一種鐵路鋼桁梁斜拉橋壓重結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

徐科英

(中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430056)

鐵路鋼桁梁斜拉橋由于鐵路活載較大，在運(yùn)營狀態(tài)下邊墩及輔助墩通常會(huì)出現(xiàn)較大的負(fù)反力。解決邊墩及輔助墩負(fù)反力的方法通常有2種：①在主梁與墩身之間設(shè)置抗拉支座或其他連接結(jié)構(gòu)，保證在運(yùn)營狀態(tài)下斜拉橋邊墩及輔助墩處的支座不脫空，不影響橋梁結(jié)構(gòu)的使用安全[1]；②用增加壓重的方法來控制邊墩及輔助墩負(fù)反力，確保在運(yùn)營狀態(tài)下斜拉橋邊墩及輔助墩不出現(xiàn)負(fù)反力，并有一定的壓重儲(chǔ)備[2-3]。

采用拉壓支座或其他連接結(jié)構(gòu)控制斜拉橋負(fù)反力的方法，由于構(gòu)造復(fù)雜、養(yǎng)護(hù)困難，耐久性相對較差，在國內(nèi)鐵路斜拉橋中較少使用。目前國內(nèi)已建或在建的鐵路鋼桁梁斜拉橋通常采用增加壓重的方法來控制斜拉橋邊墩及輔助墩的負(fù)反力，解決方案主要有2種：①將邊跨段的鋼正交異性整體橋面板換成較厚的混凝土橋面板或采用混凝土結(jié)合板[4-5]，這種方法通過增加邊跨結(jié)構(gòu)自重，達(dá)到消除邊墩及輔助墩負(fù)反力的目的；②在邊墩及輔助墩范圍內(nèi)采取集中布置壓重混凝土的方法，達(dá)到控制邊墩及輔助墩負(fù)反力的目的[6-8]。

1 工程概況

本文以安慶鐵路長江大橋(見圖1)為工程背景，研究一種適用于鐵路鋼桁梁斜拉橋的壓重結(jié)構(gòu)。安慶鐵路長江大橋是南京至安慶城際鐵路和阜陽至景德鎮(zhèn)鐵路的重要組成部分，通行四線鐵路(兩線客運(yùn)專線，兩線Ⅰ級干線)，速度目標(biāo)值為200 km/h以上。大橋全長 2 996.8 m，主橋?yàn)?跨連續(xù)鋼桁梁斜拉橋，跨度布置為(101.5+188.5+580.0+217.5+159.5+116.0)m[9]。

圖1 安慶鐵路長江大橋立面布置(單位：m)

加勁梁采用空間3片桁架結(jié)構(gòu)，桁高15.0 m，節(jié)間長14.5 m，主桁間距14.0 m。鐵路橋面采用正交異性板整體橋面系結(jié)構(gòu)，由縱肋(梁)、橫肋(梁)及其加勁的橋面頂板組成。橋面系結(jié)構(gòu)的橫肋(梁)與橋面頂板和主桁的下弦桿件通過焊接與高強(qiáng)度螺栓聯(lián)結(jié)組成板桁組合結(jié)構(gòu)。加勁梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖2所示。

圖2 加勁梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：mm)

主桁上下弦桿件均為箱形截面，上弦桿件內(nèi)寬 1 200 mm，內(nèi)高 1 000 mm，板厚20～48 mm；下弦桿件內(nèi)寬 1 200 mm，內(nèi)高 1 400 mm，板厚20～56 mm。主桁腹桿有箱形和H形2種截面形式。在支點(diǎn)附近和壓重區(qū)段，由于桿件內(nèi)力較大腹桿采用箱形截面，截面內(nèi)高800 mm，板厚24～48 mm；桿力較小的腹桿采用H形截面，截面高720,760 mm，板厚20～48 mm。鐵路橋面下弦節(jié)點(diǎn)處設(shè)倒T形橫梁，梁高2.2 m；順橋向每隔2.9 m設(shè)一道倒T形橫肋，橫肋高度與主桁下弦桿件高度相等；橫梁(肋)的翼緣板、腹板均和主桁下弦桿件通過栓焊連接。

主桁結(jié)構(gòu)和橋面系構(gòu)件主要采用Q370qE橋梁鋼，支點(diǎn)附近、壓重段等內(nèi)力較大的下弦桿件和橋面系構(gòu)件采用Q420qE橋梁鋼[9-10]。

2 鐵路鋼桁梁斜拉橋壓重結(jié)構(gòu)

2.1 壓重段壓重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

安慶鐵路長江大橋在四線鐵路活載作用下 1#邊墩和2#,4#輔助墩支座均出現(xiàn)較大的負(fù)反力。為避免支座脫空影響鐵路行車安全，需要采取有效措施控制負(fù)反力。

安慶鐵路長江大橋若采用常規(guī)厚度的混凝土橋面板壓重方案，邊墩及輔助墩負(fù)反力依然存在。為解決支座負(fù)反力的問題，采用了如下方法：采用鋼板封閉開口的正交異性鋼橋面板，向橋面以下拓展形成密閉空間；在密閉鋼箱頂部設(shè)置混凝土灌注孔及觀察孔，并在鋼箱腹板及橫梁腹板沿高度方向設(shè)置混凝土方量高度控制肋；現(xiàn)場灌注重晶石混凝土，以達(dá)到精確控制斜拉橋壓重的目的。壓重段密閉鋼箱標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖3所示。設(shè)計(jì)中將壓重區(qū)段內(nèi)的開口正交異性整體橋面結(jié)構(gòu)通過等高度橫梁腹板、變高度橫肋腹板、縱向腹板、底板、橫向U形加勁隔板、縱向U形加勁隔板等局部封閉成密閉鋼箱。

圖3 1/2壓重段密閉鋼箱標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：mm)

壓重段密閉鋼箱在節(jié)點(diǎn)橫梁處采用等高度橫梁腹板設(shè)計(jì)，橫梁腹板與主桁下弦節(jié)點(diǎn)通過高強(qiáng)度螺栓拼接。鋼箱底板在橫梁底板處通過圓弧過渡，底板寬度漸變成與主桁下弦桿件的橫梁底板接頭等寬，通過高強(qiáng)度螺栓與主桁下弦桿拼接。主桁下弦節(jié)點(diǎn)橫梁處壓重段鋼箱斷面如圖4所示。

圖4 1/2主桁下弦節(jié)點(diǎn)橫梁處壓重段鋼箱斷面(單位：mm)

壓重段密閉箱梁在節(jié)間橫肋處采用變高度的橫肋腹板設(shè)計(jì)，變高度橫肋腹板端部通過高強(qiáng)度螺栓與主桁下弦桿件拼接；橫肋腹板在跨中采用變高度的設(shè)計(jì)，可以為壓重區(qū)提供更大的壓重空間；橫肋腹板高度變化的兩端以圓弧過渡，可避免應(yīng)力集中。主桁下弦節(jié)間橫肋處壓重段鋼箱斷面如圖5所示。密閉鋼箱底板結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖5 1/2主桁下弦節(jié)間橫肋處壓重段鋼箱斷面(單位：mm)

圖6 1/2壓重段鋼箱底板結(jié)構(gòu)(單位：mm)

從圖6可見，密閉鋼箱在橫梁腹板和橫肋腹板之間沿縱向布置多道橫向U形加勁橫隔板，沿橫向布置多道縱向U形加勁橫隔板。帶翼緣板的縱、橫向U形加勁橫隔板對密閉鋼箱的腹板和底板提供連續(xù)的加勁，有利于結(jié)構(gòu)承受較重的重晶石混凝土作用。

為精確控制重晶石混凝土灌注的方量，在密閉鋼箱的橫梁(橫肋)腹板上布置水平加勁肋(高度標(biāo)志肋)，作為控制混凝土高度的標(biāo)志。在密閉鋼箱的縱向腹板上沿高度方向布置多道水平加勁肋，既可對縱向腹板提供加勁作用，又可作為控制混凝土高度的標(biāo)志。

壓重段封閉鋼箱構(gòu)造簡單，與主桁通過高強(qiáng)螺栓連接，施工方便；封閉鋼箱高度可依據(jù)壓重需要，通過變高度的橫梁(橫肋)腹板進(jìn)行調(diào)整，適用范圍廣；雙向加勁的鋼箱結(jié)構(gòu)受力明確，承載力大，可提供更集中的壓重荷載。

2.2 壓重段施工方法及應(yīng)用

壓重采用在密閉鋼箱內(nèi)灌注重晶石混凝土的方法。密閉鋼箱在正交異性整體橋面板上布置了混凝土灌注孔和觀察孔，既便于灌注混凝土，又便于施工人員根據(jù)鋼箱內(nèi)設(shè)置的高度標(biāo)志肋觀察混凝土的高度，可有效控制混凝土灌注過程，確?；炷恋墓嘧?shù)量滿足設(shè)計(jì)計(jì)算的要求。混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后停止灌注，待混凝土基本凝固后進(jìn)行鋼箱內(nèi)的氣密性測試。達(dá)到氣密性檢測標(biāo)準(zhǔn)后，封閉鋼箱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)密閉鋼箱內(nèi)的氣密防腐。

混凝土的體積應(yīng)根據(jù)計(jì)算需要確定。依據(jù)封閉鋼箱的形狀確定混凝土澆筑的高度，通過在高度方向設(shè)置多道水平標(biāo)志肋，可精確控制澆筑混凝土的方量。密閉鋼箱的高度的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮預(yù)留在灌注混凝土過程中，工人振搗和檢查灌注高度的空間。

安慶鐵路長江大橋全橋共設(shè)3處集中壓重區(qū)段，分別是：位于1#邊墩側(cè)4個(gè)節(jié)間范圍內(nèi)的鐵路橋面，壓重荷載集度為800 kN/m；位于2#輔助墩兩側(cè)各一個(gè)節(jié)間范圍內(nèi)的鐵路橋面，荷載集度為640 kN/m；位于5#輔助墩兩側(cè)各一個(gè)節(jié)間，荷載集度為840 kN/m。

3 結(jié)語

鐵路鋼桁梁斜拉橋由于鐵路活載較大，在運(yùn)營狀態(tài)下邊墩及輔助墩通常會(huì)出現(xiàn)較大的負(fù)反力。為避免支座脫空影響鐵路行車安全，需要采取有效措施控制負(fù)反力。

安慶鐵路長江大橋采用封閉鋼箱灌注重晶石混凝土的方法集中壓重，該方法在密閉鋼箱頂部設(shè)置混凝土灌注孔及觀察孔，并在鋼箱腹板及橫梁腹板沿高度方向設(shè)置混凝土方量高度控制肋，采用現(xiàn)場灌注重晶石混凝土的方法，達(dá)到精確控制斜拉橋壓重的目的。

該方法具有構(gòu)造簡單、受力明確、壓重效率高、施工方便的特點(diǎn)，已在國內(nèi)多座鐵路鋼桁梁斜拉橋中推廣運(yùn)用。

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[9]中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院有限公司.安慶鐵路長江大橋施工圖[Z].武漢：中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院有限公司,2010.