廈深鐵路榕江橋主橋設(shè)計及優(yōu)化

張杰

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063)

廈深鐵路榕江橋主橋設(shè)計及優(yōu)化

張杰

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063)

廈深鐵路榕江橋主橋采用(110+2×220+110)m連續(xù)鋼桁柔性拱組合結(jié)構(gòu)。主桁采用整體節(jié)點，橋面采用正交異性板鋼橋面。本文主要介紹了該橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及新型墊層、鋼橋面構(gòu)造等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

鋼桁柔性拱 整體節(jié)點 正交異性板鋼橋面 新型墊層

1 工程概述

廈深鐵路榕江特大橋全長7.373 km，于里程DK218+586.5—DK219+456.5跨越粵東潮汕平原的第二大河流榕江，與榕江近乎正交。榕江為通航萬噸級海輪航道，該航道跨河建筑物由萬噸級海輪控制;通航水位及橋梁凈跨180 m，凈高38 m，大橋設(shè)雙向通航［1］，最高通航水位H=2.956 m。

2 主要技術(shù)標準

榕江特大橋為雙線有砟高速鐵路，線間距為4.6 m，設(shè)計時速250 km/h，最大縱坡6‰，設(shè)計活載為ZK活載，主橋平面位于直線上，立面位于平坡上，不受豎曲線的影響。

3 主橋設(shè)計及優(yōu)化

3.1 總體布置

榕江特大橋主橋為孔跨布置(110+2×220+110)m的鋼桁柔性拱橋，邊跨與中跨之比為0.5，鋼梁全長662 m，梁端距支座中心1.0 m。主橋孔跨布置如圖1。

主梁采用有豎桿N型三角桁式，節(jié)間長度11 m，其中邊跨10個節(jié)間，中跨2×20個節(jié)間;桁高15 m，斜腹桿傾角53.7°;拱軸線采用二次拋物線形，矢高(上弦以上)44 m，矢跨比為1/5。

采用兩片主桁，主桁中心距15 m，縱向平聯(lián)均為交叉形布置，每隔一個節(jié)間設(shè)置一道橫聯(lián)(橋門)，拱腳處節(jié)間加設(shè)橋門架，均采用兩格橫聯(lián);吊桿為箱形截面，中間不設(shè)置橫撐。典型橫斷面圖如圖2，1/2主桁三維圖如圖3。

3.2 主桁

弦桿及拱肋的基本截面形式為“□”形箱形截面，內(nèi)設(shè)加勁肋。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力，弦桿的寬度做了一次改變，加勁弦以外的上下弦桿內(nèi)寬850 mm，其它部分內(nèi)寬1 050 mm，桿件內(nèi)高1 260 mm。拱肋及加勁弦承受巨大壓力，桿件內(nèi)高由拱頂1 260 mm漸變至拱腳1 860 mm，桿件內(nèi)寬1 050 mm。最大板厚56 mm，最大節(jié)點質(zhì)量54.9 t。

圖1 主橋孔跨布置(單位:m)

腹桿基本截面型式采用H形截面，與主桁節(jié)點采用插入方式連接;部分受拉較大的腹桿采用王字形截面，與主桁節(jié)點采用三面拼接;個別壓力較大的腹桿采用箱形截面，與主桁節(jié)點采用四面對接的方式連接。

圖2 典型橫截面(單位:m)

圖31 /2主桁三維圖

主桁采用整體節(jié)點焊接工藝，主桁間弦桿、腹桿等的連接，弦桿與聯(lián)結(jié)系的連接均在節(jié)點中心之外。整體節(jié)點上連接關(guān)系復雜，孔群密集且精度要求高，對制造要求高。該技術(shù)在原栓焊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用了多焊少栓的原則，減少了高強度螺栓的數(shù)量，鋼梁出廠時散件少，節(jié)點外拼接的操作條件得到改善，也使工地安裝方便起來。整體節(jié)點的成功采用使得焊接不但用于構(gòu)件組成，也用于構(gòu)件間的連接，不但節(jié)省鋼材，降低投資，而且使結(jié)構(gòu)質(zhì)量更加容易保障。

3.3 橋面

3.3.1 橋面形式的優(yōu)化設(shè)計

傳統(tǒng)的正交異性板整體橋面是由頂板和焊接于頂板上的縱向及橫向加勁肋組成。對于縱向加勁肋而言，主要包括倒T形縱梁、U肋及I肋。倒T形縱梁主要布置在軌道下方;U肋主要布置在道砟槽范圍內(nèi);I肋布置在橋面受力較小的人行道板范圍內(nèi)。

本橋同樣采用正交異性板整體橋面，但是不同之處在于本橋在道砟槽范圍內(nèi)采用合理密布U肋的形式，弱化了縱梁的作用，從而用U肋代替縱梁，同樣達到了效果并減少了縱肋的截面形式。鋼橋面橫截面圖如圖4。

3.3.2 橋面墊層的優(yōu)化設(shè)計

傳統(tǒng)鋼橋面系與道砟之間的墊層采用鋼筋混凝土層，一般該墊層由三部分組成，首先是通過剪力釘與鋼板結(jié)合的150 mm厚度鋼筋混凝土層，其次是防水層，最后是60 mm厚的纖維網(wǎng)混凝土保護層，混凝土層總厚度210 mm左右。

圖4 鋼橋面橫截面(單位:m)

這種墊層的混凝土板連續(xù)長度不宜過長，一般在一定長度內(nèi)設(shè)置斷縫，混凝土板一般作為墊層不參與整體受力，由于混凝土板自重較重，增加了結(jié)構(gòu)負擔，以21 cm厚混凝土板為例，雙線鐵路每延米恒載增加約50 kN。

本橋中，道砟與鋼橋面板之間采用輕質(zhì)墊層體系，其組成為MMA(甲基丙烯酸甲酯)高性能防水體系及厚度為5.0 cm的CAP(Concrete with Adhesive Pads—混凝土黏著墊板)高黏著輕質(zhì)防護墊層［2］。該墊層在國內(nèi)鐵路橋梁上尚屬首次采用。

CAP高黏著輕質(zhì)防護墊層由AP高黏著墊板和C40聚丙烯纖維網(wǎng)混凝土組成，總厚度5.0 cm，在水平方向可以連續(xù)拼接?；炷翞楝F(xiàn)澆或預制，表面有兩種型式，表面帶凹坑或嵌入石子。AP高黏著墊板的摩擦系數(shù)不低于1.6。如圖5～圖7。

1)CAP高黏著輕質(zhì)防護墊層的主要特點［2］

圖5 摩擦系數(shù)可以高達2.0的AP防滑墊板

圖6 CAP輕質(zhì)高黏著防護墊層斷面

圖7 CAP高黏著輕質(zhì)防護墊層示意(表面帶凹坑或嵌入石子)

①荷重輕，約1 kN/m2，是21 cm厚剪力釘混凝土聯(lián)結(jié)防護層的1/5，減重達4.5 kN/m2;②施工簡單，即可現(xiàn)澆，也可預制;③現(xiàn)澆型先鋪設(shè)AP高黏著防滑墊板，只需簡單鋪設(shè)拼接，稍加施壓，該墊層即可自黏于橋面之上，然后即可澆筑混凝土;④預制型無需等待固化，鋪設(shè)后可立即鋪設(shè)有砟道床，隨著道砟荷重的增加，黏著力越來越強;⑤AP高黏著防滑墊板與防水體系的聯(lián)結(jié)依靠黏著力，壓力撤除后，用手即可揭起AP防滑墊板，因此不會連帶撕裂防水體系;⑥耐磨防護層由纖維加強的C40混凝土構(gòu)成，耐磨抗裂，表面嵌有石子或設(shè)有凹凸，與道砟的嚙合能力強，接觸條件好，不易粉化;⑦所采用的材料防水、防蛀、防霉，耐候性好，天然環(huán)保;⑧檢修翻新十分方便，清除道砟后，高黏著防滑墊板用手即可揭起，更換新墊層和道砟;⑨具有一定的減振降噪輔助作用，預計可以降低鋼橋的二次噪聲5 dB左右;⑩若在CAP輕質(zhì)墊層中添加一層高彈性材料，構(gòu)成CEAP即可構(gòu)成高黏著彈性防護墊層，其減振降噪效果可以提高至10～15 dB，采用CEAP墊層的減振道床與采用CAP輕質(zhì)墊層的道床在施工、檢修和養(yǎng)護方面幾乎沒有區(qū)別，可以根據(jù)環(huán)保要求日后相互替換。

2)CAP高黏著輕質(zhì)墊層的經(jīng)濟性

①榕江橋鋼梁全長662 m，槽內(nèi)寬9 m，以6 000 m2的鋪設(shè)面積計算，采用普通21 cm厚混凝土道砟槽板每平方米荷重達5.5 kN，采用CAP高黏著輕質(zhì)防護墊層荷重只有1 kN，減少橋面荷重27 000 kN，節(jié)省C40鋼筋混凝土960 m3及主桁用鋼量1 300 t。②節(jié)省剪力釘約5萬個及其焊接和質(zhì)檢工作。③CAP高黏著輕質(zhì)防護墊層的造價約為每平方米280元，總造價為168萬元。④除此之外，如果采用預制CAP高黏著輕質(zhì)墊層，與傳統(tǒng)混凝土道砟槽板相比，可節(jié)省現(xiàn)澆施工周期及養(yǎng)護周期。

3.4 聯(lián)結(jié)系

縱向平聯(lián)采用交叉式結(jié)構(gòu)，包括上弦平聯(lián)及拱肋平聯(lián)兩部分?？v向平聯(lián)大多采用H形截面的桿件，基本尺寸為翼板寬420 mm，腹板外高420 mm，翼板厚16～32 mm，腹板厚12～24 mm。

每兩節(jié)間設(shè)置一道橫聯(lián)或橋門架，邊跨及中跨均為半框橫聯(lián)，橫向為兩格。橫聯(lián)的基本截面為H形截面，為外高420～440 mm，翼板寬400～440 mm，腹板厚12～28 mm，翼板厚16～40 mm。

3.5 吊桿

吊桿采用截面剛度較大的箱型截面，內(nèi)寬800 mm ×1 050 mm，板厚12 mm與16 mm。本橋地處廣東汕頭地區(qū)，常年受熱帶風暴影響，橋位處基本風速比較高，最長吊桿理論長度為44 m，吊桿的抗風性能尤其值得關(guān)注。

動力特性分析表明，長吊桿構(gòu)件沿橫橋向和順橋向的振動頻率都比較低。以半跨對稱結(jié)構(gòu)而言:最長的G20A20吊桿兩端固結(jié)模型在強軸和弱軸方向的頻率分別為4.15 Hz和3.21 Hz［3］，很容易在強風的作用下引起振動;馳振穩(wěn)定性試驗表明，吊桿GnAn(n=16～20)在弱軸方向的馳振穩(wěn)定性不滿足公路橋梁抗風規(guī)范的要求;箱型吊桿的階段模型顫振穩(wěn)定性風洞試驗表明，所有吊桿的顫振穩(wěn)定性滿足抗風要求;吊桿節(jié)段模型渦激振動風洞試驗表明，吊桿GnAn(n=16～20)在強軸與弱軸方向的渦激共振起振風速都低于設(shè)計基準風速。因此比較研究了不同振動控制措施對吊桿的風振控制作用后，最終采用安裝TMD阻尼器的機械減振措施方案提高吊桿構(gòu)件的風振穩(wěn)定性。吊桿GnAn(n=16～20)在強軸和弱軸方向都需要安裝TMD減振阻尼器。

4 受力特性

4.1 靜力特性

按雙線ZK活載共同作用計活載時，鋼梁邊跨靜活載撓度50.5 mm，靜活載撓跨比1/2 178，梁端轉(zhuǎn)角1.86×10－3rad;鋼梁中跨靜活載撓度68.2 mm，靜活載撓跨比1/3 225。

主力作用下主桁各部位的內(nèi)力如表1。

表1 主力作用下主桁各部位的內(nèi)力kN

表1為平面計算時的主桁內(nèi)力，基本反映了主桁的內(nèi)力分布情況。由表1可知，拱肋及加勁弦為主桁受壓較大的部位，最大壓力出現(xiàn)在加勁弦處，達－37 143 kN，中跨系梁及中支點上弦為主桁受拉較大的部位，最大拉力出現(xiàn)在中支點上弦處，達21 479 kN。

4.2 動力特性

鋼桁梁桿件，包括上下弦桿、腹桿、橫撐、斜桿及拱肋等均采用空間梁單元模擬。下層正交異性整體鋼橋面按“梁格法”簡化處理。成橋狀態(tài)有限元模型如圖8。

表2、表3、表4分別列出主橋的部分自振特性分析結(jié)果、橋梁動力響應最大值及車輛響應最大值。

表3表明，運營階段，列車過橋時，橋梁(橋面)縱向加速度均<3.5 m/s2，橫向加速度均<1.5 m/s2，列車過橋時橋梁的安全性是有保障的。

圖8 成橋動力計算有限元模型

表2 橋梁自振特性

表3 橋梁動力響應最大值匯總

表4 車輛響應最大值匯總

表4表明，在無風狀態(tài)下，德國ICE3動力分散式高速列車在160～300 km/h、CRH2動車組在160～250 km/h運行速度下，橋梁的各項動力性能均滿足指標要求，列車行車安全性得到保障;CRH2動力分散式動車組在速度為160～250 km/h時，列車運行舒適性能達到“優(yōu)”或“良”以上;德國ICE3高速列車作用下，在速度為160～300 km/h運行時，行車舒適度均達到“良好”標準以上，列車運行的舒適性滿足要求［4］。

5 結(jié)語

廈深鐵路榕江橋主橋主跨為跨度達220 m的連續(xù)鋼桁梁柔性拱，在亞洲同類型橋梁中位居第一。橋面優(yōu)化了縱向構(gòu)造，方便加工制造。在國內(nèi)鐵路橋梁中，橋面系墊層首次采用5.0 cm厚的CAP高黏著輕質(zhì)防護墊層代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝土道砟槽板，減輕了橋梁自重。主橋的施工設(shè)計及配套附屬工程設(shè)計已經(jīng)完成，施工現(xiàn)場已開始鋼梁的安裝架設(shè)。

［1］廣東省航道局.廈深鐵路跨榕江特大橋通航凈空尺度和技術(shù)要求論證研究報告［R］.廣州:廣東航道局，2007.

［2］中鐵第四勘測設(shè)計院橋梁處，隔而固(青島)振動控制有限公司，青島科而泰環(huán)境控制技術(shù)有限公司.關(guān)于廈深鐵路榕江橋鋼橋面采用輕質(zhì)防護墊層的可行性報告［R］.武漢:中鐵第四勘測設(shè)計院，2009.

［3］湖南大學風工程試驗研究中心.榕江特大橋吊桿風致振動風洞試驗研究報告［R］.長沙:湖南大學，2010.

［4］西南交通大學.廈深鐵路榕江特大橋主橋風—車—橋耦合振動動力分析報告［R］.成都:西南交通大學，2009.

U442.5+4

B

1003-1995(2011)02-0029-04

2010-08-19;

2010-11-01

張杰(1979—)，男，山東日照人，工程師，碩士。

(責任審編 王天威)