新建廣州南沙港鐵路小欖水道公鐵兩用特大橋方案設(shè)計(jì)

張曉江

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

新建廣州南沙港鐵路小欖水道公鐵兩用特大橋方案設(shè)計(jì)

張曉江

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

新建廣州南沙港鐵路小欖水道大橋主橋?yàn)橹骺?00 m公鐵兩用斜拉橋,為解決傳統(tǒng)分層布置線路展線過長的問題,在加勁梁的設(shè)計(jì)中創(chuàng)造性地采用公路與鐵路同層布置,梁體采用分離式鋼箱結(jié)構(gòu),橋塔采用H形橋塔,橋型新穎、線形優(yōu)美、簡潔美觀。通過對結(jié)構(gòu)整體與局部的有限元分析,滿足規(guī)范各項(xiàng)指標(biāo)要求,為今后類似工程的設(shè)計(jì)提供借鑒。

公鐵兩用橋;斜拉橋;分離式鋼箱梁;方案設(shè)計(jì)

1 概述

廣州南沙港鐵路線路全長87.697 km,線路自廣珠鐵路鶴山站珠海端引出,終點(diǎn)站為南沙港站。小欖水道特大橋位于廣東省中山市小欖鎮(zhèn),主橋于CK35+ 567.5～CK35+762.5處跨越小欖水道,小欖水道在廣東省中南部,屬西江水系。小欖水道現(xiàn)為Ⅲ級航道,規(guī)劃為Ⅰ(3)級航道,通航凈高18 m。

由于本橋線位與江門至廣州番禺高速北延線小欖水道并行,公路橋結(jié)構(gòu)方案形式為100 m+195 m+ 100 m剛構(gòu),為減少工程數(shù)量,并充分利用鐵路跨越水道的資源,采用公鐵并行方案。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級:國鐵I級;

(2)正線數(shù)目:雙線;

(3)軌道型式:有砟軌道;

(4)正線線間距:4 m;

(5)速度目標(biāo)值:120 km/h;

(6)設(shè)計(jì)活載:中-活載。

2.2 高速公路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期:100年;

(2)道路等級:高速公路;

(3)設(shè)計(jì)行車速度:120 km/h;

(4)主線設(shè)計(jì)車道:雙向8車道,采用2×(0.75+ 3+3×3.75+0.75)m的行車道;

(5)設(shè)計(jì)汽車荷載:公路-Ⅰ級。

3 主橋方案設(shè)計(jì)

3.1 橋跨布置

根據(jù)通航論證,結(jié)合橋址跨越航道、港口碼頭情況,考慮橋墩阻水及穩(wěn)流影響,主跨采用200 m一跨跨越航道。

3.2 結(jié)構(gòu)總體布置

主橋采用(35+60+200+60+35)m公鐵兩用混合梁斜拉橋方案,主橋長391.9 m。主跨200 m跨越小欖水道。橋式布置如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位:cm)

根據(jù)斜拉橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為降低溫度效應(yīng)對主塔、主梁產(chǎn)生的不利影響,主梁采用半漂浮體系。在主塔和主梁之間安裝阻尼裝置,以控制主梁在制動(dòng)力和地震力作用下的縱向位移。在各墩上設(shè)置豎向支座,主塔上同時(shí)設(shè)置橫向支座限制主梁橫向位移。同時(shí)為了增加全橋剛度,邊跨設(shè)置輔助墩。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 主梁(圖2)

本橋采用分離式組合鋼箱梁,全寬47.5 m,線路中心至箱梁最低點(diǎn)高4.5 m,采用等截面箱梁。斜拉索錨固于箱梁上。頂板縱向采用U形加勁肋,橫向間距600 mm。腹板、底板縱向采用板形加勁肋,間距500 mm,厚16 mm。鐵路橋面軌道下方設(shè)置工形加勁梁。鋼箱梁主材采用Q370qE鋼材。

分離式組合鋼梁每個(gè)節(jié)段設(shè)3道箱內(nèi)橫隔板,間距3.375 m。組合箱梁由中間橫梁連接,該橫梁間距為10 m,對應(yīng)斜拉索的位置布置。中間橫梁橫斷面為矩形箱形斷面,梁高約5 m,腹板中心距為3.375 m,底板厚28 mm,腹板厚16 mm,頂?shù)装寮案拱迳暇捎?6 mm×200 mm的I肋加勁,中間橫梁內(nèi)每隔2 m設(shè)一隔板,板厚10 mm。

為減小邊跨長度,邊跨主梁采用C50預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)形式,外形輪廓同主跨鋼箱梁。錨固腹板壁厚2 m,其他壁厚0.35 m,腹板厚0.5 m。吊點(diǎn)橫梁采用箱形,跨中高5 m,腹板厚0.5 m。

圖2 橋面布置及主梁標(biāo)準(zhǔn)截面(單位:mm)

在輔助墩處往跨中方向10 m左右范圍內(nèi)設(shè)置鋼混結(jié)合段,采用整體式填充混凝土,通過施加預(yù)應(yīng)力,設(shè)置抗剪栓釘,并通過加勁肋的逐漸變高,以緩解梁體剛度的突變,保證力的順暢傳遞。

3.3.2 斜拉索

拉索為雙索面布置,全橋共設(shè)36對斜拉索。采用強(qiáng)度等級為1 670 MPa的高強(qiáng)鋼絲,斜拉索規(guī)格為PES7-199～379。拉索長度37.2～102.2 m。在塔頂,拉索錨固于塔上鋼錨箱,錨點(diǎn)間距1.6～2.3 m;在主梁上,拉索錨固于鋼嘴內(nèi)鋼錨箱,鋼箱梁上索間距10 m,混凝土梁上索間距10～8 m。在索塔內(nèi)張拉。斜拉索在主梁錨點(diǎn)附近設(shè)外置式阻尼器以抑制風(fēng)雨振。

3.3.3 橋塔

邊塔從橫向看采用雙柱形索塔,從順橋向看采用單柱式索塔。橋面以上塔高52 m,橋面以下塔高32 m。橋塔順橋向?qū)挾扔伤? m漸變?yōu)樗? m,上塔柱橫橋向?qū)?.5 m,下塔柱橫橋向采用圓弧內(nèi)縮小,橫橋向?qū)捰?4 m漸變?yōu)?0 m。上塔柱采用單箱單室結(jié)構(gòu),前后塔壁厚1.5 m,側(cè)面壁厚1.2 m;下塔柱采用分離矩形截面。索塔邊塔下承臺尺寸為18 m× 15.68 m,厚5 m,設(shè)2 m高塔座?；A(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ),樁徑3 m,每個(gè)承臺設(shè)8根樁。如圖3所示。

4 計(jì)算模型與結(jié)果分析

4.1 模型的建立(圖4)

采用Midas/Civil分析軟件建立有限元模型,根據(jù)主橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn),主梁采用梁單元,斜拉索采用桿單元模擬。整體結(jié)構(gòu)共計(jì)313個(gè)節(jié)點(diǎn),梁單元222個(gè),桁架單元72個(gè)。材料特性按規(guī)范取值。

圖3 中塔結(jié)構(gòu)示意(單位:cm)

圖4 MIDAS/CIVIL空間有限元整體模型

4.2 荷載組合

公路按照8車道高速公路等級設(shè)計(jì),公路I級車道荷載,縱向計(jì)算按8車道加載,按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60—2004)對車道數(shù)進(jìn)行縱、橫向折減。《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)規(guī)定,與鐵路荷載組合時(shí),公路荷載按全部活載的75%計(jì)算。

4.3 主要計(jì)算結(jié)果

4.3.1 結(jié)構(gòu)剛度

對于鐵路斜拉橋而言,由于車橋的共同作用,剛度是其設(shè)計(jì)控制的重要指標(biāo),鐵路橋梁必須對其活載位移進(jìn)行嚴(yán)格控制,通過調(diào)整主要構(gòu)件間的剛度分布、邊跨輔助墩、結(jié)構(gòu)體系、橋塔形式及高度等參數(shù),對全橋的活載剛度進(jìn)行控制,以滿足車橋耦和要求,其主要計(jì)算結(jié)果見表1,鐵路+公路組合靜活載作用下的主梁活載撓度包絡(luò)圖見圖5。

表1 活載作用下的結(jié)構(gòu)位移

圖5 鐵路+公路組合靜活載作用下的主梁活載撓度包絡(luò)圖(單位:cm)

4.3.2 主梁內(nèi)力

斜拉橋主梁相當(dāng)于由斜拉索支撐的多點(diǎn)約束連續(xù)梁,其彎矩較梁式橋大為減小,本橋主梁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 主梁軸力包絡(luò)圖(主力)(單位:kN)

4.3.3 斜拉索索力

斜拉索為斜拉橋重要的承重構(gòu)件,在設(shè)計(jì)過程中,根據(jù)目前設(shè)計(jì)通用作法,斜拉索安全系數(shù)采用2.5,其應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知,斜拉索使用階段應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

圖8 斜拉索應(yīng)力包絡(luò)圖(恒載+活載)(單位:MPa)

4.4.4 鋼箱局部受力分析

對于分體式公鐵兩用鋼箱梁斜拉橋,目前研究的較少,為使結(jié)構(gòu)安全可靠,建立節(jié)段模型對鋼箱進(jìn)行節(jié)段分析,采用Midas/Civil軟件建立計(jì)算模型,全部采用板單元。拉索處邊界條件按荷載施加,按一端固定一端反力將全橋內(nèi)力反加于模型。其計(jì)算模型與計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 模型結(jié)構(gòu)示意

通過計(jì)算可知,在最不利荷載組合下,其鋼箱梁應(yīng)力結(jié)果如表2所示。

表2 鋼箱主梁應(yīng)力MPa

鋼箱梁結(jié)構(gòu)各項(xiàng)應(yīng)力指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

(1)本橋荷載為8車道公路及雙線鐵路,主梁若采用普通鋼桁梁,桿件尺寸較大,設(shè)計(jì)、制造均較困難。本橋采用剛度大、能承受斜拉索軸向力及橋面整體性好等優(yōu)點(diǎn)的分離式鋼箱主梁是最為合適的。

(2)本方案橫向?qū)挾容^大,通過對此種類型截面的受力進(jìn)行有效地分析,了解了其受力特性。通過計(jì)算可知,分離式鋼箱梁用于鐵路斜拉橋具有較好的受力特性。

(3)對于分體式鋼箱,目前還沒有針對斜拉橋的相關(guān)規(guī)范規(guī)定,本實(shí)例可供相關(guān)設(shè)計(jì)參考。

[1] 易鵬.大跨度公鐵兩用斜拉橋計(jì)算模型簡化的探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2003(9):16-17.

[2] 馬坤全,王志平.大跨度鐵路斜拉橋抗震性能研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2005(4):47-52.

[3] 陳開利,余天慶.混合梁斜拉橋結(jié)合段設(shè)計(jì)技術(shù)的新發(fā)展[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2006(5):43-44.

[4] 徐升橋,劉永鋒.北京市六環(huán)路斜拉橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009(11):52-55.

[5] 王富君.跨既有鐵路矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)體施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2011(3):58-61.

[6] 劉士林.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社,2002.

[7] 嚴(yán)國敏.現(xiàn)代斜拉橋[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,1996.

[8] 楊新寶,曹雪琴.大跨度鐵路斜拉橋豎向剛度的研究[J].上海鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),1995,16(2):12-20.

[9] 易倫雄.大跨度鐵路橋梁橋型方案構(gòu)思與設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè), 2005(2):33-36.

[10]劉春彥.有碴正交異性板鋼橋面系鐵路鋼橋的設(shè)計(jì)研究及優(yōu)越性的探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)通訊,1989(2):11-16.

[11]韓衍群.三主桁道碴整體橋面板桁組合梁橋分析理論及計(jì)算方法研究[D].長沙:中南大學(xué),2008.

[12][日]小西一郎.鋼橋(第一分冊)[M].北京:人民鐵道出版社,1981.

Scheme Design of Xiaolan Waterway Bridge Used for Both Highway and Railway on New Nansha Port Railway in Guangzhou

ZHANG Xiao-jiang
(Bridge Engineering Department,China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)

highway-railway combined bridge;cable-stayed bridge;separated steel box beam, scheme design

U448.12+1;U448.27

A

1004-2954(2013)03-0070-04

2012-07-24;

2012-08-05

張曉江(1978—),男,工程師,2007年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院,工學(xué)碩士。

Abstract:Xiaolan Waterway Bridge on New Nansha Port Railway in Guangzhou is a super major cable-stayed bridge with the main span of 200 meters,which is used for both the highway and railway.If the highway and railway are arranged at the different layer of bridge deck as traditional way,the line extension will be too long.To solve this problem,the highway and railway are creatively arranged at the same layer of bridge deck in the design of the stiffening beam.And then separated steel box girder and H-shaped bridge towers are used in this bridge with a novel,simple and beautiful appearance.Through overall and partial finite element analysis,all requirements stipulated in relevant standards can be complied with.Furthermore,this project provides a reference for future similar projects.