鄭州黃河公鐵兩用橋主橋鋼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

郭子俊,肖海珠,徐 偉

(中鐵大橋勘測設(shè)計院有限公司,武漢 430050)

1 概述

鄭州黃河公鐵兩用橋為京廣鐵路客運專線及鄭州—新鄉(xiāng)城際公路跨越黃河的共用橋梁,公鐵合建段全長9.177 km。鐵路為雙線客運專線ZK荷載,設(shè)計時速350 km。公路為雙向6車道一級公路,設(shè)計時速100 km[1]。

2 總體布置

主橋全長1 684.35 m,共 2聯(lián),第 1聯(lián)為(120+5×168+120)m的六塔連續(xù)鋼桁結(jié)合梁斜拉橋,結(jié)構(gòu)體系為塔、梁固結(jié),墩梁分離。第2聯(lián)為5×120 m的連續(xù)鋼桁結(jié)合梁。主橋為3片主桁,邊桁傾斜[2]。采用球形支座,2聯(lián)分別在4號及8號墩頂設(shè)置縱向固定支座。橫向固定支座布置在中桁。主橋橋式布置見圖1。

上層為鋼梁上弦桿與混凝土橋面板結(jié)合形成的公路結(jié)合橋面。下層為鐵路橋面,線間距7 m,采用正交異性整體鋼橋面。主桁、鐵路橋面板等主體結(jié)構(gòu)鋼材材質(zhì)為Q370qE。

圖1 鄭州黃河公鐵兩用橋主橋橋式布置(單位:m)

3 結(jié)構(gòu)介紹

3.1 主桁

主桁采用無豎桿的三角形桁式,桁高14 m,節(jié)間距12 m[3]。橫向布置為3片桁,中桁垂直,邊桁傾斜,傾斜角度 14.036°。下弦桁間距8.5 m,桁寬 17 m,上弦桁間距12 m,桁寬24 m。主橋橫斷面布置見圖2。

主桁上下弦桿均為箱形截面,其中邊桁弦桿適應(yīng)斜主桁的形式,采用平行四邊形截面,中桁采用矩形截面,如圖3所示。

上弦桿內(nèi)高1200mm,下弦桿高1 400 mm,上、下弦桿內(nèi)寬均為940 mm。中桁桿件寬度在塔根節(jié)點附近寬度漸變到1 400mm,以利于與主塔連接。主桁采用整體節(jié)點形式,上、下弦桿四面等強對接拼裝。腹桿采用箱形截面及H形截面,桿件外寬940 mm,腹桿插入節(jié)點板內(nèi)拼接。主桁拼接采用M30高強螺栓。

圖2 主橋橫斷面布置(單位:cm)

圖3 上、下弦桿平行四邊形截面(單位:mm)

下弦桿頂板與橋面頂板熔透焊接,弦桿頂板加寬伸出豎板,節(jié)點板范圍內(nèi)弦桿頂板開槽口便于節(jié)點板穿出。弦桿豎板上焊接橫梁腹板接頭,在對應(yīng)橫梁位置弦桿底板局部加寬形成橫梁底板接頭[4]。

中桁上弦節(jié)點連接主塔,錨固斜拉索,構(gòu)造復(fù)雜。連接主塔節(jié)點橫向內(nèi)寬1 400 mm,在弦桿頂板上四面焊接主塔底連接板與主塔根部對拼。斜拉索錨固在箱形上弦桿內(nèi),兩塊錨板與弦桿豎板熔透焊接,錨管穿出弦桿頂板及底板進(jìn)人孔處焊補強板。

主桁上拱度的設(shè)置是通過上弦桿節(jié)間長度的伸縮來實現(xiàn)的。上弦桿桿件長度保持不變,通過拼接板的伸長和縮短來調(diào)節(jié)節(jié)間長度。

3.2 鐵路橋面

鐵路橋面為正交異性整體鋼橋面板,橋面頂板厚16 mm。節(jié)點處設(shè)節(jié)點橫梁,間距12m,兩片橫梁中間設(shè)節(jié)間橫梁,間距3 m。橫梁均為倒T形結(jié)構(gòu),節(jié)點橫梁腹板高 1 400 mm,板厚16 mm,翼板寬480 mm,板厚24 mm,支點處節(jié)點橫梁翼板加寬為560 mm,厚24～32mm。節(jié)間橫梁腹板高1400 mm,板厚12 mm,翼板寬400 mm,板厚24 mm。橋面板縱向采用U肋和板肋加勁,U肋頂寬400 mm,底寬300 mm,高300 mm,板厚10 mm,間距 800 mm。板肋高 160 mm,厚14 mm。鐵路橋面橫斷面如圖4所示。

圖4 1/2鐵路橋面橫斷面(單位:mm)

鐵路橋面板標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段橫向?qū)?.1m,縱向長12m。橋面板與主桁的連接在工地現(xiàn)場完成。橋面頂板連接采用焊接,橫梁腹板和翼板采用M24高強螺栓連接,縱肋采用M22高強螺栓連接。

3.3 公路橋面

公路混凝土橋面板全寬32.5 m,橫向跨度12 m,懸臂長4.25 m。懸臂板端厚18 cm,跨中板厚35 cm,上弦桿頂設(shè)梗脅加厚。橋面板支撐于鋼桁梁上弦桿,通過弦桿頂板布置的φ 22 mm圓柱頭剪力釘結(jié)合在一起共同受力[5]。

混凝土橋面板為預(yù)制構(gòu)件,采用C60混凝土。預(yù)制板橫橋向分為2塊,標(biāo)準(zhǔn)塊長1572 cm,寬340cm。為減少混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響,要求預(yù)制板存放時間不少于6個月。預(yù)制板間濕接縫現(xiàn)澆C60微膨脹混凝土,橫向濕接縫寬60 cm,中桁頂沿橋長的縱向濕接縫寬為76～90cm,邊桁上弦桿剪力釘處預(yù)留40cm×92 cm濕接縫槽口。公路橋面布置見圖5。

圖5 1/2公路橋面布置(單位:cm)

混凝土板內(nèi)布置有縱橫向預(yù)應(yīng)力,縱橋向采用5～12φs15.2 mm 預(yù)應(yīng)力束。橫橋向采用 5φs15.2 mm預(yù)應(yīng)力束。

3.4 聯(lián)結(jié)系

本橋不設(shè)中間橫聯(lián)及平聯(lián)。僅在支點處設(shè)橋門架,端橋門設(shè)置在端豎桿上,中間橋門架設(shè)置在斜腹桿上,橋門架高4.0m。上弦設(shè)橫撐桿連接邊中桁弦桿,橫撐桿為高420 mm,寬618 mm的H形桿件。

3.5 主塔及斜拉索

主塔布置在中桁,塔高37 m,采用鋼箱結(jié)構(gòu)。立面布置為“人”字形,從塔頂?shù)膯蜗湎蛩诐u變?yōu)殡p箱截面。塔橫橋向?qū)挾炔蛔?縱向?qū)挾戎饾u變化。塔根部雙箱間距12 m,連接在支點兩側(cè)的上弦節(jié)點,單箱內(nèi)尺寸1.4 m×2.0 m,翼板厚28 mm,腹板厚40 mm。塔頂尺寸為1.4 m×2.0 m。橋塔豎向分為3段,塔頂段長13.1 m,中段長12.3 m,塔根段長11.6 m。各塊件在工廠制造,工地采用高強螺栓拼接。

每個主塔布置有5對斜拉索。斜拉索在塔內(nèi)錨箱處張拉,采用熱鍍鋅平行鋼絲,規(guī)格為253φ 7 mm。

3.6 采用的新結(jié)構(gòu)

本橋荷載具有高速、重載的特點,對橋面行車提出了很高的要求。另外本橋公鐵合建橋面具有上寬下窄的特點,傳統(tǒng)的桁架形式不能很好地適用。針對這些特點在設(shè)計中采用了一些新結(jié)構(gòu)。

(1)斜主桁及平行四邊形弦桿

過去我國修建的公鐵兩用橋主桁均為直桁形式,每一片主桁架上、下弦桿及腹桿都在豎直面內(nèi)。箱形弦桿形狀都采用矩形。直桁斷面比較方案見圖6。

圖6 直桁斷面比較方案(單位:cm)

鄭州黃河公鐵兩用橋主橋的公路橋面寬為32.5 m,鐵路面寬17m,寬度相差大。如果鐵路橋面寬度不變,采用直桁的形式,公路懸臂7.75 m。懸臂寬度過大,需要在每個節(jié)點處專門設(shè)置鋼托架支撐。直桁形式鋼材用量增加,且視覺雜亂。如果增加鐵路橋面寬度以減小公路懸臂板寬度,將使鐵路橋面橫向跨度增加,鐵路橫梁用鋼量增加,不經(jīng)濟(jì)。

因此,主橋采用了斜主桁的形式來適應(yīng)雙層橋面寬度懸殊的特點。主橋采用3片主桁的形式,其中邊桁為斜桁,弦桿相應(yīng)采用平行四邊形桿件?！靶敝麒?、平行四邊形弦桿”在國內(nèi)為首次采用,適應(yīng)了本橋上層公路橋面寬,下層鐵路橋面窄的特點?？梢詼p小橋面板的懸臂長度,使公路橋面板橫向布置更趨合理。公路橋面不設(shè)橫梁和托架,構(gòu)造簡化,線條流暢。

主桁采用斜桁的形式,優(yōu)化了桁架構(gòu)造細(xì)節(jié),受力合理、構(gòu)造簡單,新穎美觀。

(2)鐵路正交異性整體鋼橋面

傳統(tǒng)的鐵路橋面是縱橫梁明橋面的結(jié)構(gòu)形式,但高速鐵路列車在明橋面上行駛時,噪聲大,并且由于橋面剛度和質(zhì)量較小,行車速度受到限制,對于350 km/h的設(shè)計行車速度,明橋面的結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)不能滿足行車要求[4]。縱橫梁橋面系與道砟槽板結(jié)合的橋面結(jié)構(gòu)可以用于高速鐵路,但共同作用大,橋面整體性較差。

因此,為使高速鐵路行車平順,鐵路橋面采用了剛度大,整體性好的正交異性板整體鋼橋面[6]。鋼橋面為多橫梁構(gòu)造,縱向用U肋加勁,不設(shè)縱梁。

采用多橫梁,減小了橫梁間距,橫梁受力減小,降低了橫梁高度?？v向加勁肋不僅是構(gòu)造需要,也是重要受力構(gòu)件,使縱肋材料得以充分發(fā)揮。不設(shè)縱梁,簡化了橋面構(gòu)造,制造方便、安裝簡單,后期檢查維修工作量減少。

(3)無橋面系的公路結(jié)合橋面

常規(guī)的縱橫梁橋面系的結(jié)合橋面[7],由于設(shè)有縱橫梁結(jié)構(gòu),連接接頭眾多,構(gòu)造復(fù)雜,安裝費時,維修也不方便。且橋面系構(gòu)造用鋼量大,也不經(jīng)濟(jì)。

因此,主橋公路橋面采用了無縱橫梁橋面系的結(jié)合橋面板,橋面板內(nèi)布置了橫向預(yù)應(yīng)力。這種新型橋面承載能力大,整體性好,不設(shè)鋼橋面系及平聯(lián)。結(jié)構(gòu)簡潔,節(jié)約鋼材。

4 鋼梁涂裝

鋼梁涂裝按照《鐵路鋼橋保護(hù)涂裝》(TB/T1527—2004)要求的第7體系進(jìn)行,要求底漆2道,每道干膜厚度 40 μ m;中間漆2道,每道干膜厚度40 μ m;面漆2道,每道干膜厚度35 μ m。涂層總的干膜厚度共 230 μ m 。

鐵路道砟槽板底面焊接剪力釘后對表面進(jìn)行噴砂處理達(dá)到Sa2.5級,鋼材表面粗糙度達(dá)到Rz=50～100 μ m,涂裝 40 μ m 的環(huán)氧 富鋅底漆及表 面 100 μ m的環(huán)氧瀝青涂料。

上弦桿頂面在工地安裝公路橋面板時,對頂面進(jìn)行表面噴砂處理達(dá)Sa2.5級、Rz50～100 μ m。

箱形桿件兩端設(shè)封端隔板,其內(nèi)部為氣密防腐。封端隔板四角及加勁肋隅角處過焊孔須在桿件端隔板焊后用HM-106密封劑密封。

高強度螺栓拼接摩擦面要求表面清理Sa3.0級后熱噴鋁150 μ m。出廠時,栓接表面抗滑移系數(shù)試驗值不小于0.55,安裝時不應(yīng)小于0.45。

5 安裝

本橋第一聯(lián)采用拖拉鋼梁的施工方法[8],在7號～8號墩間搭設(shè)支架形成施工平臺,利用龍門吊在平臺上拼裝鋼梁桿件、鐵路橋面板及聯(lián)結(jié)系,鋼梁前端設(shè)置108 m長的前導(dǎo)梁,拼裝幾個節(jié)間的鋼梁后,向0號墩方向拖拉鋼梁及前導(dǎo)梁。在空出的平臺上繼續(xù)拼裝鋼梁,再整體拖拉,如此循環(huán),完成第一聯(lián)鋼梁的架設(shè)。而后架設(shè)主塔,鋪設(shè)全橋預(yù)制公路橋面板,并分區(qū)段張拉縱橫向預(yù)應(yīng)力,現(xiàn)澆濕接縫。完成公路橋面板施工后,安裝斜拉索并張拉。最后安裝預(yù)制鐵路道砟槽板及公路、鐵路橋面。

第二聯(lián)采用懸臂法架設(shè)鋼梁,安裝時要注意監(jiān)測3片主桁的高差,使鋼梁3片主桁變形符合設(shè)計要求[9]。鋼梁架設(shè)完成后,起頂鋼梁,在中間支點將鋼梁按設(shè)計指定高度頂起[10]。而后安裝全橋公路橋面板,張拉縱橫向預(yù)應(yīng)力。最后將鋼梁回落到設(shè)計高程,完成主體結(jié)構(gòu)施工。

6 結(jié)語

本橋規(guī)模宏大,技術(shù)含量高,結(jié)構(gòu)新穎。采用的斜主桁結(jié)構(gòu)開創(chuàng)了一種新型的桁架形式。鐵路正交異性板整體鋼橋面及公路結(jié)合橋面板也優(yōu)化改進(jìn)了傳統(tǒng)構(gòu)造。2009年12月17日主橋鋼梁順利合龍。本橋的建成將對未來橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計有著很好的借鑒意義和參考價值。

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