武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線140 m鋼箱系桿拱橋設(shè)計(jì)及其在高速鐵路中的應(yīng)用

金福海,文功啟,徐 勇

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處,武漢 430063)

1 橋式應(yīng)用背景

武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線設(shè)計(jì)時(shí)速350 km,軌道結(jié)構(gòu)為無(wú)砟軌道,橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)活載采用ZK活載。在汀泗河特大橋上跨高珠高速公路處(89號(hào)～90號(hào)墩),擬采用1-140 m下承式鋼箱系桿拱橋。京珠高速公路雙向四車(chē)道,路面寬28 m,與鐵路夾角為30°,需采用大跨度橋梁。

鋼箱拱橋由于具有拱橋受力性能良好且造型優(yōu)美,兼鋼結(jié)構(gòu)橋梁自重輕、建筑高度小、跨越能力大、施工周期短的特點(diǎn),因而此種橋式在跨越高等級(jí)公路及河流時(shí)具有較好的優(yōu)越性。也正是由于以上諸多優(yōu)點(diǎn),在鐵路建設(shè)尤其是國(guó)外高速鐵路中,鋼箱拱是一種常見(jiàn)的橋式,如法國(guó)地中海高速鐵路線上的棟澤爾橋,該橋拱跨2×110.3 m,總長(zhǎng)324.6 m；還有Avignon橋,該橋主跨124 m[1]。比利時(shí)在布魯塞爾—德國(guó)邊界高速鐵路線上修建了一座下承式系桿鋼拱橋Wisele bridge,主跨117 m,雙線鐵路,有砟橋面。在德國(guó)、意大利、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的高速鐵路中,也有類(lèi)似橋型的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)目前缺少建造客運(yùn)專(zhuān)線、高速鐵路大跨度鋼箱系桿拱橋的經(jīng)驗(yàn),可查到的國(guó)外已建類(lèi)似橋梁的資料都較為粗略,與設(shè)計(jì)、計(jì)算有關(guān)的資料不多。2006年鐵道部科技司決定立項(xiàng)“武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線下承式鋼箱系桿拱橋關(guān)鍵技術(shù)研究”,對(duì)該橋式進(jìn)行詳細(xì)科學(xué)研究。在1-140 m鋼箱系桿拱橋的設(shè)計(jì)中,應(yīng)用了科研課題的主要成果。

2 鋼箱拱橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 橋型布置

本橋全長(zhǎng)143 m,計(jì)算距徑140 m,全橋布置見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 鋼箱拱立面(單位：mm)

圖2 縱橫梁平面(單位：cm)

圖3 鋼箱拱側(cè)面(單位：cm)

2.2 拱肋

拱肋線型采用二次拋物線,計(jì)算跨徑140 m,矢跨比1/5。

拱肋采用變截面鋼箱,截面理論高度4.5～3.0 m,以適應(yīng)拱肋均勻受力；鋼管寬為2.0 m,每隔3 m左右設(shè)置橫隔板,與拱肋中線垂直布置,用以保證大截面鋼箱的局部穩(wěn)定性。

兩側(cè)拱肋平行布置,中心間距16 m,全橋?qū)?8 m。橋面布置在拱肋內(nèi)側(cè)。

2.3 橫撐

兩拱肋之間共設(shè)5道一字橫撐,確保拱肋的整體穩(wěn)定性,橫撐采用鋼箱截面,內(nèi)寬1.18 m,外高適應(yīng)拱肋截面高度的變化,高度為1.8～2.332 m。

2.4 橋面

橋面板采用┕┙混凝土板,通過(guò)剪力釘與縱橫梁結(jié)合,見(jiàn)圖4。橋面板一般厚度300 mm,在縱橫梁處加厚到350 mm,在板端設(shè)置高770 mm,寬400 mm的邊梁,以減少板邊的混凝土拉應(yīng)力。橋面系采用“半結(jié)合”的形式,即橋面板與縱橫梁結(jié)合,與系梁不結(jié)合,在“半結(jié)合”橋面下,整個(gè)橋面系受力明確且施工方便。

圖4 橋面布置(單位：mm)

2.5 系梁與縱橫梁

系梁為等截面鋼箱,梁高3.5 m,內(nèi)寬1.94 m。橫梁為抵抗較大的面外彎矩均設(shè)為箱形截面。其中,端橫梁為適應(yīng)梁端布置及受力要求,采用了較大的橫向截面；縱梁一般采用與橫梁等高(2.0 m)的工形截面,在與端橫梁連接的端縱梁采用了箱形截面,以減少梁端橋面板的拉應(yīng)力。

2.6 吊桿

吊桿采用工形剛性吊桿主要考慮避免了后期吊桿的更換,減少維護(hù)量,同時(shí)為整體拖拉法施工作準(zhǔn)備,吊桿在拖拉的過(guò)程中可承受一定的壓力。為減少風(fēng)振,在吊桿腹板上開(kāi)設(shè)了過(guò)風(fēng)孔。

3 主要計(jì)算成果

3.1 靜力計(jì)算結(jié)果

本橋在靜活載及荷載組合作用下,主體鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求,見(jiàn)表1。

表1 主體鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力 MPa

在靜活載作用下,系梁最大豎向位移值為4.87 cm,撓跨比1/2 817<1/1 000；梁端最大轉(zhuǎn)角為1.86‰。

3.2 橋面結(jié)合方式的比選

由于傳統(tǒng)明橋面不適應(yīng)客運(yùn)專(zhuān)線高速行車(chē)的要求,目前較為常用的有混凝土道砟板橋面結(jié)構(gòu)、混凝土整體橋面結(jié)構(gòu)、正交異性板整體鋼橋面結(jié)構(gòu)等。當(dāng)鋼混凝土全結(jié)合時(shí),系梁充當(dāng)了一般鋼桁架的弦桿的功能,屬拉彎構(gòu)件,尤其是在梁端處,混凝土的名義拉應(yīng)力超出了規(guī)范要求,很難保證后期橋面的耐久性。本橋選擇“半結(jié)合”這種橋面形式進(jìn)行了詳細(xì)研究,對(duì)11種橋面形式進(jìn)行了比較計(jì)算[2],擇優(yōu)選定了┕┙板,在此種橋面形式下,混凝土的拉應(yīng)力不超過(guò)5.5 MPa,通過(guò)高配筋,最大裂縫可控制在0.2 mm以?xún)?nèi)。

3.3 無(wú)砟軌道的適應(yīng)性

由于軌道高平順與高穩(wěn)定的要求[3],對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)提出了非常嚴(yán)格的規(guī)定[4]。本橋由于梁端轉(zhuǎn)角偏大,最大轉(zhuǎn)角值達(dá)1.86‰,且支座中心距梁端1.5 m,為適應(yīng)無(wú)砟軌道的要求,在本橋與鄰跨32 m梁間設(shè)置了過(guò)渡梁。見(jiàn)圖5。

圖5 梁端過(guò)渡梁立面布置(單位：mm)

為滿足相鄰梁梁端兩側(cè)的鋼軌支點(diǎn)橫向相對(duì)位移值不大于1 mm的要求,本橋在端橫梁下設(shè)置了橫向限位裝置——剪力榫,實(shí)現(xiàn)支座功能的分離。同時(shí),為使列車(chē)上橋上軌道的變形達(dá)到平順效果,基于列車(chē)在橋最長(zhǎng)工況,采用單線滿載實(shí)際運(yùn)營(yíng)列車(chē)活載作用下的撓度值作為軌道預(yù)拱設(shè)置的依據(jù),見(jiàn)圖6,實(shí)橋行車(chē)試驗(yàn)表明效果良好。

圖6 單線滿橋CHR3型列車(chē)活載下預(yù)拱設(shè)置值(單位m)

3.4 車(chē)橋動(dòng)力性能

經(jīng)車(chē)橋耦合計(jì)算,最大脫軌系數(shù)0.52<0.8；最大輪重橫向水平力35.9 kN<80 kN；Sperling舒適性指標(biāo)2.73<3.0,最大豎向加速度0.97 m/s2<4.9 m/s2。各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)表明：140 m鋼箱拱橋具有較好的動(dòng)力學(xué)性能,能夠滿足上述高速列車(chē)運(yùn)行安全性與舒適性要求。

3.5 成橋穩(wěn)定性能

計(jì)算以下2種工況：(1)載荷只有重力；(2)載荷加恒載、活載、側(cè)向風(fēng)載；

兩種工況下特征穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 兩種工況下特征穩(wěn)定系數(shù)

第一階最小穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到9.1,模態(tài)表現(xiàn)為拱肋側(cè)傾失穩(wěn),到第六階才出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象。特征系數(shù)表明結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定性。

3.6 局部應(yīng)力分析

拱腳和吊桿與拱肋連接處、拱腳處由于梁拱相交,且屬支座錨固區(qū),構(gòu)造復(fù)雜,處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。局部應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 拱腳應(yīng)力分布

圖8 吊桿根部應(yīng)力分布

計(jì)算結(jié)果表明,拱腳總體應(yīng)力水平不高,主力作用下等效應(yīng)力絕大部分區(qū)域在100 MPa以下。在過(guò)人孔和系梁與拱腳的連接處有局部應(yīng)力集中現(xiàn)象,但等效應(yīng)力都不超過(guò)200 MPa；吊桿最大應(yīng)力值161 MPa,應(yīng)力水平均在規(guī)范許可范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

140 m下承式鋼箱系桿拱橋作為武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線重點(diǎn)控制工程,在國(guó)內(nèi)外同類(lèi)橋梁中也是跨度最大的,首次運(yùn)用了縱橫梁結(jié)合橋面體系。通過(guò)采取一系列的設(shè)計(jì)措施,該橋經(jīng)受了350 km/h行車(chē)試驗(yàn)。本橋具有良好的強(qiáng)度與剛度,動(dòng)力性能良好,建筑高度低,施工方法靈活,橋式經(jīng)濟(jì)美觀。

[1] 劉春彥.法國(guó)地中海線高速鐵路橋梁的技術(shù)特點(diǎn)及建議[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005(5).

[2] 文功啟,金福海,徐 勇.武廣鐵路客運(yùn)專(zhuān)線140 m鋼箱系桿拱橋在無(wú)砟軌道中的應(yīng)用[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2007(S1).

[3] 趙國(guó)堂.高速軌道無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2006．

[4] 鐵建設(shè)[2007]47號(hào),新建時(shí)速300～350 km客運(yùn)專(zhuān)線設(shè)計(jì)暫行規(guī)定[上、下][S].