的中承式拱桥，包括主梁、主拱肋、边拱肋、刚性系杆、主墩和边墩，主梁架设于边墩之间，且主梁为连续结构，主拱肋架设于主墩之间，边拱肋架设于主墩和边墩之间，边拱肋一端与主拱肋固定连接，边拱肋另一端支撑主梁，刚性系杆固定于边拱肋与主拱肋之间。本发明的一种适用于超高速铁路的中承式拱桥，通过边拱肋和刚性系杆的配合，以及主梁连续结构的设计，使得中承式拱桥的结构形式具有良好的受力性能，在列车竖向活载作用下具有足够的竖向刚度，降低了主梁产生的梁端转角，能够满足超高速度的行车要求，确保高速铁路行车的安全性及舒适性，尤其适用于地形平坦、地质差的情况。

Description

一种适用于超高速铁路的中承式拱桥

技术领域

本发明涉及桥梁设计技术领域，特别是一种适用于超高速铁路的中承式拱桥。

背景技术

很多河流地势较为平坦，水流的横向水流过大时，不能在河中设置墩柱，常用斜拉桥作为大跨径桥梁，但是斜拉桥的竖向刚度较低，不适用于列车高速运行的要求，因此以往的高速铁路大跨度斜拉桥往往成为限速点。随着高速铁路的进一步发展，尤其是大家对高速铁路的要求越来越高，限速点逐渐成为大家不可接受之处。因此需要选用竖向刚度较好的拱桥作为高速列车通行的桥梁。

根据结构受力，拱桥可以分为推力拱，无推力拱以及部分推力拱，推力拱较为适用于V型峡谷地带，对地基要求较高，对于地势平坦且地质较差的情况，推力拱不适用，较为合适的桥型方案为部分推力拱中的中承式拱桥。

而常规的中承式拱桥由于本身结构的限制以及拱肋通常使用钢箱、钢桁或者混凝土材料，在列车竖向活载作用下主梁的竖向刚度较低，梁端转角较大，位移受温度影响较大，难以满足时速高于350km/h的超高速度的行车要求。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有技术的中承式拱桥，列车竖向活载作用下竖向刚度低，梁端转角大，难以满足时速高于350km/h的超高速度的行车要求，提供一种适用于超高速铁路的中承式拱桥，设计的结构形式具有良好的受力性能，在列车竖向活载作用下具有足够的竖向刚度，降低了主梁产生的梁端转角，能够满足超高速度的行车要求，确保高速铁路行车的安全性及舒适性，尤其适用于地形平坦、地质差的情况。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种适用于超高速铁路的中承式拱桥，包括主梁、主拱肋、边拱肋、刚性系杆、主墩和边墩，所述主梁架设于所述边墩之间，且所述主梁为连续结构，所述主拱肋架设于所述主墩之间，所述边拱肋架设于所述主墩和所述边墩之间，所述边拱肋一端与所述主拱肋固定连接，所述边拱肋另一端支撑所述主梁，所述刚性系杆固定于所述边拱肋与所述主拱肋之间。

所述主梁、所述主拱肋、所述主墩和所述边墩构成中承式拱桥的基本结构，所述主梁设计为连续结构，取消了现有的主梁分为中跨和边跨的断缝结构，保持了所述主梁在所述边墩之间的整体性及连续性，避免了现有的主梁会产生过大的梁端转角；为了克服主拱肋产生的推力，相应设置了所述边拱肋和所述刚性系杆；

所述刚性系杆和所述边拱肋的配合能够抵消大部分所述主拱肋的推力，所述刚性系杆、所述主拱肋和所述边拱肋还形成了稳定的三角形连接结构，现有主拱肋的计算跨径是主拱肋两端拱脚的中心距，而通过所述刚性系杆的连接，确定所述主拱肋计算跨径的位置，则由拱脚处变为了所述刚性系杆和所述主拱肋的连接处，因此，所述刚性系杆配合所述边拱肋能够有效减小所述主拱肋的计算跨径，进而能够有效减小所述主拱肋的推力，改善所述主拱肋拱脚处的受力；相较于柔性系杆中的钢绞线，所述刚性系杆具有较强的刚度，如钢筋混凝土形成的梁等具有一定刚度的结构均可以作为所述刚性系杆，所述刚性系杆能够增强对拱脚的约束作用，减小拱脚的弯矩。

本发明所述的一种适用于超高速铁路的中承式拱桥，通过所述边拱肋和所述刚性系杆的配合，以及所述主梁连续结构的设计，使得中承式拱桥的结构形式具有良好的受力性能，在列车竖向活载作用下具有足够的竖向刚度，降低了所述主梁产生的梁端转角，能够满足超高速度的行车要求，确保高速铁路行车的安全性及舒适性，尤其适用于地形平坦、地质差的情况。

优选地，所述刚性系杆水平设置于所述主梁的边侧，所述刚性系杆与所述主梁无连接。水平设置的所述刚性系杆，能够较好的承受所述主拱肋的推力，同时在所述边墩处减少对所述边拱肋产生的负反力，所述刚性系杆与所述主梁平行设置，即所述刚性系杆的一端固定于所述边拱肋的顶端，另一端固定于所述主拱肋上，进一步优化了所述主拱肋的计算跨径，所述刚性系杆与所述主梁无连接，能够避免所述刚性系杆与所述主梁连接时在温度作用下产生附加应力。

优选地，所述刚性系杆为预应力混凝土结构。预应力混凝土结构易于获得，控制了所述刚性系杆的生产成本，且预应力钢筋混凝土形成的所述刚性系杆，自身结构的抗拉强度和抗弯刚度，能够满足桥梁的使用需求。

优选地，所述边拱肋设有牛腿，所述牛腿用于支撑所述主梁两侧的简支梁。所述简支梁的一端放置于所述牛腿上，而无需直接通过所述边墩进行支撑，保证所述边拱肋通过所述牛腿能够承受所述简支梁的重力，进而能够尽量减小所述边拱肋受到所述边墩负反力的影响，避免所述边拱肋因所述刚性系杆的张拉导致支座脱空，优化所述边拱肋的受力情况，同时减小所述主梁产生的梁端转角。

优选地，所述边拱肋的线形是悬链线，所述主拱肋的线形也是悬链线。悬链线形的所述边拱肋，在所述主墩和所述边墩之间形成半拱状，所述边拱肋会受到所述刚性系杆的轴力，所述边拱肋的形状结构能够优化所述边拱肋受力的传递方向，减少所述边拱肋产生的所述边墩负反力，同时降低了拱脚处弯矩，所述主拱肋采用悬链线线形，能够减小主拱肋的弯矩，改善主拱肋的受力。

优选地，所述主拱肋包括劲性骨架和钢筋混凝土，所述钢筋混凝土外包于所述劲性骨架。所述劲性骨架通过钢管与钢管内的混凝土形成，所述劲性骨架和所述钢筋混凝土能够组合形成劲性骨架混凝土结构，所述主拱肋和所述边拱肋均通过所述劲性骨架混凝土结构形成，能够提高所述主拱肋和所述边拱肋的结构刚度，降低所述主拱肋和所述边拱肋受到温度的变形程度，进而减小位移受温度的影响，同时能够减小后期对拱圈运营养护的工作量。

优选地，包括拱上门式框架，所述拱上门式框架包括立柱和盖梁，所述立柱设于所述主墩上或所述边拱肋上，所述主梁置于所述盖梁上。所述拱上门式框架支撑所述主梁，能够减小主梁的计算跨度，进而减小弯矩，降低主梁的高度，从而节省材料及投资，也能提高边跨主梁的刚度，减小主梁产生的梁端转角。

优选地，所述刚性系杆与所述主拱肋的连接处以及所述边拱肋靠近所述边墩的一侧均设有横梁，所述横梁的两端分别与所述主梁两侧的拱肋固定连接，所述主梁放置于所述横梁上。所述主梁两侧的所述主拱肋通过所述横梁固定在一起，所述主梁两侧的所述边拱肋也通过所述横梁固定在一起，所述横梁能够增强了所述主拱肋和所述边拱肋的整体性，改善了中承式拱桥的受力形式，提高了中承式拱桥整体结构的稳定性。

优选地，还包括体外系杆，所述体外系杆锚固于边拱肋的顶端。所述体外系杆通过系杆支架固定于所述主梁的上方，所述体外系杆分布于所述主梁的两侧；相较于现有将所述体外系杆锚固于所述主梁与所述主拱肋的交接处，所述体外系杆锚固于所述边拱肋的顶端，所述体外系杆的轴力能够大部分传递于所述边拱肋，转化为所述边拱肋的轴力，且可使刚性系杆承受轴压力，避免在所述主梁与所述主拱肋的交接处产生较大的剪力，进而避免拱脚弯矩增大。

优选地，所述主拱肋的矢跨比为1/5～1/3。所述主拱肋的矢跨比增大，则所述主梁的竖向挠度越大，所述主梁的竖向刚度越小，但所述主拱肋的恒载轴力越小，拱脚推力也越小，因此可综合考虑所述主梁的竖向刚度和所述主拱肋的拱脚推力，来确定合适的矢跨比。

优选地，所述主梁的两侧均设置所述主拱肋和所述边拱肋，所述主拱肋的两端均固定设置所述边拱肋。所述主拱肋相对于所述主梁对称设置，所述边拱肋也相对于所述主梁对称设置，同时所述边拱肋也相对于所述主拱肋对称设置，能够使中承式拱桥的受力更为合理。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的一种适用于超高速铁路的中承式拱桥，通过边拱肋和刚性系杆的配合，以及主梁连续结构的设计，使得中承式拱桥的结构形式具有良好的受力性能，在超高速的列车通行时，具有足够的竖向刚度，降低了主梁产生的梁端转角，能够满足超高速度的行车要求，确保高速铁路行车的安全性及舒适性，尤其适用于地形平坦、地质差的路况；

2、通过对边拱肋增加的牛腿结构，能够尽量减小边拱肋受到边墩负反力的影响，避免边拱肋因系杆的张拉导致支座脱空，优化边拱肋的受力情况，同时减小主梁产生的梁端转角；

3、采用劲性骨架混凝土拱肋，相比常规的钢管拱桥大大的提高了刚度，且减小了温度变形；

4、采用刚性系杆与体外系杆结合的方式克服拱桥推力，减小拱肋的计算跨径，降低了拱桥推力，改善了拱肋的受力，相对于单一使用体外系杆，也减少了体外系杆的材料用量；

5、本发明设计的中承式拱桥，构造简洁、造型美观、受力性能好，而且具有结构刚度大、平稳性好、养护费用低等优点，能满足超高速铁路行车要求，在通过桥梁时不用进行限速，有效提升了拱桥在超高速铁路桥梁建设领域的推广和应用，提高了超高速铁路的运行效率。

附图说明

图1是实施例所述的一种适用于超高速铁路的中承式拱桥的结构示意图；

图2是图1中A-A处剖视图；

图3是图1中B-B处剖视图；

图4是图1中C-C处剖视图；

图5是实施例所述的主拱肋和边拱肋的结构示意图；

图6是图2中D处的放大图；

图7是实施例所述主梁连续有限元模型的结构示意图；

图8是实施例所述主梁连续有限元分析的主拱肋的恒载弯矩图；

图9是实施例所述主梁连续有限元分析的ZK静活载挠度图；

图10是实施例所述主梁连续有限元分析的恒载反力图；

图11是实施例所述主梁不连续有限元分析的主拱肋的恒载弯矩图；

图12是实施例所述主梁不连续有限元分析的ZK静活载挠度图；

图13是实施例所述主梁不连续有限元分析的恒载反力图；

图14是实施例所述直线形边拱肋有限元分析的恒载反力图；

图15是实施例所述直线形边拱肋有限元分析的恒载弯矩图；

图16是实施例所述悬链线形边拱肋有限元分析的主拱肋的恒载弯矩图；

图17是实施例所述悬链线形边拱肋有限元分析的ZK静活载挠度图；

图18是实施例所述悬链线形边拱肋有限元分析的恒载反力图；

图19是实施例所述刚性系杆有限元分析的ZK活载作用下的弯矩图；

图20是实施例所述刚性系杆有限元分析的二期恒载作用下的弯矩图；

图21是实施例所述柔性系杆有限元分析的ZK活载作用下的弯矩图；

图22是实施例所述柔性系杆有限元分析的二期恒载作用下的弯矩图；

图中标记：1-主梁，2-主拱肋，3-边拱肋，4-刚性系杆，5-主墩，6-边墩，7-横梁，8-牛腿，9-拱上门式框架，91-立柱，92-盖梁，10-劲性骨架，11-钢筋混凝土，12-体外系杆，13-系杆支架，14-吊杆，15-简支梁。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1-图2所示，本发明的一种适用于超高速铁路的中承式拱桥，包括主梁1、主拱肋2、边拱肋3、刚性系杆4、主墩5和边墩6，主梁1架设于边墩6之间，且主梁1为连续结构，主拱肋2架设于主墩5之间，边拱肋3架设于主墩5和边墩6之间，边拱肋3一端与主拱肋2固定连接，边拱肋3另一端支撑主梁1，刚性系杆4固定于边拱肋3与主拱肋2之间。

在本实施例中，主梁1采用连续的钢箱梁结构，主梁1水平架设于两个边墩6之间，主梁1的两侧均设有一个主拱肋2，两个主拱肋2均架设于两个主墩5之间，并确定两个主拱肋2的的矢跨比为0.25，主梁1通过吊杆14与主拱肋2固定连接；两个主墩5均位于两个边墩6之间，边拱肋3则架设于相邻的主墩5和边墩6之间，边拱肋3一端与主拱肋2的拱脚固定连接，边拱肋3的另一端放置于边墩6上，两个主拱肋2对应的四个拱脚均固定有一个边拱肋3，在边墩6上，主梁1两侧的边拱肋3会连接为一体，在每个边拱肋3的顶端，均固定设置有刚性系杆4，刚性系杆4为钢筋混凝土结构，如图3-图4所示，刚性系杆4位于主梁1的边侧，且与主梁1处于同一水平面，但刚性系杆4与主梁1没有连接，刚性系杆4的一端与边拱肋3的顶端固定，刚性系杆4的另一端则水平固定于主拱肋2上，刚性系杆4的连接形式不仅能够改善拱脚受力，还能有效减小主拱肋2的计算跨径，主拱肋2两侧与刚性系杆4的连接点的中心距，变为了主拱肋2的计算跨径，主拱肋2的计算跨径能够减小20％以上，有效减小了主拱肋2的推力。

如图5所示，主拱肋2为劲性骨架混凝土结构，即主拱肋2是通过劲性骨架10和钢筋混凝土11组成；将填充混凝土的钢管作为主拱肋的劲性骨架10，再将钢筋混凝土11形成主拱肋的主体；边拱肋3是常规的混凝土结构，当然边拱肋3也可以是劲性骨架混凝土结构，主拱肋2和边拱肋3均是悬链线的形状，主拱肋2是两个主墩5为固定点，向上弯成悬链线状，而边拱肋3是以相邻的一个主墩5和一个边墩6为固定点，由于两个主墩5的高度低于两个边墩6的高度，边拱肋3则是以高度差为基准，斜向上弯成悬链线状；四个边拱肋3在边墩6处的端面，均设置有牛腿8，主梁1两端的简支梁15，在靠近主梁1的一端均放置在边拱肋3的牛腿8上。

还包括拱上门式框架9和体外系杆12，如图3所示，拱上门式框架9包括立柱91和盖梁92，在主墩5上设有一个拱上门式框架9，立柱91与主墩5的顶面固结，盖梁92的底部与立柱91固结，盖梁92的顶部则支撑着主梁1，同时，在边拱肋3的中端也设有一个拱上门式框架9，辅助支撑着主梁1；如图6所示，体外系杆12顺桥向平行于桥面，体外系杆12选用多根钢绞线束，并置于专用的系杆支架13内，系杆支架13设于主梁1的上方，将体外系杆12的两端分别锚固于两个边拱肋3的顶端，体外系杆12用来消除主拱肋2的水平推力，相当于对主拱肋2外加体外预应力。

在刚性系杆4的下方，还间隔设置有横梁7，在刚性系杆4与主拱肋2连接处的下方设有横梁7，固定连接了主梁1两侧的主拱肋2；在边拱肋3靠近边墩6的一侧，在边拱肋3的1/3跨处也设有横梁7，固定连接了主梁1两侧的边拱肋3，两个位置的横梁7上方均能够支撑主梁1。

在对中承式拱桥的结构进行设计时，对主梁1的连续结构进行了有限元分析，中承式拱桥的有限元模型的结构图如图7所示，得到主拱肋2的恒载弯矩图如图8所示，ZK(中国客运)静活载挠度图如图9所示，其中，ZK静活载挠度最大值约为77mm，挠跨比1/4545，梁体梁端转角最大值0.87‰，恒载反力图如图10所示；将主梁1的有限元模型调整为不连续的结构，即主梁1按照常规结构隔断为三个节段，分别是一个中跨和两个边跨，有限元模型的其余参数不发生改变，进行有限元分析得到对比，得到主拱肋2的恒载弯矩图如图11所示，ZK静活载挠度图如图12所示，其中，ZK静活载挠度最大值约为91mm，挠跨比1/3516，梁体梁端转角最大值1.65‰，不满足设计要求，恒载反力图如图13所示；由此对比可知，将主梁1设为连续结构能够减小主梁1的梁端转角，同时提高了拱桥的竖向刚度，但边墩6负反力会增大。

进一步的，中承式拱桥的有限元模型在主梁1为连续结构的基础上，对边拱肋3与主梁1的夹角变化进行了有限元分析的比较，将直线形的边拱肋3与主梁1的夹角缩小为30度，得到恒载反力图如图14所示，恒载弯矩图如图15所示，可知边拱肋3与主梁1的夹角缩小后，边墩6负反力也会变小，对边拱肋3进行受力分析也可以得到该结论；因此，将边拱肋3由直线形改变半拱的悬链线形，进一步缩小边拱肋3与主梁1的夹角，并进行有限元分析，得到主拱肋2的恒载弯矩图如图16所示，ZK静活载挠度图如图17所示，其中，ZK静活载挠度最大值约为79mm，挠跨比1/4050，梁体梁端转角最大值0.49‰，恒载反力图如图18所示，可知，边拱肋3为悬链线形后，边墩6没有出现负反力，还有了约3000KN的压力，同时主拱肋2的恒载弯矩得到了缩小。

进一步的，在主梁1为连续结构和边拱肋3为悬链线形的基础上，再对中承式拱桥上刚性系杆4与柔性系杆的选择进行对比，当中承式拱桥在主拱肋2与边拱肋3之间选用钢筋混凝土制成的刚性系杆4进行模拟，得到ZK活载作用下的弯矩图如图19所示，二期恒载作用下的弯矩图如图20所示；将刚性系杆4替换为钢绞线组成的柔性系杆进行有限元分析，得到ZK活载作用下的弯矩图如图21所示，二期恒载作用下的弯矩图如图22所示；由此可知，刚性系杆4对后期载荷作用下对拱肋变形的约束更加明显，在ZK活载作用下产生的拱肋最大弯矩均明显减小，恒载拱脚弯矩也会明显减小。

综上，对中承式拱桥的结构经过有限元分析可知，主梁1为连续结构，悬链线形的边拱肋3以及刚性系杆4的设置，能够很好的提高中承式拱桥的竖向刚度，降低主梁1产生的梁端转角。

本实施例的设计的中承式拱桥，构造简洁、造型美观、受力性能好，而且具有结构刚度大、平稳性好、养护费用低等优点，能满足超高速铁路行车要求，在通过桥梁时不用进行限速，有效提升了拱桥在超高速铁路桥梁建设领域的推广和应用，提高了超高速铁路的运行效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种适用于超高速铁路的中承式拱桥，其特征在于，包括主梁(1)、主拱肋(2)、边拱肋(3)、刚性系杆(4)、主墩(5)和边墩(6)，所述主梁(1)架设于所述边墩(6)之间，且所述主梁(1)为连续结构，所述主拱肋(2)架设于所述主墩(5)之间，所述边拱肋(3)架设于所述主墩(5)和所述边墩(6)之间，所述边拱肋(3)一端与所述主拱肋(2)固定连接，所述边拱肋(3)另一端支撑所述主梁(1)，所述刚性系杆(4)固定于所述边拱肋(3)与所述主拱肋(2)之间，所述边拱肋(3)设有牛腿(8)，所述牛腿(8)用于支撑所述主梁(1)两侧的简支梁(15)。

2.根据权利要求1所述的一种适用于超高速铁路的中承式拱桥，其特征在于，所述刚性系杆(4)水平设置于所述主梁(1)的边侧，所述刚性系杆(4)与所述主梁(1)无连接。

3.根据权利要求1所述的一种适用于超高速铁路的中承式拱桥，其特征在于，所述刚性系杆(4)为预应力混凝土结构。

4.根据权利要求1所述的一种适用于超高速铁路的中承式拱桥，其特征在于，所述边拱肋(3)的线形是悬链线，所述主拱肋(2)的线形也是悬链线。

5.根据权利要求1所述的一种适用于超高速铁路的中承式拱桥，其特征在于，所述主拱肋(2)包括劲性骨架(10)和钢筋混凝土(11)，所述钢筋混凝土(11)外包于所述劲性骨架(10)。

6.根据权利要求1所述的一种适用于超高速铁路的中承式拱桥，其特征在于，包括拱上门式框架(9)，所述拱上门式框架(9)包括立柱(91)和盖梁(92)，所述立柱(91)设于所述主墩(5)上或所述边拱肋(3)上，所述主梁(1)置于所述盖梁(92)上。

7.根据权利要求2所述的一种适用于超高速铁路的中承式拱桥，其特征在于，所述刚性系杆(4)与所述主拱肋(2)的连接处以及所述边拱肋(3)靠近所述边墩(6)的一侧均设有横梁(7)，所述横梁(7)的两端分别与所述主梁(1)两侧的拱肋固定连接，所述主梁(1)放置于所述横梁(7)上。

8.根据权利要求1所述的一种适用于超高速铁路的中承式拱桥，其特征在于，还包括体外系杆(12)，所述体外系杆(12)锚固于边拱肋(3)的顶端。

9.根据权利要求1所述的一种适用于超高速铁路的中承式拱桥，其特征在于，所述主拱肋(2)的矢跨比为1/5～1/3。

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