CN112900232B - 一种高速磁悬浮大跨度组合式钢桁架拱桥 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速磁悬浮大跨度组合式钢桁架拱桥，包括桥面(2)、拱系结构(3)、梁系结构(4)和拱下结构(5)，桥面(2)上设有高速磁悬浮轨道梁(8)，桥面(2)分为中跨以及一对位于中跨两侧的边跨，拱系结构(3)和梁系结构(4)交汇在中跨和分跨的连接处并位于桥面(2)上，梁系结构(4)包括设于中跨上的中跨主梁(401)、设于边跨上的边跨主梁(402)以及设于中跨主梁(401)和边跨主梁(402)之间的拱梁结合部主梁(403)，中跨主梁(401)、边跨主梁(402)和拱梁结合部主梁(403)均采用等高的桁架梁。与现有技术相比，本发明保证大桥具有良好的自振特性，以及较好的整体刚度和局部刚度，以满足高速磁悬浮列车行走性要求。

Description

一种高速磁悬浮大跨度组合式钢桁架拱桥

技术领域

本发明属于土木工程领域，具体涉及一种高速磁悬浮大跨度组合式钢桁架拱桥。

背景技术

铁路货运列车荷载大、振动大，对桥梁刚度要求严；高速铁路荷载轻但车速高，列车过桥时，车桥都将产生较大振动，对桥梁刚度要求也严；城市轨道交通荷载小、过桥速度低，对桥梁刚度要求可以有较大的放松。在大跨度桥梁结构中，出于行车安全性、舒适性及美观等方面的要求，大桥加劲梁应具有必要的刚度，全桥应具有良好的动力响应来满足高速磁悬浮列车的运营使用要求。

高速磁悬浮列车运行的特点是活载小，一般钢桁架拱桥已能满足规定的挠度要求；但列车过桥速度快，对桥梁结构冲击较强，因此大桥必须具有良好的动力响应。目前尚无应用于高速磁悬浮的大跨度拱桥，已建成的大跨度钢桁架拱桥如重庆朝天门长江大桥(公路、城市轻轨两用，如图1、2所示)和南京大胜关长江大桥(高铁、普通列车和城市轻轨共用，如图3、4所示)等，其结构构造形式在应用于高速磁悬浮线路时均会出现相应问题而不满足列车运行使用要求。

从图1、2中可以看出，重庆朝天门大桥为上层公路、下层城市轻轨共用的大跨度钢桁架拱桥，其加劲梁为桁架形式，边跨部分为常见“N”形桁架，边跨和主拱结合部分可看成上弦为主拱上弦横向连接系的变高桁架，主跨吊杆区部分仍为桁架形式，但取消了斜腹杆构造。大桥上下层桥面都采用正交异性桥面板及纵横梁体系构造，其断面形式如图2。朝天门大桥的一阶竖弯频率为0.276Hz，即磁浮列车高速过桥时会引起结构较大振动，不满足高速磁浮使用要求。

从图3、4中可以看出，长江大胜关大桥为四跨连续拱桥设计，高铁、普通铁路及城市轻轨共用，使得大桥活载值很大，故采用三片主桁设计方案(如图4)，边跨主梁为桁架梁形式，主跨吊杆区内主梁为系杆及纵横梁组成的梁格受力系统。边跨及主跨桥面均采用正交异性钢桥面板构造。经计算，大胜关大桥一阶竖弯频率为0.323Hz，国产高速铁路列车最高可以240km/h速度通过，但与磁浮列车过桥速度尚有一定差距。

在高速磁浮交通中，由于磁浮列车与轨道梁之间耦合工作的特点，桥上轨道梁是否平顺是影响列车安全行驶的关键，磁浮间隙过大或过小都会导致减弱或失去磁浮力，如图5、6所示，其中，图5中出现了一些构件，如滑行支承轨101、导向和制动轨102、长定子铁芯和线圈103和支撑梁104，图6中出现了一些构件和角度，如轨道梁顶面105、轨道梁折角106、悬浮电磁铁107和定子面108，悬浮电磁铁107和轨道梁之间存在磁浮间隙，悬浮电磁铁107与轨道梁之间存在电磁力，力的方向为从悬浮电磁铁107朝向轨道梁，并垂直于两者的表面，其中描述轨道梁平顺性的重要指标是轨道梁折角。

目前已建成的高速磁浮线路以中小跨径的高架桥梁为主，上海示范线预应力混凝土梁梁长共分为12.384m，18.576m，21.672m，24.768m几种形式，除12.384m梁全部采用简支结构外，其余3种梁结构形式分别为简支结构及简支变连续两种型式。图7所示的高速磁浮中小跨径预应力混凝土复合梁(即轨道梁，下同)的梁长为24.768m，图8所示的高速磁浮中小跨径预应力混凝土复合梁的梁长为12.384m，图7中的(a)和图8中的(a)均为立面图，图7中的(b)和图8中的(b)均为横断图。

当线路沿线遇到常规高架轨道梁无法跨越的河流、山岭、公路、铁路及立交等障碍或构筑物时，必须采用大跨度桥梁或隧道结构跨越，此时轨道梁置于大桥桥面或隧道内路面。

在大跨度高速磁悬浮斜拉桥中，特制轨道梁简支于大桥桥面，轨道梁跟随大桥桥面变形，斜拉桥加劲梁在列车活载作用下的变形量决定了轨道梁折角的大小，具体示意如图9所示，其中，该图中出现了一些构件，如原大桥轨道梁109、原大桥桥面110、变形后大桥桥面111、i轨道梁112、j轨道梁113，△i₁和△i₂为i轨道梁112变形产生的变化值，△j₁和△j₂为j轨道梁113变形产生的变化值。传统的公路或铁路(含公铁两用)斜拉桥加劲梁很难满足磁浮列车对轨道梁平顺性的要求。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高速磁悬浮大跨度组合式钢桁架拱桥，保证大桥具有良好的自振特性，以及较好的整体刚度和局部刚度，以满足高速磁悬浮列车行走性要求。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高速磁悬浮大跨度组合式钢桁架拱桥，所述拱桥包括桥面、拱系结构、梁系结构和拱下结构，所述桥面上设有高速磁悬浮轨道梁，所述桥面分为中跨以及一对位于中跨两侧的边跨，所述拱系结构和梁系结构交汇在中跨和分跨的连接处并位于桥面上，所述梁系结构包括设于中跨上的中跨主梁、设于边跨上的边跨主梁以及设于中跨主梁和边跨主梁之间的拱梁结合部主梁，所述中跨主梁、边跨主梁和拱梁结合部主梁均采用等高的桁架梁。

所述拱系结构为拱肋，包括拱背和拱腹，所述拱背延伸至拱梁结合部主梁的顶部，所述拱背和拱梁结合部主梁之间采用非连续连接，即拱背和拱梁结合部主梁之间是分开的，与传统的一体连续的形式存在不同，所述拱腹延伸至拱下结构。

所述拱背的主体部分的线形采用二次抛物线，所述拱背的端部采用反向圆曲线进行过渡。

所述拱腹的矢跨比为1/4。

所述拱下结构包括桥墩、桥台和基础。

所述拱系结构采用桁架拱，包括拱系上弦杆、拱系下弦杆、拱系竖腹杆和拱系斜腹板，所述梁系结构包括梁系上弦杆、梁系上平联、梁系下弦杆、梁系竖腹杆和梁系斜腹板。

所述中跨主梁、拱梁结合部主梁和边跨主梁均采用“N”形桁架形式，所述拱系结构采用“N”形桁架形式。

所述拱系下弦杆、位于中跨主梁和拱梁结合部主梁交界处的梁系竖腹杆以及位于所述梁系竖腹杆两侧的梁系斜腹板三者之间形成K字。

所述拱系上弦杆、拱系下弦杆、梁系上弦杆和梁系下弦杆均采用箱形截面，所述拱系竖腹杆、拱系斜腹板、梁系上平联、梁系竖腹杆和梁系斜腹板均采用工字形截面。

所述桥面的底部沿横桥向设有多个横梁。

所述桥面的底部沿纵桥向设有多个加劲梁，所述加劲梁位于高速磁悬浮轨道梁的正下方，所述加劲梁垂直于横梁设置。加劲梁可保证高速磁悬浮轨道梁的承重能力。

所述横梁上设有U形加劲肋和T形加劲肋。由于高速磁浮列车及其荷载的特殊性，加劲肋的厚度可以适当减小，组成桥面的桥面板的厚度也可适当减小。

所述横梁采用工字形截面。

所述梁系结构设有多个节点，所述高速磁悬浮轨道梁的底部设有轨道梁支座，位于节点处和轨道梁支座处的横梁和梁系下弦杆等高。

位于轨道梁支座处的横梁采用大刚度横梁，保证此处的横梁能够支承住轨道梁支座所传来的力，在无轨道梁支座处的横梁采用小刚度横梁，即位于轨道梁支座处的横梁的刚度大于位于无轨道梁支座处的横梁的刚度，大刚度横梁的刚度值以及小刚度横梁的刚度值根据实际情况(包括磁浮列车的净重、空载时的总重、满载时的总重、不同行驶速度时经过产生的力等)进行选择。

每个节点之间设有三道横梁，三道横梁均匀分布，横梁可以起支撑作用，保证桥面能够保持在同一水平面上。

所述拱桥为中承式拱桥。

所述梁系结构的顶部(即梁系上弦杆的顶部)可设置辅助桥面，该辅助桥面作为公路，使拱桥成为上层公路、下层磁浮的两用桥梁，此为后期可考虑综合开发大桥的功用之一，另外，城市供电、供水排污、供气等管线，在确保安全的前提下也可以从大桥空余部分布设穿过，以期充分利用材料强度，达到更好的经济效果。

以往的钢桁架拱桥，边跨为平弦桁架，边跨和主拱结合部为变高桁架，跨中主梁再变为纵横梁体系或桁架梁形式。本发明的组合式钢桁架拱桥体系中，根据高速磁悬浮列车运行要求，保持全桥主梁均为桁架形式，即包含钢桁架拱肋结构，全桥等高度的钢桁架主梁及拱梁结合部位桁架构造，且在拱梁结合部位处将拱系结构和梁系结构的杆件分别处理，以提高大桥竖弯自振频率和桥面刚度。

本发明的组合式桁架拱桥应用于高速磁浮线路，满足高速磁悬浮列车双线运行要求，满足高速磁浮列车桥上轨道梁布设的特殊要求，钢桁架主梁的净空高度满足磁浮列车的行车净空要求，保证大桥具有良好的自振特性，满足列车行走的挠度要求，具有较好的整体刚度和局部刚度，竖向刚度也非常大，主桥一阶竖弯频率提高到0.364Hz，提高幅度较大，可满足的列车过桥速度达到350km/h，相对于磁浮静力荷载来说，结构安全储备充足。同时，本发明拱桥中的各杆件之间采用刚接的形式，可以通过调节桁架梁的高度以及桁架上下弦杆件的构造尺寸来达到不同的拱梁刚度比，调节大桥的动力系数，另外，和传统的钢桁架拱桥相比，本发明的钢桁架拱桥在拱脚处的长大杆件较少，施工安装方便，更有利于控制主拱的施工质量。

附图说明

图1为重庆朝天门大桥立面布置图；

图2为重庆朝天门大桥的主断面及桥面系构造示意图；

图3为南京大胜关长江大桥立面布置图；

图4为南京大胜关长江大桥边跨平弦断面布置；

图5为磁浮列车和轨道梁之间的位置关系图；

图6为磁浮间隙因轨道梁不平顺而变化示意图；

图7为第一种预应力混凝土复合梁的立面和横断面示意图；

图8为第二种预应力混凝土复合梁的立面和横断面示意图；

图9为大桥变形与轨道梁转角的关系示意图；

图10为本发明的拱桥立面示意图；

图11为拱桥的中跨主梁断面示意图；

图12为拱桥的边跨主梁断面示意图；

图13为梁系下弦杆的截面布置形式；

图14为梁系上弦杆的截面布置形式；

图15为梁系竖腹杆、梁系斜腹杆和梁系上平联的截面布置形式；

图16为横梁的截面布置形式；

图17为对比例1的大跨度钢桁架拱桥的立面布置图；

图18为对比例1的大跨度钢桁架拱桥的断面示意图。

图中：101-滑行支承轨；102-导向和制动轨；103-长定子铁芯和线圈；104-支撑梁；105-轨道梁顶面；106-轨道梁折角；107-悬浮电磁铁；108-定子面；109-原大桥轨道梁；110-原大桥桥面；111-变形后大桥桥面；112-i轨道梁；113-j轨道梁；2-桥面；3-拱系结构；301-拱背；302-拱腹；303-拱系下弦杆；4-梁系结构；401-中跨主梁；402-边跨主梁；403-拱梁结合部主梁；404-梁系竖腹杆；405-梁系斜腹板；406-梁系下弦杆；5-拱下结构；6-横梁；601-U形加劲肋；602-T形加劲肋；7-加劲梁；8-高速磁悬浮轨道梁。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图10所示，一种高速磁悬浮大跨度组合式钢桁架拱桥，拱桥包括桥面2、拱系结构3、梁系结构4和拱下结构5(拱下结构5包括桥墩、桥台和基础，)，桥面2上设有高速磁悬浮轨道梁8，桥面2分为中跨以及一对位于中跨两侧的边跨，拱系结构3和梁系结构4交汇在中跨和分跨的连接处并位于桥面2上，梁系结构4包括设于中跨上的中跨主梁401、设于边跨上的边跨主梁402以及设于中跨主梁401和边跨主梁402之间的拱梁结合部主梁403，中跨主梁401、边跨主梁402和拱梁结合部主梁403均采用等高的桁架梁。

拱系结构3为拱肋，包括拱背301和拱腹302，拱背301延伸至拱梁结合部主梁403的顶部，拱背301和拱梁结合部主梁403之间采用非连续连接，拱腹302延伸至拱下结构5，拱背301的主体部分的线形采用二次抛物线，拱背301的端部采用反向圆曲线进行过渡。

拱系结构3采用桁架拱，包括拱系上弦杆、拱系下弦杆303、拱系竖腹杆和拱系斜腹板，梁系结构4包括梁系上弦杆、梁系上平联、梁系下弦杆406、梁系竖腹杆404和梁系斜腹板405，中跨主梁401、拱梁结合部主梁403和边跨主梁402均采用“N”形桁架形式，拱系结构3采用“N”形桁架形式，该“N”形桁架形式均是以拱桥的中轴线为对称中心进行镜面对称。其中，位于中跨主梁401和拱梁结合部主梁403交界处两侧的梁系竖腹杆404的倾斜方向相反。

拱系下弦杆303、位于中跨主梁401和拱梁结合部主梁403交界处的梁系竖腹杆404以及位于梁系竖腹杆404两侧的梁系斜腹板405三者之间形成K字，具体地，拱系下弦杆303和梁系结构4的相交水平长度横跨两个节间距，共和三个梁系竖腹杆404相连接，与位于中间的梁系竖腹杆404相交在梁系竖腹杆404的中部，此时梁系斜腹板405的一端位于梁系竖腹杆404的端部，另一端位于拱系下弦杆303和位于中间的梁系竖腹杆404的相交处。

拱系上弦杆和梁系上弦杆均采用箱形截面，具体如图14所示，拱系下弦杆303和梁系下弦杆406均采用箱形截面，具体如图13所示，拱系竖腹杆、拱系斜腹板、梁系上平联、梁系竖腹杆404和梁系斜腹板405均采用工字形截面，具体如图15所示。

如图11、12所示，桥面2的底部沿横桥向设有多个横梁6，横梁6采用工字形截面(如图16所示)，横梁6上设有U形加劲肋601和T形加劲肋602，具体可参照对比例1的设置方式)。桥面2的底部沿纵桥向设有多个加劲梁7，加劲梁7位于高速磁悬浮轨道梁8的正下方，加劲梁7垂直于横梁6设置，本实施例中加劲梁7共设置两个，分别对应单个高速磁悬浮轨道梁8的中轴线的下方。

梁系结构4设有多个节点，高速磁悬浮轨道梁8的底部设有轨道梁支座，位于节点处和高速磁悬浮轨道梁支座处的横梁6和梁系下弦杆406等高，位于轨道梁支座处的横梁6采用大刚度横梁6，每个节点之间设有三道横梁6。其余未详尽说明的构件之间的连接关系和设置形式均参照现有的拱桥进行设置。

如图10所示，具体地，该拱桥为中承式拱桥(后期可在梁系结构的顶部设置辅助桥面，该辅助桥面作为公路，)，总跨径布置为(210.528m+495.36m+210.28m)，拱梁结合部主梁403的横向总长度为(61.920m+61.920m)，拱背301的端部采用R＝700m的反向圆曲线进行过渡，桥面2距离水面的高度为420.862m，梁系结构的梁系上弦杆距离水面的高度为(42.086m+21.072m)，即桁架梁的主梁高度为21m，位于拱顶处的拱腹距离水面的高度为(42.086m+21.072m+60.682m)，位于拱顶处的拱背距离水面的高度为(42.086m+21.072m+60.682m+14m)，即桁架拱的拱系下弦杆的矢高为123.84m，矢跨比1/4。桁架梁的梁系上弦杆、梁系下弦杆内高分别为1400mm、3000mm，板厚为22mm、28mm和32mm三种。如图11所示，具体地，桥面的横向长度为25m，横梁6的厚度为3m，桥面2距离拱系结构3下表面的竖向长度为9.478m，拱系结构3的竖向厚度为10.072m。

将本实施例中的拱桥进行建模计算分析，加劲梁构造尺寸及计算结果对比如表1所示。

对比例1

一种设想的应用于高速磁悬浮线路的大跨度钢桁架拱桥，其跨径布置为(210.528m+495.36m+210.28m)，其立面、桥面布置分别如图17、18所示。图17中，位于拱下结构上方的过渡段水平总长度为(61.920m+61.920m)，拱圈上拱背和梁的过渡段的端部采用R＝430m的反向圆曲线进行过渡，桥面距离水面的高度为42.086m，梁的顶部距离水面的高度为(42.086m+6m)，位于拱顶处的拱腹距离水面的高度为(42.086m+6m+65.754m)，位于拱顶处的拱背距离水面的高度为(42.086m+6m+65.754m+14m)。图18中，桥面的横桥向总长为25m，分别为(3.8m+3m+3m+2.7m+2.7m+3m+3m+3.8m)，单个高速磁悬浮轨道梁或单个高速磁浮列车的横向长度为5.4m，桥面的底部设有横梁，横梁的厚度为3m，横梁的顶部设有U形加劲肋和T形加劲肋，T形加劲肋包括长款T形加劲肋和短款T形加劲肋，长款T形加劲肋的长度为1.5m，宽度为0.5m，短款T形加劲肋的的长度为0.5m，宽度为0.5m，横梁的两侧和系杆(即下弦杆)相连接。

分别采用实施例1和对比例1两种结构形式的拱桥进行建模计算分析，加劲梁构造尺寸及计算结果对比如表1所示。

表1两种形式拱桥动力响应效果对比

经计算，虽然对比例1所示的拱桥满足磁浮列车行走的刚度要求，但是大桥一阶竖弯频率为0.290Hz，不能满足磁浮列车高速行驶的动力要求，而本发明的拱桥主梁的刚度大幅提高，大桥一阶竖弯频率提高26％，可满足磁浮列车高速过桥要求。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高速磁悬浮大跨度组合式钢桁架拱桥，其特征在于，所述拱桥包括桥面(2)、拱系结构(3)、梁系结构(4)和拱下结构(5)，所述桥面(2)上设有高速磁悬浮轨道梁(8)，所述桥面(2)分为中跨以及一对位于中跨两侧的边跨，所述拱系结构(3)和梁系结构(4)交汇在中跨和分跨的连接处并位于桥面(2)上，所述梁系结构(4)包括设于中跨上的中跨主梁(401)、设于边跨上的边跨主梁(402)以及设于中跨主梁(401)和边跨主梁(402)之间的拱梁结合部主梁(403)，所述中跨主梁(401)、边跨主梁(402)和拱梁结合部主梁(403)均采用等高的桁架梁；

所述拱系结构(3)采用桁架拱，包括拱系上弦杆、拱系下弦杆(303)、拱系竖腹杆和拱系斜腹板，所述梁系结构(4)包括梁系上弦杆、梁系上平联、梁系下弦杆(406)、梁系竖腹杆(404)和梁系斜腹板(405)；

所述中跨主梁(401)、拱梁结合部主梁(403)和边跨主梁(402)均采用“N”形桁架形式，所述拱系结构(3)采用“N”形桁架形式；

所述拱系下弦杆(303)、位于中跨主梁(401)和拱梁结合部主梁(403)交界处的梁系竖腹杆(404)以及位于所述梁系竖腹杆(404)两侧的梁系斜腹板(405)三者之间形成K字；

所述拱系上弦杆、拱系下弦杆(303)、梁系上弦杆和梁系下弦杆(406)均采用箱形截面，所述拱系竖腹杆、拱系斜腹板、梁系上平联、梁系竖腹杆(404)和梁系斜腹板(405)均采用工字形截面。

2.根据权利要求1所述的一种高速磁悬浮大跨度组合式钢桁架拱桥，其特征在于，所述拱系结构(3)为拱肋，包括拱背(301)和拱腹(302)，所述拱背(301)延伸至拱梁结合部主梁(403)的顶部，所述拱背(301)和拱梁结合部主梁(403)之间采用非连续连接，所述拱腹(302)延伸至拱下结构(5)。

3.根据权利要求1所述的一种高速磁悬浮大跨度组合式钢桁架拱桥，其特征在于，所述桥面(2)的底部沿横桥向设有多个横梁(6)，沿纵桥向设有多个加劲梁(7)，所述加劲梁(7)垂直于横梁(6)设置。

4.根据权利要求3所述的一种高速磁悬浮大跨度组合式钢桁架拱桥，其特征在于，所述加劲梁(7)位于高速磁悬浮轨道梁(8)的正下方。

5.根据权利要求3所述的一种高速磁悬浮大跨度组合式钢桁架拱桥，其特征在于，所述横梁(6)上设有U形加劲肋(601)和T形加劲肋(602)。

6.根据权利要求3所述的一种高速磁悬浮大跨度组合式钢桁架拱桥，其特征在于，所述高速磁悬浮轨道梁(8)的底部设有轨道梁支座，位于轨道梁支座处的横梁(6)采用大刚度横梁(6)。

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