銅陵公鐵兩用長(zhǎng)江大橋梁端豎向轉(zhuǎn)角控制設(shè)計(jì)研究

張 強(qiáng) 李 偉

（中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430056）

銅陵公鐵兩用長(zhǎng)江大橋鐵路通行京福鐵路客運(yùn)專線雙線、廬江至銅陵I級(jí)鐵路雙線，公路通行6車道高速公路。主橋采用跨度布置為90 m＋240 m＋630 m＋240 m＋90 m的5跨連續(xù)鋼桁梁斜拉橋，橋式布置見圖1。

圖1 主橋橋式布置（單位：m）

1 控制梁端轉(zhuǎn)角的目的

根據(jù)銅陵公鐵兩用長(zhǎng)江大橋的車－線－橋動(dòng)力仿真分析研究結(jié)論，隨著梁端豎向折角和車速的增加，車輛豎向加速度總體上線性變大，乘坐舒適度降低，見表1。分析和實(shí)測(cè)均表明梁端通常是列車走行性的薄弱環(huán)節(jié)。因此減小梁端豎向轉(zhuǎn)角，不僅可改善梁端處軌道扣件受力［1］，更是提高梁端處列車通過速度和乘坐舒適度的重要措施［2－3］。

表1 不同梁端折角情況下車輛響應(yīng)（國(guó)產(chǎn)300 k m／h動(dòng)車組）

銅陵公鐵兩用長(zhǎng)江大橋設(shè)計(jì)階段進(jìn)行了采用無砟軌道的可行性研究。根據(jù)高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范，采用有砟軌道的梁端轉(zhuǎn)角需控制在2‰rad以內(nèi)，而采用無砟軌道，梁端的豎向轉(zhuǎn)角需控制在1‰rad以內(nèi)［4］。

2 影響梁端豎向轉(zhuǎn)角的因素分析

梁端豎向轉(zhuǎn)角由兩部分組成。第一部分為總體加載時(shí)，梁端處產(chǎn)生的總體轉(zhuǎn)角；第二部分為列車輪對(duì)作用在梁端橋面板時(shí)，因橋面結(jié)構(gòu)局部變形產(chǎn)生的局部轉(zhuǎn)角。文中梁端轉(zhuǎn)角為總體與局部轉(zhuǎn)角之和。

2.1 梁端總體轉(zhuǎn)角影響因素

在設(shè)計(jì)荷載已確定的情況下，梁端總體轉(zhuǎn)角和橋梁自身剛度有關(guān)。主要的影響因素有：跨度布置、桁高、主塔剛度、斜拉索的角度和張拉力。

加大斜拉索水平角，提高應(yīng)力水平可減小斜拉索的非線性影響［5－6］。銅陵長(zhǎng)江大橋斜拉索最小水平角度為26.6°，在常規(guī)取值范圍內(nèi)。因斜拉索的角度和應(yīng)力可調(diào)整的范圍不大，此處不再討論其對(duì)梁端轉(zhuǎn)角的影響。

2.1.1 跨度布置

設(shè)置輔助墩可大幅度降低梁端轉(zhuǎn)角，見表2。梁端轉(zhuǎn)角隨錨跨跨度的減小而減小。但較小的錨跨跨度，會(huì)降低全橋整體剛度，增加中跨撓度和塔底彎矩，同時(shí)也會(huì)增加邊墩和輔助墩的活載負(fù)反力值。

兼顧全橋剛度和梁端轉(zhuǎn)角兩方面，錨跨選用75 m和90 m是比較合適的。從列車運(yùn)行的安全性和乘坐的舒適性考慮，較大的全橋剛度更為有利，因此錨跨選用90 m跨度。

表2 跨度布置對(duì)梁端轉(zhuǎn)角的影響

2.1.2 桁高

增加桁高，主梁豎向剛度加大，可減小梁端轉(zhuǎn)角，見表3。采用15.5 m桁高與15.0 m桁高相比，桿件最大軸力變化為1.13%，基本不影響桿件的截面尺寸；因腹桿長(zhǎng)度增加導(dǎo)致全橋用鋼梁增加約220 t，相對(duì)主梁約7萬t的總用鋼量的比例非常小。

表3 桁高對(duì)梁端轉(zhuǎn)角的影響

2.1.3 主塔剛度

加大主塔縱向尺寸，提高縱向抗彎剛度可減小梁端轉(zhuǎn)角，但增加了主塔塔身彎矩，見表4。并且塔底彎矩增加幅度遠(yuǎn)大于梁端轉(zhuǎn)角減小的幅度。考慮到主塔和主塔基礎(chǔ)造價(jià)昂貴，因此主塔的剛度應(yīng)適中，不宜取用大值。

表4 塔身剛度對(duì)梁端轉(zhuǎn)角的影響

2.1.4 小結(jié)

經(jīng)比較后，銅陵橋采用了90 m的邊跨跨度，主桁桁高選用15.5 m，主塔根部縱向尺寸選用16 m。此時(shí)梁端轉(zhuǎn)角為1.46‰弧度，可滿足有砟軌道的限值要求。但對(duì)于無砟軌道的適應(yīng)性研究來說，還需要進(jìn)一步研究降低梁端轉(zhuǎn)角的措施，以滿足1.0‰的限值要求。

2.2 梁端局部轉(zhuǎn)角影響因素分析

對(duì)梁端橋面系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比研究，希望通過降低梁端局部轉(zhuǎn)角來進(jìn)一步降低梁端總轉(zhuǎn)角。

對(duì)梁端節(jié)間鐵路橋面系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，計(jì)算了如下3種方案。

2.2.1 方案一。正交異性鋼板橋面＋密橫梁

橋面板和主桁下弦桿的上蓋板之間焊接。橫梁為倒T形，橫梁腹板與下弦桿加勁板之間采用螺栓連接，與橋面板之間采用焊接。橋面板厚16 mm，U肋間距600 mm。橫梁間距3 000 mm，腹板厚16 mm，下緣翼板厚40 mm，橫梁豎向加勁板基本間距為1 800 mm。方案一鋼梁橫斷面布置見圖2。

圖2 方案一梁端結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

活載作用下橋面板的梁端豎向轉(zhuǎn)角計(jì)算值見表5，廬銅側(cè)和合福側(cè)橋面板各選取3個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角值。

表5 方案一梁端豎向轉(zhuǎn)角計(jì)算表 ‰rad

方案一鐵路橋面最大梁端豎向轉(zhuǎn)角為1.46‰rad。因橫梁間橋面板在輪對(duì)荷載作用下有局部豎向變形，產(chǎn)生局部轉(zhuǎn)角。這是表5中橋面板的豎向轉(zhuǎn)角大于主桁的豎向轉(zhuǎn)角的原因。因此需要提高橋面板的縱向抗彎能力，減小橫梁間橋面板的局部變形量。

2.2.2 方案二。鋼箱橋面＋橫隔板

鐵路橋面有頂?shù)装澹數(shù)装宸謩e和主桁下弦桿的上下蓋板焊接。頂?shù)装逯g設(shè)置橫向隔板，橫隔板與下弦桿加勁板之間采用螺栓連接，與橋面板之間采用焊接。橋面頂板厚16 mm，底板厚12 mm。U肋基本間距600 mm。橫隔板間距3 000 mm，厚16 mm。橫隔板豎向加勁板基本間距為1 800 mm。方案二鋼梁橫斷面布置見圖3。

圖3 方案二梁端結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

活載作用下橋面板的梁端豎向轉(zhuǎn)角計(jì)算值見 表6。

表6 方案二梁端豎向轉(zhuǎn)角計(jì)算表 ‰rad

方案二最大梁端豎向轉(zhuǎn)角為1.306‰rad。同方案一相比，減小幅度較小，表明雖然設(shè)置了底板，但由于縱橋向頂?shù)装彘g沒有連接構(gòu)造，底板局部荷載作用下，鋼箱橋面系的受力以頂板為主，未能發(fā)揮出鋼箱橋面底板作用。

2.2.3 方案三。鋼箱橋面＋橫隔板＋縱腹板

方案三橋面也采用新型的鋼箱橋面，橋面構(gòu)造基本和方案二相同。在鐵路鋼軌對(duì)應(yīng)位置橋面增設(shè)了縱向的加勁腹板N1和N2，見圖4。加勁腹板厚14 mm，和橋面的頂?shù)装逯g采用焊接連接。

圖4 方案三梁端結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

活載作用下橋面板的梁端豎向轉(zhuǎn)角計(jì)算值見 表7。

表7 方案三梁端豎向轉(zhuǎn)角計(jì)算表 ‰rad

方案三鐵路橋面頂板最大梁端豎向轉(zhuǎn)角為0.888‰rad。與方案二相比，豎向轉(zhuǎn)角值明顯減少。設(shè)置縱向腹板后，橋面的頂?shù)装搴涂v向隔板組成了“工”字型橋面結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)輪對(duì)荷載，和方案一單純的正交異性板結(jié)構(gòu)相比，橋面縱橋向抗彎剛度有大幅度提高。

對(duì)于橋面局部轉(zhuǎn)角，進(jìn)行了簡(jiǎn)化的平面計(jì)算和空間計(jì)算進(jìn)行對(duì)比。考慮到輪對(duì)荷載通過枕木和道砟擴(kuò)散，在橋面的作用寬度為3 m。3 m寬的正交異性頂板截面抗彎慣性矩為0.000 83 m4，計(jì)入腹板和底板（按400 mm有效寬度計(jì)）截面后，截面抗彎慣性矩為0.023 52 m4。將橋面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為支撐在橫梁（橫隔板）上的梁，可計(jì)算出方案一橋面局部轉(zhuǎn)角為0.516‰rad，方案三橋面局部轉(zhuǎn)角為0.018‰rad。和表5、表7中橋面板與中桁梁端轉(zhuǎn)角差值相對(duì)比，基本保持在同一數(shù)量級(jí)。

3 梁端動(dòng)力性能

銅陵長(zhǎng)江大橋盡管橋面寬度達(dá)到34.2 m，但采用了3片主桁、較小的邊跨跨度、鋼箱橋面、橋面縱向加勁等綜合措施后，有效減小了梁端處的豎向轉(zhuǎn)角和局部變形。距梁端15 m范圍內(nèi)最大動(dòng)撓度為2.316 mm，梁端附近沒有出現(xiàn)明顯的變形差異，避免了局部變形過大導(dǎo)致對(duì)車輛產(chǎn)生沖擊，行車安全和乘坐舒適度指標(biāo)均達(dá)到優(yōu)良［7］。

4 結(jié)語

對(duì)銅陵公鐵兩用長(zhǎng)江大橋影響梁端轉(zhuǎn)角的各因素進(jìn)行了深入比較分析，研究表明跨度布置對(duì)梁端總體轉(zhuǎn)角有較大影響，通過減小邊跨跨度，可有效減小梁端總體轉(zhuǎn)角；梁端橋面系采用鋼箱橋面，并設(shè)置縱向腹板，增大了梁端橋面系縱向抗彎剛度，可減小梁端局部轉(zhuǎn)角。采用以上措施后，銅陵長(zhǎng)江大橋的梁端總豎向轉(zhuǎn)角可控制在1‰rad以內(nèi)。

銅陵公鐵兩用長(zhǎng)江大橋最終按有砟軌道實(shí)施，但大橋設(shè)計(jì)方案的梁端轉(zhuǎn)角可滿足更為嚴(yán)格的無砟軌道技術(shù)要求。大橋的梁端轉(zhuǎn)角控制措施對(duì)于其他大跨度鐵路鋼橋和無砟軌道鋼橋?qū)⒕哂蟹e極的借鑒意義。

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