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

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063）

摘要：连续梁拱组合桥结构刚度大、动力稳定性好、跨越能力大、造型美观、施工方便，已经在高速铁路建设中得到较为广泛的应用。淮河特大桥跨东淝河主桥采用（112+224+112）m连续梁拱组合桥，其224m的主跨与同类项目比在跨度上有更大的突破，是目前时速350km无砟轨道同类项目的最大跨。简要介绍该桥的工程概况、主要技术标准、结构尺寸及主要计算结果，重点介绍设计技术难点及技术关键点，可为同类工程设计提供借鉴。

关键词：商合杭高铁；高速铁路；淮河特大桥；连续梁拱；组合结构；结构设计；关键技术

中图分类号：U442.5文献标识码：A文章编号：1001-683X（2020）06-0058-07

DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2020.06.058

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主要技术指标

技术指标客运专线350km双线（线间距s=5m)CRTSⅢ型板式无砟轨道ZK活载100年1概述

连续梁拱组合桥将连续梁和拱2种结构体系有机结

表1

项目线路等级设计最高时速正线数目轨道类型设计荷载标准设计使用年限合在一起，二者共同协作将跨径范围内的荷载传递到支座上［1-3］。通过拱结构对主梁的加劲作用，可以有效控制主梁挠度，增加结构的刚度与承载力，从而使梁拱组合桥成为一种受力合理、外形美观的结构体系［2-3］。连续梁拱在温福铁路昆阳特大桥首次提出使用以来，由于其较大的跨越能力、较小的结构高度、优美的外形，且施工时对桥下道路、航道通行影响较小，成为高速铁路跨越高等级公路及航道的首选桥型之一［4］。

中梁高5.5m，中支点梁高14.5m，梁底按1.6次抛物线变化。主梁共划分为99个梁段，梁拱结合部0#梁段长8.3m，其余梁段长3.0～4.5m。主梁除0#梁段、边孔直挂篮包括模板重2500kN。

25.0m，中孔合龙梁段长3.0m，边孔直线段梁段长

1.1工程概况

淮河特大桥跨东淝河主桥位于安徽省淮南市，是商合

线段在支架上施工外，其余梁段均采用挂蓝悬臂浇筑，

杭高铁全线重点控制性工程之一，跨越的东淝河为规划引江济淮工程，限制性Ⅱ级航道，双向通航。根据通航标准及防洪评估，主桥采用1孔跨越，主跨224m，采用连续梁拱组合结构，跨径组成为（112+224+112）m，全长449.5m（含梁端至支座的距离0.75m）。主桥桥式总体布置见图1。

2.1.2横向布置

主梁采用单箱双室变高度箱形截面，两边腹板为直腹板，吊杆索采用箱外牛腿锚固形式。箱梁顶宽14.2m，中支点处局部顶宽17.1m；箱梁顶板厚0.42、0.64m，中支点处局部顶板厚1.14m，边支点处局部顶板厚0.92m；箱梁底宽11.0m，中支点处局部底宽2.5m，边支点处局部底板厚0.9m。箱梁腹板厚0.4～腹板厚0.7m。主梁典型横截面见图2。

14.4m；底板厚度0.4～2.0m，中支点处局部底板厚

1.0m，中支点处局部腹板厚1.5、1.8m，边支点处局部

单位：m

图1主桥桥式总体布置图

1.2主要技术标准

淮河特大桥跨东淝河主桥主要技术指标见表1。

2

2.1

结构设计

主梁构造

纵向布置

主梁全长449.5m（含梁端至支座距离0.75m），跨

2.1.1

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2017G006-O）作者简介：余艳霞（1981—），女，高级工程师。

单位：cm

E-mail：***************

图2主梁典型横截面布置

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2.1.3

主梁隔板及吊杆横梁

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余艳霞

2.3

2.3.1

主要计算结果

主梁检算[7]

箱梁共设5道横隔板，边支点横隔板厚1.6m，中支点横隔板厚5.0m，中跨中横隔板厚0.4m，各横隔板均设进人孔。

箱梁共设22道吊点横梁，吊点横梁高1.8m，横梁厚0.4m。

（1）主梁应力。梁部主要计算结果见表2。

表2

项目上缘最大14.1016.70上缘最小0.720.49梁部主要计算结果

下缘最小3.081.69最大剪应力3.543.63最小剪应力-3.56-3.65主压应力17.5018.60MPa

主拉应力-2.03-2.29下缘最大14.7015.602.1.4主梁预应力体系

主力主+附主梁设纵向、横向和竖向3向预应力。纵向预应力采用M15-19、M15-22、M15-31规格的钢索，配套使用M15-19、M15-22、M15-31型锚具，钢索管道采用内径φ100、120、130mm金属波纹管成孔。

（2）变形计算结果。

①静活载变形。主梁最大竖向挠度：边跨为-18.9mm，挠跨比为1/5929；中跨为-40.3mm，挠跨比为1/5561；最大梁端转角0.804‰rad。

②主梁后期残余徐变值18.9mm，小于限值

2.2拱肋、横撑及吊杆

根据规范中1/3～1/7的合理矢跨比要求［5-6］，本梁

拱肋计算跨度L=224m，设计矢高f=44.8m，矢跨比f/L=1∶5，拱轴线采用二次抛物线，设计拱轴线方程为y=-1/280x+0.8x。

2

L/5000，计算结果均满足要求。

拱肋为钢管混凝土结构，采用等高度哑铃形截面，

2.3.2拱肋检算[8-10]

截面高度3.8m。拱肋弦管直径1.3m，由δ=26、32mm厚的钢板卷制而成，弦管之间用δ=20mm厚钢缀板连接，拱肋弦管及缀板内填充无收缩混凝土。两榀拱肋间横向中心距12.2m。拱肋截面见图3。

拱肋运营阶段应力结果见表3，拱肋强度、稳定性检算结果见表4。

表3

项目主钢管主力上钢管混凝土下钢管混凝土主钢管主+附上钢管混凝土下钢管混凝土拱肋运营阶段应力结果

上缘最大上缘最小下缘最大142.005.545.92147.006.296.49下缘最小56.200.85-0.6151.900.39-1.52最大主压142.006.645.92147.008.106.49MPa

最大主拉-0.52-0.44-0.61-0.60-1.61-1.52119.0027.306.644.51121.08.105.15-0.440.0620.40-1.61-0.50单位：cm

表4

图3拱肋截面

强度及稳定系数拱肋强度、稳定性检算

工况及安全系数主力主+附2.562.767.774.80两榀拱肋之间共设11道横撑，横撑均采用空间桁架撑，各横撑由4根φ600×20mm主钢管和32根

按单肢柱极限承载力检算按格构柱极限承载力检算拱的纵向稳定系数拱的横向稳定系数2.772.97φ300×16mm连接钢管组成，钢管内部不填混凝土。

吊杆顺桥向间距9m，全桥共设22组双吊杆。吊杆采用PES（FD）7-61型低应力防腐平行钢丝束。

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2.3.3吊杆检算

吊杆主力作用下最大应力为285MPa，安全系数K=5.8；主力+附加力作用下最大应力为320MPa，安全系数K=5.2。其最大应力幅为130MPa，应力幅小于150MPa，吊杆应力检算满足要求。

工况表6调整主梁支点梁高等梁端转角对比

跨度/m112+224+112115+224+115112+224+112112+224+112支点梁高/m14.514.513.514.5跨中梁高/m5.55.55.54.5梁端转角/rad0.80‰0.93‰0.90‰1.23‰本设计改变边跨长度改变支点梁高改变跨中梁高3技术难点及关键点

3.1主梁强度控制

连续梁拱主梁的强度，特别是1/4跨附近的强度为控制设计关键，增加控制部位梁高是好的解决方法。经过试算可知，仅增加跨中梁高对1/4跨部位的强度反而不利，增加支点梁高可以改善主梁强度。但是对于大跨度梁部来说，支点梁高加大，重力荷载占全部设计荷载的绝大部分，不经济也没有必要。在支点和跨中梁高相对经济合理的情况下，设计考虑调整梁底曲线线型增加主梁局部梁高的方案。本梁在保持支点梁高及跨中梁高不变的情况下，底板采用不同的曲线线型。主梁1/4跨附近梁高汇总见表5。

表5

底板曲线线型圆曲线2次抛物线1.8次抛物线1.6次抛物线（本设计）3.3不平衡弯矩及支点负反力控制

本桥边跨112m，中跨224m，边中跨比0.5，中跨

比边跨多2个悬浇梁段，并且中跨拱肋吊杆处设吊杆横梁，主梁施工中产生较大的不平衡弯矩及负反力。对不平衡弯矩及支点负反力的控制是本梁的设计关键点。

对不平衡弯矩采用临时固结措施抵抗，一般可采用墩顶临时固结、在墩旁设置临时支架或临时墩等形式。本设计采用在中墩承台上沿横桥向布置6个直径2.4m的钢管混凝土柱（见图4）。

不同线型梁高汇总

1/4跨附近梁高837.0838.7873.4912.4差值-75.4-73.7-39.00cm

由表5可知，梁底采用圆曲线和2次抛物线梁高差别不大，采用低次抛物线可以有效改善局部梁高，本梁1/4跨附近的梁高采用1.6次抛物线比圆曲线增高了75.4cm，局部梁高改善效果明显，可有效解决主梁1/4跨附近位置强度不足的情况。

图4

临时固结支墩平面

3.2梁端转角控制

施工过程支点负反力可采用梁端临时压重或者在边跨对称配重的方式控制（见图5、图6）。

差别，并由于边跨对称压重过程烦琐，本设计采用在边跨合龙时梁端压重的方式解决负反力。

2种方案均可行，应注意不同施工方案主梁变形的

本梁为高速铁路无砟轨道桥梁，梁端转角的控制是设计关键点。通过调整主梁支点梁高、跨中梁高、边跨长度调整梁端转角，转角对比见表6。

由表6可知，减小边跨长度和增加跨中梁高能有效减小梁端转角，而仅调整支点梁高对梁端转角改善很小。根据桥址布置情况，本梁边跨跨度采用112m，最大梁端转角为0.80‰rad。

3.4主梁后期残余徐变控制

预应力混凝土大跨桥梁结构，除了结构竖向刚度

以外，后期残余徐变值也直接影响梁上轨面的平整度，

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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余艳霞

束锚固时局部应力及锯齿块抗剪能力的验算及其对结构尺寸和预应力配索的影响是本梁设计的难点和关键点，通过合理调整预应力钢束纵横向布置、局部调整主梁结构尺寸、增大锯齿块纵横向尺寸及配筋等方法，解决钢束型号较大的问题。

3.6

图5

1/2主梁梁端压重示意图

支座选型及防落梁设施设置

本梁采用球形支座，各支点沿横向设3个支座，边

支点支座吨位10000kN，中支点支座吨位145000kN，每个支点横向仅1个支座抵抗横向水平力。因此，应研究支座的水平承载力以控制支座选型。本梁支座水平承载力见表8。

表8

支座位置地震水平力/kN278556101支座水平承载力

支座吨位/kN10000145000（设计水平力·竖向力-1）/%18.625.8图61/2主梁对称配重示意图

边支点对高速行车的安全性和乘坐舒适性不利，必须加以严格控制。本梁边跨跨中下挠，中跨跨中上拱，经试算比较（见表7），在保证主梁、拱肋及吊杆等受力合理的情况下，减小拱肋刚度、减小吊杆力及减小中跨跨中底板短索是控制中跨跨中上拱的有效方法。本设计通过合理调整吊杆力及预应力钢束布置，有效控制了主梁残余徐变，本设计理论计算残余徐变拱度值［11-13］：边跨-11.5mm，中跨18.9mm，满足设计要求。

表7计算比较结果

工况仅跨中吊杆力增加200kN仅跨中吊杆力增加400kN吊杆力变化仅支点吊杆力增加200kN仅支点吊杆力增加400kN仅增加4根中跨底板短索预应力钢束变化仅增加4根中跨底板长索仅增加4根边跨底板短索拱肋刚度变化刚度增大2倍徐变值19.720.619.019.121.320.718.322.4中支点由表8可知，支座承受的设计水平承载力达到其设计竖向承载力的26%，按常规支座选型不适合，应增大水平承载力。

关于防落梁的设置，由于支座设计水平力和竖向力均较大、支座尺寸较大、主梁横向位置有限，无法设置常规防落梁设施。本梁设计时将支座进行特殊设计，使得支座同时兼有支座及防落梁的功能。

mm

差量0.81.70.10.22.41.8-0.63.53.7拱脚局部应力

对于连续梁拱结构，拱脚是将拱桥上部结构荷载

传递到基础的重要传力构件，其受力性能对桥梁整体承载能力和跨越能力非常重要［14-17］。本桥拱脚位置0#块体积庞大，构造复杂，受力复杂。设计采用Ansys进行局部应力分析，指导结构尺寸及纵、横向预应力钢束布置等。经过局部应力分析可知：拱角之间桥面板附近、横隔板过人洞上下区域、中腹板支座附近等区域的横向拉应力相对较大。在考虑设置纵向、横向预应力共同作用下，0#块箱梁顺桥向应力介于-18.0～拉应力不超过2.0MPa。第一主应力低于2.0MPa，第三主应力介于-18.0～2.0MPa，各项指标均满足要求。0#块顺桥向、横桥向、竖向正应力云图见图7—图9。

CHINARAILWAY2020/063.5特大吨位预应力体系

主梁纵向预应力索最大规格为31-φ15.20mm，最

2.0MPa；横桥向正应力介于-4.76～2.0MPa；竖向最大

大张力达5640kN。由于纵向预应力钢束型号较大，钢

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4结束语

连续梁拱组合桥作为一种新型的组合结构，克服了常规拱桥对地基要求高的缺点，并通过采用拱肋加劲，梁拱共同受力的结构形式，更好地解决了大跨连续梁桥徐变变形过大、难以满足高速铁路刚度要求的缺点，能极好地适应高速铁路刚度及平顺性要求。该桥采用连续梁体系，克服刚构体系温度应力过大的缺点，特别适合桥墩高度较矮刚构体系难以适应的情况。

应力单位：Pa

224m的主跨跨度是目前建成的时速350km无砟轨道连和参考。

续梁体系拱桥中的最大跨度，可为同类工程提供借鉴

图70#块顺桥向正应力云图

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摄影史家民

责任编辑李葳

收稿日期2020-01-13

YUYanxia

(ChinaRailwaySIYUANSurveyandDesignGroupCoLtd,WuhanHubei430063,China)

Abstract:Thecontinuousgirderarchcompositebridgestructurehasbeenwidelyappliedinhighspeedrailway

construction,duetoitsadvantageousinhighstructuralrigidity,gooddynamicstability,strongcrossingcapacity,attractiveappearanceandeasyconstruction.TheHuaiheSuperLongBridgehasitsmainbridgedesignedasthe(112+224+112)mcontinuousgirderarchcompositestructuretocrosstheDongfeiRiver,andthe224mmainspanstandsasthelargestspanofitskindfor350km/hballastlesstrackprojects.Thispaperbrieflyintroducestheengineeringoverview,maintechnicalstandards,structuralsizesandmajorcalculatingresultsofthisbridge,andhighlightsthetechnicaldifficultiesindesignandkeytechnologies,offeringreferencesindesignforotherprojects.

Keywords:Shangqiu-Hefei-HangzhouHighSpeedRailway;highspeedrailway;HuaiRiverSuperLongBridge;

continuousbeamarch;compositestructure;structuraldesign;keytechnology

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