第四节　跨京开高速公路（32+108+32）m中承式钢箱拱桥

京沪高速铁路北京特大桥跨京开高速公路主桥位于北京市大兴区。京开高速公路道路总宽65m（含辅道在内），净高要求5.5m，铁路与高速公路交角为81.2°。为了降低线路高度，满足净空要求，京沪高速铁路跨京开高速公路主桥采用（32+108+32）m飞燕式中承钢箱拱结构。这种结构形式在国内高速铁路无砟轨道桥梁中是首次应用。

一、变形控制

（32+108+32）m中承式钢箱拱采用二次抛物线形（图4.2.20），主跨拱肋矢高25.0m、矢跨比为1/4.32，边跨拱肋矢高11.75m、矢跨比为1/5.19，拱肋中心距为12.0m。为保证高速铁路的平顺性，减小温度变形，设计将拱肋和主纵梁固接，在两个拱脚设置支座，采用钢—混凝土结合梁桥面系，并在拱肋钢箱内灌注混凝土。同时，结合工程特点采用转体无支架的施工方法安装架设，减小了桥梁施工对繁忙高速公路的干扰。

中承式拱桥一般为有推力拱，矢高不受桥下净空限制，桥面可以放得较低，因此在地质条件较好和对景观要求较高的城市桥梁中得到广泛使用。然而，高速铁路要求桥梁结构整体刚度大、桥面平顺度高，而有推力中承式拱桥对温度荷载较为敏感。为减小温度荷载引起的结构变形，保证高速铁路的平顺性，设计对中承式钢箱拱桥三种可能的结构体系进行了综合比较：一是两端拱脚固结的无铰拱体系（方案一）；二是一端拱脚固结、一端拱脚设置活动支座的有铰拱体系（方案二）；三是两个拱脚均设置支座的有铰拱体系（方案三）。

针对上述三种结构体系，分别建立空间有限元分析模型，进行静力计算和变形分析，同时结合车桥动力计算结果，对不同结构体系进行综合比较。三种结构体系除边界条件不同外，其余结构尺寸均相同。

1.结构刚度

三种结构体系在ZK静活载及温度组合工况下的竖向挠度、ZK静活载作用下的梁端转角、各种横向荷载组合工况下的梁体水平挠度计算结果见表4.2.15。

计算结果表明，三种结构体系均满足高速铁路设计规范的要求。ZK静活载作用下，结构变形由小到大依次为无铰拱、一端固结有铰拱和两端支座有铰拱。考虑温度荷载因素后，桥面挠度无铰拱最大，一端固结有铰拱和两端支座有铰拱相差很小。

2.温度引起的竖向变形

根据北京地区的年平均气温，拱肋及系杆合龙温度按6℃～16℃考虑，钢结构按系统升/降温±35℃考虑，钢箱混凝土结构按系统升/降温±25℃考虑，混凝土桥面板按系统升/降温±20℃考虑，计算得到的三种结构体系的桥面竖向变形曲线如图4.2.21所示。

计算结果显示，系统升/降温工况下，方案一的桥面竖向变形很大，最大竖向变形达24.75mm，是ZK静活载挠度的2.3倍，表明无铰拱体系对温度变化非常敏感；方案二和方案三（即两种有铰拱体系）在系统升降温工况下的桥面竖向变形曲线基本吻合，最大竖向变形为7.16mm，是ZK静活载挠度的44％，表明这两种结构体系受温度变化的影响较小。

3.长、短波不平顺

高速铁路无砟轨道要求轨道静态铺设精度满足短波不平顺和长波不平顺的相关规定，反映到桥梁结构上，就是要求在没有列车运营的情况下，桥面在轨道方向规定长度内相邻点的高差必须在规定的限制范围以内。具体要求是，在30m弦长上相距5m的相邻两点间的高差不大于2mm（短波不平顺），在300m弦长上相距150m的相邻两点间的高差不大于10mm（长波不平顺）。三种结构体系的短波不平顺计算曲线如图4.2.22所示。

在系统升/降温工况下，方案一除中跨中约50m桥长范围内的短波不平顺满足要求以外，其余各点都不满足短波不平顺2mm/5m的要求，但方案二和方案三的桥面竖向变形差均小于2mm/5m。无铰拱体系中跨中最大竖向变形为24.75mm，不满足长波不平顺10mm/150m的要求，但两种有铰拱体系中跨中最大竖向变形为7.16mm，满足长波不平顺10mm/150m的要求。因此，从结构变形及高速铁路无砟轨道静态平顺性方面考虑，跨京开高速公路主桥采用两个拱脚均设单排支座的飞燕式中承钢箱混凝土有铰拱梁系统，能够适应高速铁路无砟轨道的变形要求。

二、关键技术

1.合理减小混凝土桥面板拉应力

由于采用拱式连续梁体系，恒载、活载及温度力作用下桥面板内将产生很大的拉应力。为了减小此拉应力，在主纵梁内设置8根OVM.GJ15-31B钢绞线整束挤压型拉索系杆，在拱梁固结点与拱脚支墩顶范围的桥面板内设置10束5-7ф5mm预应力钢绞线。出于同样的目的，施工时分段浇筑桥面板混凝土，后浇段混凝土采用微膨胀混凝土，同时在横梁处桥面板顶部预设的凹槽内填充密封胶，使混凝土桥面板中的纵向拉应力在凹槽处释放以减少裂缝。另外，在桥面板混凝土中添加纤维素以增强混凝土的抗拉性能，并采取高配筋控制混凝土裂纹的宽度。混凝土桥面板的裂纹宽度按主力工况下不大于0.20mm、主力+附加力工况下不大于0.24mm控制。

2.合金钢吊杆

全桥共设置吊杆11对，吊杆间距5.4m，采用直径120mm合金钢拉杆（图4.2.23），上、下端均为销接。合金钢拉杆具有易安装、养护工作量小、刚度大、景观好、施加初张力方便的优点，但钢拉杆在铁路桥中应用较少。为此，对钢拉杆开展了静载试验和疲劳试验研究，对吊杆上下锚固端钢箱进行了局部应力分析。试验和分析表明，设计采用的合金钢拉杆构造合理，可以满足受力要求。

3.拱梁固结点优化

桥梁的主拱肋和主纵梁固结，提高了结构的整体刚度。固结点采用整体节点焊接，构造复杂，不仅是设计的难点，也是钢箱拱的制造难点。

拱梁固结点承受主拱肋、主纵梁和横梁三个方向的力，受力复杂。设计中除了在整体计算模型中检算其受力以外，还对拱梁固结点进行局部应力分析，并根据分析结果优化局部构造，如整体节点腹板拱肋和主纵梁圆弧过渡时需加大圆弧半径，拱肋翼缘板开孔时应设置加劲板，横梁下翼缘接头板与主纵梁连接时应加大圆弧半径且需对焊缝进行打磨锤击使其匀顺过渡等。

4.解决边墩负反力措施

由于拱肋边跨与中跨之比太小，在成桥运营阶段，边墩负反力约为3500kN。解决边墩负反力问题的方法有多种，如在边拱肋内灌注铁钢砂混凝土、在边跨梁端加压重、增加边中跨比等，这些措施都需要结构有较大的变化，无疑会引起其他技术难题。设计采用将相邻简支箱梁支承在边跨端部钢牛腿上作为压重的方法，既避免了因施加压重而增加结构附加重量的问题，还取消了边墩不等跨顶帽，增加了结构的美观。