城市快速路跨鐵路跨度160 m三主桁鋼箱組合梁橋設(shè)計(jì)

陳衛(wèi)華，李前名，熊　濤

(中鐵武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢　430074)

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城市快速路跨鐵路跨度160 m三主桁鋼箱組合梁橋設(shè)計(jì)

陳衛(wèi)華，李前名，熊濤

(中鐵武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢430074)

摘要：武漢雄楚大街新建高架作為城市快速路，高架橋要跨越南環(huán)鐵路光谷站咽喉區(qū)及在建的地鐵2號(hào)線南延線，受平面條件及路線縱斷面限制，跨鐵路高架橋需要160 m跨度，橋面至梁底的結(jié)構(gòu)高度不超過2.5 m。設(shè)計(jì)新建1-160 m鋼桁梁(不等高三主桁)+鋼箱梁組合結(jié)構(gòu)，桁架橫聯(lián)采用橢圓形橫撐，不設(shè)斜撐，橫撐與上下弦桿以高強(qiáng)螺栓連接。采用在鐵路以外現(xiàn)場(chǎng)拼裝，頂推施工跨越鐵路的方法，減小對(duì)既有鐵路的干擾。運(yùn)用Midas軟件建立由桁架梁?jiǎn)卧c鋼箱板單元組合而成的全橋整體模型進(jìn)行靜力分析、穩(wěn)定及動(dòng)力分析和施工階段分析，并對(duì)節(jié)點(diǎn)板等局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元細(xì)部分析。橋梁布置和施工方法滿足邊界條件，造型美觀，各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)滿足要求。

關(guān)鍵詞：公路橋；鋼桁梁；鋼箱梁；組合結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

1工程概況

武漢雄楚大街西接鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋，東至三環(huán)線，全長(zhǎng)約14.5 km，是武漢主城區(qū)“三環(huán)十三射”快速路的重要組成部分。雄楚大街(楚平路～三環(huán)線立交)道路在K12+380處與南環(huán)鐵路交叉，交叉處南環(huán)鐵路里程為K15+991。該處鐵路路基形式為路塹，共有南環(huán)上下行正線2股道，專用線1股道及站線2股道，共5股道。現(xiàn)狀雄楚大街延長(zhǎng)線采用(16+50+16) m梁式橋上跨南環(huán)鐵路，橋面寬40.0 m。雄楚大街改造工程實(shí)施后既有上跨橋作為地面輔道的組成部分，高架層需另建橋梁跨越既有橋及南環(huán)鐵路。

地鐵2號(hào)線南延長(zhǎng)線在佳園路～光谷火車站區(qū)間內(nèi)與本工程交叉，交叉處本工程道路里程為K12+450，該段地鐵線路與南環(huán)鐵路并行，在既有立交橋臺(tái)后穿越雄楚大街。綜合鐵路、在建地鐵線路及規(guī)劃道路等因素，主線高架跨鐵路采用1-160 m三主桁鋼箱組合梁橋。如圖1所示。

圖1　新建橋梁與既有橋、鐵路、地鐵的立面關(guān)系(單位：cm)

2橋梁總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級(jí)：主線高架為城市快速路；

(2)設(shè)計(jì)車速：主線60 km/h；

(3)橋面橫坡：1.5%；

(4)橋梁環(huán)境類別：Ⅰ類；

(5)橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γo=1.1；

(6)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限：100年。

2.2建筑材料

主桁構(gòu)件采用Q370qD鋼材；橫聯(lián)及鋼箱梁采用Q345qC鋼材；附屬結(jié)構(gòu)采用Q235C鋼材。

采用10.9S高強(qiáng)度螺栓， M24和M30的材質(zhì)分別為20MnTiB和35VB鋼。

主桁上弦與橫聯(lián)連接、下弦與橋面板連接節(jié)點(diǎn)板鋼材厚度方向性能要求達(dá)到Z35。

主橋墩身采用C40混凝土；承臺(tái)采用C35混凝土；樁基礎(chǔ)采用C35水下混凝土。

2.3主要結(jié)構(gòu)尺寸

主橋理論跨徑為160 m，橋面寬度27.1 m，每端梁縫寬度13 cm。為三主桁異型鋼桁梁+鋼箱梁組合結(jié)構(gòu)體系，橫聯(lián)為橢圓形。主桁為帶豎桿的三角形桁架，整體節(jié)點(diǎn)型式，中主桁高16.31 m，斜腹桿與豎桿夾角為34.72°；兩邊主桁高12.7 m，斜腹桿與豎桿夾角為28.35°，節(jié)間長(zhǎng)度8.8 m。中主桁與邊主桁中心距離為14.5 m。鋼箱梁頂面設(shè)置雙向1.5%橫坡，底面為平坡，梁高2.0～2.19 m。如圖2所示。

圖2　橋梁橫斷面(單位：cm)

主橋平面位于曲線上，為減小施工難度，主橋設(shè)計(jì)采用彎橋正做，對(duì)兩側(cè)引橋橫斷面進(jìn)行局部加寬，以保持橋面外觀圓順及行車順暢。

2.3.1主桁

弦桿均為箱型截面，邊主桁弦桿內(nèi)截面尺寸800 mm×2 000 mm，板厚26～38 mm；中主桁上弦桿內(nèi)截面尺寸800 mm×2 000 mm，下弦桿內(nèi)截面尺寸800 mm×2 190 mm，板厚26～54 mm。主桁采用焊接整體節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式[1-4]，節(jié)點(diǎn)最大板厚58 mm。為滿足局部穩(wěn)定的要求，每塊腹板中間設(shè)置一道縱向加勁肋。箱型截面桿件內(nèi)設(shè)置橫隔板，橫隔板間距一般不大于4.0 m。

主桁兩端受力較大的斜腹桿采用箱型截面，內(nèi)尺寸為800 mm×800 mm，板厚32～50 mm，其余斜腹桿及豎桿均為H形截面，H形截面高800 mm，翼緣截面寬800 mm或600 mm，板厚度20～38 mm。

2.3.2橫聯(lián)

主橋只設(shè)橫聯(lián)(橫撐)，橫聯(lián)橫向呈橢圓形將高度不同的三片主桁聯(lián)接成整體，為形成 “時(shí)空隧道”的造型，不宜設(shè)置斜撐，而采取加強(qiáng)橫聯(lián)(橫撐)的方式保證上弦桿的整體穩(wěn)定性，橫撐均采用箱型截面，內(nèi)尺寸800 mm×800 mm，端橫撐板厚20 mm，其余厚16 mm。橫撐與上下弦桿連接處，上下弦桿內(nèi)設(shè)2道橫隔板與橫撐腹板對(duì)齊，保證節(jié)點(diǎn)的橫向剛度。如圖3所示。

圖3　拱形橫梁與上下弦桿的連接節(jié)點(diǎn)(單位：mm)

2.3.3鋼箱梁

主桁下部為正交異性橋面板鋼箱梁[5]，鋼箱梁頂、底板與弦桿翼緣板焊接成整體，橫隔板及橫梁與下弦桿橫隔板通過高強(qiáng)螺栓聯(lián)接成整體，即主桁下弦桿成為鋼箱梁的一部分。鋼箱梁頂板設(shè)置雙向1.5%橫坡，底板為平坡，梁高2 000～2 190 mm；每8.8 m設(shè)置1道橫梁，中間每2.2 m設(shè)置1道橫隔板，橫隔板及橫梁板厚為16 mm。鋼箱梁頂、底板厚16 mm，均設(shè)置縱向閉口加勁肋(即“U肋”)。支點(diǎn)處設(shè)置橫梁，橫梁腹板厚度24 mm。

2.3.4下部結(jié)構(gòu)

主橋每端設(shè)3個(gè)支點(diǎn)，即每片主桁下設(shè)1個(gè)支座，共3個(gè)橋墩。支座的設(shè)置：縱向，墩高較小的墩3個(gè)支座均縱向固定，另外3個(gè)支座縱向活動(dòng)；橫向，中墩設(shè)置橫向固定支座，邊墩均為橫向活動(dòng)支座。中間墩采用雙柱門式墩，墩頂截面尺寸為6.0 m×4.0 m，單個(gè)墩柱底截面尺寸為1.7 m×4.0 m，下接整體式承臺(tái)，承臺(tái)尺寸8.6 m×8.2 m×3.2 m；承臺(tái)下設(shè)4根φ2.0 m鉆孔樁。邊墩采用獨(dú)柱花瓶墩身，墩柱頂截面尺寸為2.7 m×4.0 m，墩柱底截面尺寸為1.7 m×4.0 m，單柱承臺(tái)尺寸6.5 m×3.2 m×3.2 m；承臺(tái)下設(shè)2根φ2.0 m鉆孔樁。如圖4所示。

圖4　主橋下部結(jié)構(gòu)正立面(單位：cm)

2.4橋梁附屬設(shè)施

2.4.1橋面鋪裝

采用7 cm厚澆筑式瀝青混凝土鋪裝方案[6～7]。

2.4.2伸縮縫、支座與護(hù)欄

伸縮縫采用淺埋式240 mm伸縮縫。支座采用大噸位球型鋼支座，邊支座承載力15 000 kN，中支座承載力25 000 kN。護(hù)欄采用SS級(jí)墻式護(hù)欄，Q235C鋼板焊接結(jié)構(gòu)。

2.4.3鋼橋表面涂裝

全橋鋼結(jié)構(gòu)采用環(huán)氧富鋅涂裝方案。

2.5整體計(jì)算及成果

2.5.1計(jì)算模型

采用Midas/Civil 2011軟件建立全橋整體模型進(jìn)行分析計(jì)算，主桁上弦桿、腹桿及橫撐采用梁?jiǎn)卧?，下弦桿及鋼箱梁采用板單元[8]，其中鋼箱梁頂?shù)装宀捎脦Эv肋的板單元[9]。如圖5所示。

圖5　全橋整體模型

2.5.2主要計(jì)算結(jié)果

(1)撓度(表1)

表1　撓度及預(yù)拱度　mm

(2)應(yīng)力(表2)

表2　最大應(yīng)力　MPa

注：受壓為負(fù)值。

(3)自振頻率(表3)

表3　結(jié)構(gòu)基頻

公路橋涵規(guī)范未對(duì)橫向自振頻率做出要求，參考《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)表5.1.3，下承式鋼桁梁(L=48～80 m)，橫向自振頻率容許值f>65/L0.8=65/1600.8=1.12 Hz，本橋橫向自振頻率與鐵路規(guī)范計(jì)算值基本一致。

(4)支反力(表4)

表4　主桁豎向支反力　kN

(5)穩(wěn)定系數(shù)

主梁最小屈曲特征值為35.2，失穩(wěn)模態(tài)為主桁橫向失穩(wěn)。

3鋼梁細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1聯(lián)結(jié)

鋼桁梁工廠預(yù)制節(jié)段長(zhǎng)度17.6 m，上弦桿最大節(jié)段質(zhì)量60 t，采用整體式節(jié)點(diǎn)板，腹桿與弦桿及弦桿節(jié)段之間均采用高強(qiáng)螺栓對(duì)拼式連接[10]。鋼箱梁預(yù)制節(jié)段橫向尺寸為16 m，縱向尺寸為4.4 m，最大節(jié)段質(zhì)量35 t。橫向與主桁下弦桿采用栓焊混合連接，即橫梁與橫隔板采用高強(qiáng)螺栓連接，頂板與底板采用焊接；縱向節(jié)段之間采用全焊接。下弦采用整體式節(jié)點(diǎn)板，從頂板上開槽通過。如圖6、圖7所示。

圖6　鋼箱梁及下弦桿聯(lián)結(jié)橫斷面(單位：mm)

圖7　主桁弦桿斷面(單位：mm)

圖8　節(jié)點(diǎn)板局部模型

3.2節(jié)點(diǎn)板計(jì)算

選取腹桿受力最大的端部節(jié)點(diǎn)及弦桿受力最大的跨中節(jié)點(diǎn)建立節(jié)點(diǎn)板局部模型進(jìn)行分析[11]，節(jié)點(diǎn)板采用板單元，相聯(lián)結(jié)的弦桿、腹桿采用一段梁?jiǎn)卧c其耦合，以方便施加從整體模型中提取的桿件內(nèi)力。如圖8所示。

計(jì)算發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)板受力與弦桿及腹桿內(nèi)力直接相關(guān)，端節(jié)點(diǎn)板的厚度由腹桿決定，跨中節(jié)點(diǎn)板厚度由弦桿決定。

3.3預(yù)拱度

預(yù)拱度通過保持下弦桿、斜腹桿及橋面系長(zhǎng)度不變，增大上弦桿長(zhǎng)度的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：中主桁上弦每個(gè)節(jié)間長(zhǎng)度增大21 mm；邊主桁上弦每個(gè)節(jié)間長(zhǎng)度增加16 mm。即安裝時(shí)中主桁縱向拼接縫寬由20 mm調(diào)整為41 mm；邊主桁縱向拼接縫寬由20 mm調(diào)整為36 mm。拼接板制造時(shí)應(yīng)考慮預(yù)拱度的影響。

4指導(dǎo)性施工方案

主梁采用頂推法施工[12-15]，拼裝架設(shè)平臺(tái)設(shè)在鐵路東側(cè)，長(zhǎng)115 m，寬40 m，采用鋼管柱及貝雷梁搭設(shè)而成。主梁各節(jié)段通過汽車吊從運(yùn)梁車上吊至平臺(tái)上后，再由2臺(tái)1 000 kN龍門吊進(jìn)行精確定位安裝。龍門吊機(jī)距地面高度約30 m。為減小主梁頂推時(shí)的懸臂長(zhǎng)度，在既有上跨鐵路橋50 m跨梁縫即橋墩中心線位置搭設(shè)臨時(shí)支墩，支墩采用梁柱組合結(jié)構(gòu)，拼裝主梁及搭設(shè)支架不中斷道路行車。如圖9所示。

圖9　鋼梁頂推示意(單位：m)

頂推時(shí)，鋼梁前設(shè)置32.4 m長(zhǎng)的鋼導(dǎo)梁，將鋼梁最大懸臂控制在20 m內(nèi)，鋼桁梁最大懸臂撓度15 mm，最大應(yīng)力58 MPa。一次拼裝、頂推長(zhǎng)度為107 m，頂推重力為36 000 kN，擬采用多千斤頂同步協(xié)同頂推系統(tǒng)。頂推就位后，再在支架上拼裝剩余53 m鋼梁。

既有橋上的臨時(shí)墩受力較大，故設(shè)計(jì)對(duì)既有橋上部梁體、下部蓋梁、墩柱及樁基進(jìn)行了檢算，各項(xiàng)結(jié)果滿足規(guī)范要求。

5結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用大跨度桁架梁橋便于施工安裝、現(xiàn)場(chǎng)施工工期短的特點(diǎn)，再采用頂推法施工，滿足了大跨度橋梁上跨既有鐵路的需要。設(shè)計(jì)采用不等高三主桁+鋼箱梁組合結(jié)構(gòu)，配以橢圓形橫聯(lián)，梁橋受力合理、造型新穎、美觀。本橋上弦僅設(shè)橫聯(lián)(橫撐)，沒有斜撐，相應(yīng)地橫聯(lián)采用適當(dāng)尺寸的箱形截面，節(jié)點(diǎn)處弦桿隔板加密，保證橫聯(lián)自身及其與上下弦桿連接的節(jié)點(diǎn)有足夠的剛度，以保證上弦的側(cè)向穩(wěn)定性。鋼桁梁節(jié)點(diǎn)板局部受力復(fù)雜，有應(yīng)力集中現(xiàn)象，采用整體模型+局部模型的計(jì)算方法，精確、快速地分析出鋼橋細(xì)節(jié)部位受力情況，并根據(jù)計(jì)算成果，配置構(gòu)件截面尺寸。

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Design of Urban Expressway 160 m Composite Box Steel Girder Bridge with Three Main Trusses over Railway

CHEN Wei-hua， LI Qian-ming， XIONG Tao

(China Railway Wuhan Survey and Design Co.， Ltd.， Wuhan 430074， China)

Abstract：The project in Wuhan Xiongchu Street is to build a viaduct as part of the urban expressway. The viaduct is located in the throat area of Optics Valley subway station， crossing over the South Central Railway and the southern extension of Metro Line 2. Restricted by plane condition and line profile， the viaduct requires a 160-meter-span across the railway， and the structure height of the bridge deck to the bottom of the beam must be not more than 2.5 meters. The new 160m composite box steel girder bridge with three main trusses is surrounded by oval cross-braces without oblique braces. The cross-braces are conjoined to the truss by high-tensile bolts. The new bridge beside the railway is installed using the incremental launching method to minimize the disturbance to the existing railway. Midas software is employed to establish whole model with truss beam elements combined with steel box board unit and to conduct static analysis， stability analysis， dynamic analysis and construction analysis. Local structures such as node board details are analyzed with finite element method. The bridge layout and construction method satisfy the boundary conditions， aesthetically pleasing and the calculating indexes．

Key words：Highway bridge; Steel truss; Steel box girder; Composite structure; Design

文章編號(hào)：1004-2954(2016)05-0054-05

收稿日期：2015-11-04； 修回日期：2015-12-06

作者簡(jiǎn)介：陳衛(wèi)華(1968—)，男，高級(jí)工程師，1989年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:cwh22277@sohu.com。

中圖分類號(hào)：U442.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.012