灌河大橋連續(xù)鋼桁拱梁設(shè)計(jì)

劉桂紅

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 北京 102600)

灌河大橋連續(xù)鋼桁拱梁設(shè)計(jì)

劉桂紅

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 北京 102600)

灌河特大橋?yàn)?120+228+120) m三跨連續(xù)剛桁柔拱組合體系的鋼桁梁橋，是連鹽鐵路的關(guān)鍵工程。重點(diǎn)闡述灌河特大橋方案選擇、靜力計(jì)算、結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)的構(gòu)造細(xì)節(jié)、鋼梁防腐涂裝體系和鋼梁安裝等。灌河特大橋結(jié)構(gòu)受力明確，安裝方案合理，具有較好的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性能。

三跨連續(xù)剛桁柔拱鋼桁梁橋 整體道碴鋼橋面 結(jié)構(gòu)計(jì)算 結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

1 工程概述

灌河特大橋位于連鹽鐵路線上，在連云港地區(qū)上跨灌河，橋址處河面寬約500 m，上游約1 km處有已建成的主跨340 m高速公路斜拉橋，其通航凈空140 m×19 m，斜拉橋建成后發(fā)生過(guò)海輪桅桿撞擊事件。為保障通航的安全，經(jīng)方案比選，主橋通航孔為單孔雙向，橋梁形式為(120+228+120) m三跨連續(xù)剛性梁柔性拱鋼桁梁，邊跨為平弦桁梁，中跨剛梁柔拱(如圖1所示)。

圖1 主橋桁式(單位： m)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級(jí)：Ⅰ級(jí) 。

正線數(shù)目：雙線，線間距4.4 m。

線路條件：橋上平坡、直線。

橋上建筑限界：采用200 km/h客貨共線電力牽引，KH-200基本建筑限界及橋隧建筑限界。

設(shè)計(jì)時(shí)速：客車200 km，貨車120 km。

設(shè)計(jì)通航凈空：200 m×21 m。

3 橋式的比選

橋型選擇需結(jié)合橋址條件、環(huán)境，遵循合理、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、美觀的原則。

本橋橋位處地形、地質(zhì)條件較差，需采用跨越能力強(qiáng)、自重輕、建筑高度低、便于施工的橋梁形式，以降低工程造價(jià)?？紤]與周圍景觀的協(xié)調(diào)性，較為合理的橋式有：

(120+228+120) m連續(xù)剛桁柔拱橋；

(120+228+120) m連續(xù)鋼桁拱橋；

(36+90+228+90+36) m連續(xù)鋼桁斜拉橋。

各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如表1所示。

綜上比較結(jié)果：剛桁柔拱較鋼桁拱橋每延米的用鋼量及梁端轉(zhuǎn)角均較小，且施工架設(shè)更為便捷。鋼桁斜拉橋雖梁部用鋼量少，但其自振特性較剛桁柔拱橋有明顯劣勢(shì)，結(jié)合地質(zhì)條件等因素，最終確定采用(120+228+120) m連續(xù)剛桁柔拱橋方案。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主桁采用”N”形桁式，桁高15 m，桁寬13.5 m，節(jié)間長(zhǎng)度邊跨及中跨跨中12個(gè)節(jié)間為12 m，中跨靠近中支點(diǎn)處的6個(gè)節(jié)間距為13 m；中間支點(diǎn)處設(shè)加勁弦，加勁弦高15 m。拱肋采用圓曲線，矢高69 m，矢跨228 m，矢跨比為1/3.3，拱肋在拱腳與主桁桿件通過(guò)節(jié)點(diǎn)相連。加勁弦的設(shè)置增加了主桁的剛度，同時(shí)與拱肋勻順過(guò)渡連為一體，線形流暢、橋型美觀。

表1 各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

4.1 主桁

主桁上、下弦及拱肋桿件均為箱形截面；腹桿桿力大的采用箱形，桿力較小者采用H形；吊桿采用抗風(fēng)性能較強(qiáng)的箱形。主桁桿件的板厚控制在50 mm以下(除節(jié)點(diǎn)板外)。主桁除桿力大的中間支承節(jié)點(diǎn)和拱與系桿相交的特殊節(jié)點(diǎn)處的桿件采用Q420qE外，其余大部分桿件和橋面系等構(gòu)件均采用Q370qE。主桁的拼接采用M30高強(qiáng)螺栓。

主桁采用整體節(jié)點(diǎn)(即在工廠內(nèi)把桿件和節(jié)點(diǎn)板焊成一體，工地架設(shè)時(shí)在節(jié)點(diǎn)之外用高強(qiáng)度螺栓拼接)。拱肋處的節(jié)點(diǎn)板較大，拼接縫離節(jié)點(diǎn)中心較遠(yuǎn)，桿件間的夾角較大，若在拼接縫處彎折，桿件將增加次彎矩。為減少桿件產(chǎn)生次應(yīng)力，把通常設(shè)在拼接縫處的彎折點(diǎn)移至到節(jié)點(diǎn)中心，這樣既保持了節(jié)點(diǎn)間桿件順直傳力，也避免桿件產(chǎn)生次彎矩

4.2 橋面

高速行駛的列車要求有較高的橋面剛度和軌道順直平穩(wěn)，且橋面不宜設(shè)置斷縫?？刹捎玫臉蛎嫘问接煽v、橫梁結(jié)合的整體道碴混凝土橋面和正交異性鋼橋面。通過(guò)計(jì)算比較，由縱、橫梁結(jié)合的整體道碴橋面由于橫梁產(chǎn)生較大的面外彎矩，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度加大；若采用結(jié)合梁方式，由于恒載加大，結(jié)構(gòu)的用鋼量相應(yīng)地增加。因此，決定采用由縱、橫肋組成的正交異性鋼橋面板，它和主桁的下弦桿焊接成一體，組成板桁新結(jié)構(gòu)，使橋面板直接參與弦桿的受力，同時(shí)取消下平聯(lián)、伸縮縱梁及制動(dòng)架，節(jié)省鋼料，又保持了橋面結(jié)構(gòu)的連續(xù)完整和行車的平順。

主桁與橋面系的連接為本橋關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，也是重要的構(gòu)造細(xì)節(jié)和制造難點(diǎn)。設(shè)計(jì)中將箱形的下弦桿上水平板加寬510 mm，伸過(guò)弦桿豎板與16 mm厚的橋面頂板以不等厚對(duì)接焊焊連，遇主桁節(jié)點(diǎn)，在弦桿的上水平板上開(kāi)槽，讓節(jié)點(diǎn)板從槽中穿出，使節(jié)點(diǎn)板保持為一個(gè)整體。節(jié)點(diǎn)板與下弦桿上水平板處為圍焊縫，節(jié)點(diǎn)板兩側(cè)及開(kāi)槽的端部以熔透焊縫與弦桿上水平板焊連，這樣能使橋面板更有效地和下弦桿、主桁節(jié)點(diǎn)板連接在一起，共同受力。在制造過(guò)程中須嚴(yán)格按照施工規(guī)則和施工工藝，確保焊接和加工質(zhì)量。

鋼橋面板分塊制造和安裝。各塊件在工廠制造時(shí)均為焊接連接。工地安裝時(shí)，除橋面板為熔透焊接外，其余的縱、橫向連接均采用高強(qiáng)度螺栓連接。橋面布置如圖2所示。

圖2 橋面布置(單位：mm)

4.3 主桁預(yù)拱度

主桁平弦的預(yù)拱度：恒載+1/2靜活載撓度曲線值反向設(shè)置。在上弦節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的伸縮值，迫使下弦節(jié)點(diǎn)起拱，拱肋以折代曲盡可能地接近設(shè)計(jì)線形，通過(guò)調(diào)節(jié)豎桿的長(zhǎng)度來(lái)以確保橋梁的線形。

5 主橋計(jì)算

主橋采用程序Midas建模，除橋面板采用板單元外，其余桿件均用梁?jiǎn)卧M，全橋共3 646個(gè)梁?jiǎn)卧? 064個(gè)板單元，見(jiàn)圖3。

圖3 計(jì)算模型

恒載反力：端支點(diǎn)=7 776.5 kN；

中支點(diǎn)=43 771.8 kN。

主力最大反力：端支點(diǎn)=13 044.4 kN；

中支點(diǎn)=60 046.9 kN。

桿件設(shè)計(jì)強(qiáng)度如表2所示。

表2 桿件應(yīng)力 MPa

注：表中應(yīng)力受拉為正，受壓為負(fù)。

主橋的豎向剛度如表3所示。

表3 活載作用下變形

注：表中位移向上為正，向下為負(fù)。

主橋的橫向剛度：

在橫向荷載作用下，中跨跨中最大橫向變形50.3 mm，撓跨比1/4 533，滿足規(guī)范要求。

自振特性：

一階橫向自振頻率為0.469 Hz；

一階縱向自振頻率為0.650 Hz；

一階豎向自振頻率為1.126 Hz。

均滿足要求。

6 鋼梁的制造

采用的整體節(jié)點(diǎn)和鋼橋面板有焊接工作量大、焊接接頭類型多、焊接變形大的特點(diǎn)，焊接的質(zhì)量與桿件的組裝精度是控制工程質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)。平弦桁梁需進(jìn)行平面輾轉(zhuǎn)試拼裝，應(yīng)選擇有代表性的包含上弦伸長(zhǎng)和縮短節(jié)段，平聯(lián)和橫聯(lián)也需選擇有代表性區(qū)段試拼裝，以確保結(jié)構(gòu)的空間尺寸能夠吻合。

鋼橋面板的焊接應(yīng)采用雙面焊接或帶陶瓷襯墊的單面焊雙面成型工藝，以保證焊縫熔透并打磨勻順。同一截面上的拼縫、縱橫向焊縫、相鄰焊縫應(yīng)按規(guī)定相互錯(cuò)開(kāi)，橋面板的縱、橫向工地焊縫應(yīng)控制鋼板間的板縫不超過(guò)工藝規(guī)定值。鋼梁的焊縫尤其是坡口熔透焊，應(yīng)按規(guī)范的要求，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的探傷檢查。

7 鋼梁安裝

充分結(jié)合建橋條件和柔性拱橋的特點(diǎn)，邊跨架設(shè)時(shí)采用設(shè)臨時(shí)墩的方法，中跨架設(shè)分兩步，首先利用吊索塔架安裝平弦，然后在平弦上架設(shè)柔拱，鋼橋面與平弦主桁同步安裝，既降低了安裝難度，又節(jié)省了施工臨時(shí)設(shè)施費(fèi)用。

8 鋼梁防腐

按照《鐵路鋼橋保護(hù)涂裝》(TB/T 1527—2004)要求的第7體系進(jìn)行。

9 主要專題研究

灌河特大橋整體靜力計(jì)算時(shí)，采用空間程序計(jì)算，桿件強(qiáng)度、穩(wěn)定、疲勞以及鋼橋面板參與整體計(jì)算的有效寬度等問(wèn)題有待于進(jìn)一步的研究。

灌河橋吊桿長(zhǎng)度約12～39 m，焊接箱形截面，需對(duì)吊桿進(jìn)行風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)，研究它的風(fēng)振、渦振及馳振，檢算其截面形式及采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

本橋采用整體道碴槽，其重量約占恒載總重的50%，二恒的自重直接影響全橋的用鋼量，應(yīng)進(jìn)一步研究采用新型輕質(zhì)材料橋面系。

10 結(jié)束語(yǔ)

灌河特大橋是一座跨度為(120+228+120) m的連續(xù)鋼桁拱鐵路橋，主橋揉合了拱橋和下承式桁梁橋兩種橋梁的形式，結(jié)構(gòu)受力合理、簡(jiǎn)潔，線形流暢。其采用的新型整體鋼橋面，在吸收其他已建高速鐵路整體橋面優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼橋面細(xì)節(jié)構(gòu)造進(jìn)行創(chuàng)新，將節(jié)點(diǎn)橫梁及節(jié)間橫肋設(shè)計(jì)成等高度，既簡(jiǎn)化了制造工藝，又方便運(yùn)輸及安裝，也節(jié)省了用鋼量。正交異性鋼橋面和混凝土道碴組成的整體結(jié)構(gòu)不僅具有較高的橫向、豎向剛度，還能提供足夠的抑振質(zhì)量、平順的軌道支承結(jié)構(gòu)，為列車的運(yùn)行提供了更平穩(wěn)、安全的保障。

[1] 中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建連鹽鐵路灌河特大橋施工圖[R].北京：中鐵五院，2013

[2] 西南交通大學(xué).灌河特大橋吊桿抗風(fēng)性能風(fēng)洞模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].成都：西南交通大學(xué)，2013

[3] 西南交通大學(xué).新建連云港至鹽城鐵路灌河特大橋車橋耦合動(dòng)力仿真分析報(bào)告[R].成都：西南交通大學(xué)，2010

[4] 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

[5] 楊帆，徐升橋.包神線黃河特大橋總體設(shè)計(jì)[J].鐵道勘察,2007(增刊)

[6] 劉桂紅，劉承虞.南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋2×84 m連續(xù)鋼桁梁設(shè)計(jì)[J].鐵道勘察,2007(增刊)

[7] 劉桂紅，易倫雄.采用正交異性鋼橋面板的鐵路鋼桁梁設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè),2007(增刊2)

[8] 劉桂紅，易倫雄.采用正交異性鋼橋面板的鐵路鋼桁梁設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè),2007(增刊2)

[9] 徐偉.武漢天興州公鐵兩用長(zhǎng)江大橋主橋鋼梁設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè),2008(1)

Design of Steel Truss Arch Bridge of GuanHe Bridge

LIU Guihong

2013-11-01

劉桂紅(1963—)，女，2007年畢業(yè)于中南大學(xué)土木工程專業(yè)，高級(jí)工程師，E-mail：liuguihong63@163.com。

1672-7479(2014)01-0094-03

U442.5

： B