新建安九鐵路長(zhǎng)江大橋主航道橋主梁設(shè)計(jì)

李江剛 張巨生 王志平

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

新建安慶至九江鐵路是京九客專的重要組成部分，安九鐵路長(zhǎng)江大橋?yàn)槿€控制工程。橋位南側(cè)位于江西九江市，北側(cè)位于湖北黃梅縣。大橋按4線設(shè)計(jì)(2線350 km/h高鐵及預(yù)留2線200 km/h客貨共線I級(jí)鐵路)，主航道位于九江大堤及鳊魚洲之間，且靠近九江大堤側(cè)[1]。因高鐵對(duì)行車的安全性、舒適性要求高，箱型梁剛度較小，國(guó)內(nèi)、外大跨度鐵路及公鐵斜拉橋主梁結(jié)構(gòu)形式以桁式主梁居多。但考慮建橋條件即邊跨位于陸地及鳊魚洲上，通過(guò)設(shè)置混凝土邊跨[2]、增加鋼梁段恒載重量、主跨跨中采用交叉索布置等措施找到了滿足靜力及動(dòng)力要求的混合箱梁斜拉橋方案。

1 工程概況

新建安九鐵路長(zhǎng)江大橋主航道橋采用鉛錘雙索面雙塔混合箱梁斜拉橋，跨度布置為2×50 m+224 m+672 m+174 m+3×50 m，全長(zhǎng)1 320 m，為國(guó)內(nèi)跨度最大、設(shè)計(jì)通行速度最高的4線鐵路混合梁斜拉橋。大橋采用半漂浮體系，跨中區(qū)段采用交叉索布置解決行車舒適性要求。主跨及輔助跨采用鋼箱梁，其余采用混凝土箱梁，橋型布置見(jiàn)圖1。

圖1 主航道橋橋型布置圖(單位：m)

2 主梁總體設(shè)計(jì)

鋼箱梁梁段全長(zhǎng)1 060 m，混凝土梁全長(zhǎng)260 m。其中索交叉區(qū)鋼梁段長(zhǎng)72 m，鋼梁共分為63個(gè)節(jié)段，節(jié)段劃分及斷面見(jiàn)圖2。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)18 m

(每節(jié)段內(nèi)含2對(duì)斜拉索)，交叉索區(qū)鋼梁節(jié)段長(zhǎng)12 m,主塔鋼梁節(jié)段長(zhǎng)13.6 m,合龍段長(zhǎng)10.4 m,黃梅和九江側(cè)鋼-混結(jié)合段分別長(zhǎng)13.2 m和10.2 m。

圖2 主梁節(jié)段劃分圖(單位：m)

2.1 鋼梁設(shè)計(jì)

鋼箱梁采用單箱三室截面，鋼材為Q370qE，鋼箱梁高約4.79 m，橋面設(shè)置雙向2%的橫坡，邊箱高4.5 m。鋼箱梁寬32.2 m。斜拉索橫向間距為29 m，縱向間距9 m(跨中12 m)。鋼梁頂面鋪有15 cm厚的混凝土道砟槽板，提高體系重力剛度。道砟槽板采用剪力釘與鋼箱梁連接。道砟槽板設(shè)橫向斷縫，不參與縱向受力。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度為18 m，質(zhì)量約550 t。

鋼箱梁頂?shù)装宀捎谜划愋詷蛎姘澹瑯?biāo)準(zhǔn)段頂、底板厚16 mm，主塔及結(jié)合段逐漸加厚至24 mm，腹板厚28 mm。頂板加勁肋采用板肋形式，提高橋面板抗疲勞性，標(biāo)準(zhǔn)段板肋為220 mm×20 mm，橫向間距350，375 mm，每線鐵路軌道位置處設(shè)小縱梁，小縱梁腹板高500 mm，厚14 mm，下翼緣規(guī)格為250 mm×16 mm。鋼箱梁底板采用U肋加勁，U肋高220 mm、厚8 mm，U肋開(kāi)口寬380 mm、頂寬200 mm，橫向間距750 mm。邊箱頂板及邊箱腹板外側(cè)加勁肋采用板肋，板肋規(guī)格為260 mm×24 mm，鋼箱梁梁內(nèi)每隔3 m設(shè)置1道橫隔板。鋼箱梁采用全焊連接的形式，鋼軌正下方的小縱梁腹板采用高強(qiáng)螺栓連接，小縱梁翼緣采用焊接。

2.2 預(yù)應(yīng)力混凝土梁設(shè)計(jì)

50 m跨采用C55的單箱單室的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，外形匹配鋼梁，采用縱橫向預(yù)應(yīng)力體系。與鋼梁同寬，梁高4.94 m(道砟槽板在結(jié)構(gòu)內(nèi))，標(biāo)準(zhǔn)段頂板和底板厚40 cm，肋板厚280 cm，靠近鋼-混合結(jié)合段處頂?shù)装寮雍裰?0 cm。混凝土梁上斜拉索縱向間距按9 m和6 m 2種設(shè)置，拉索錨固處對(duì)應(yīng)位置設(shè)有索橫隔板，標(biāo)準(zhǔn)隔板縱向間距為3 m，隔板厚0.4 m?？夸?混結(jié)合處的3號(hào)、6號(hào)輔助墩考慮壓重設(shè)3 m厚的橫隔墻。

2.3 鋼-混結(jié)合段構(gòu)造設(shè)計(jì)

全橋設(shè)置2個(gè)鋼-混結(jié)合段，鋼-混結(jié)合段設(shè)置在易于施工、質(zhì)量控制易于保證的輔助墩附近[3]。黃梅側(cè)和九江側(cè)鋼-混分界面分別距3號(hào)和6號(hào)輔助墩向主塔側(cè)8 m和6 m處，見(jiàn)圖3。

圖3 鋼-混結(jié)合段位置(單位：m)

鋼-混結(jié)合面采用承壓傳力的結(jié)構(gòu)形式，承壓隔板厚度60 mm，鋼梁頂、底板厚24 mm。結(jié)合段設(shè)2 m厚的混凝土隔墻，鋼梁的頂?shù)卒摪迳烊牖炷羵?cè)2 m,在混凝土梁側(cè)承壓板上設(shè)置剪力釘。為使剛度過(guò)渡勻順，頂、底及腹板加勁肋加高、加厚，其中底板加勁肋逐步過(guò)渡成板肋，另外邊室內(nèi)腹板與承壓隔板之間增加了三角水平板加勁肋。頂?shù)装逶O(shè)有PBL剪力鍵及剪力釘[4]，除頂板剪力釘規(guī)格為直徑19 mm×長(zhǎng)度100 mm外，其余為直徑22 mm×長(zhǎng)度150 mm，標(biāo)準(zhǔn)間距150 mm。為確保受彎下端承壓板與混凝土密貼，結(jié)合段預(yù)應(yīng)力通過(guò)延長(zhǎng)連接板錨固，保證預(yù)應(yīng)力均勻傳遞到承壓板。鋼-混結(jié)合面共配122根預(yù)應(yīng)力束，結(jié)合段斷面見(jiàn)圖4。鋼-混結(jié)合段軸向力直接以端承壓板受力為主，彎矩用預(yù)應(yīng)力鋼絞線承受，梁端剪力以端承壓板上布置的剪力釘和端摩擦力平衡。

圖4 鋼-混分界面斷面圖(單位：mm)

3 結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算分析

整體靜力計(jì)算采用midas和SCDS進(jìn)行,結(jié)合段局部分析采用ANSYS進(jìn)行，計(jì)算和分析模型見(jiàn)圖5。

圖5 靜力計(jì)算有限元模型

3.1 整體靜力分析

按全施工過(guò)程建模，運(yùn)營(yíng)階段考慮的荷載有：恒載、基礎(chǔ)變位、收縮徐變、列車活載、制動(dòng)力、整體升降溫，索與梁溫差、主塔塔壁日照溫差、主梁豎向溫度梯度、風(fēng)荷載。其中鋼梁標(biāo)準(zhǔn)段一期恒載323 kN/m，二期恒載為460 kN/m，計(jì)算活載取2線ZK+2線中活載，考慮4線線折減系數(shù)0.75，活載集度約為216 kN/m。荷載組合按規(guī)范采用最不利組合，計(jì)算結(jié)果如下。

運(yùn)營(yíng)階段。鋼箱梁最大應(yīng)力163.4 MPa；預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁全截面受壓，最大壓應(yīng)力為17.8 MPa，最大主壓應(yīng)力為16.9 MPa，主拉應(yīng)力為1.67 MPa；梁端轉(zhuǎn)角為0.031% rad，主跨靜活載撓跨比為1/684。均滿足規(guī)范要求[5]。

鋼-混分界面處鋼梁最大壓應(yīng)力為145 MPa，最大拉應(yīng)力為66.3 MPa；分界面處混凝土梁全截面受壓，最大壓應(yīng)力為17.1 MPa，最小壓應(yīng)力為0.93 MPa。

3.2 鋼-混結(jié)合段局部分析

取黃梅側(cè)鋼-混結(jié)段按最不利荷載狀態(tài)，采用ANSYS建模。為了避免圣維南現(xiàn)象，取混凝土梁段25 m+鋼混結(jié)合段2 m+鋼梁段16 m建模。鋼箱梁鋼板采用殼單元模擬，混凝土采用實(shí)體單元模擬，剪力釘采用梁?jiǎn)卧M，預(yù)應(yīng)力筋采用桿單元模擬,模型共計(jì)單元232 040個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為170 068個(gè)。以客運(yùn)側(cè)箱梁構(gòu)造建立一半的箱梁模型，并釆用正對(duì)稱約束，模型采用混凝土端約束三向線性位移，3號(hào)墩處施加豎向位移約束，鋼箱梁端自由的約束方式。通過(guò)剛性域的方式加載在截面形心位置以考慮局部模型的第一體系內(nèi)力[5]。鋼-混結(jié)合處，鋼結(jié)構(gòu)與混凝土接觸位置不做處理，通過(guò)鋼構(gòu)件表面的剪力釘、PBL的節(jié)點(diǎn)與混凝土節(jié)點(diǎn)采用耦合的方法進(jìn)行相互連接。

模型的總體坐標(biāo)系Z方向?yàn)闃蚩缈v向，Y向?yàn)樨Q向，X向?yàn)闃蚩鐧M向。

考慮以下工況下結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力水平及應(yīng)力分布狀況。

1) 工況1。取總體最不利荷載組合(主力+附加力)下鋼混段分界面最大負(fù)彎矩工況。

2) 工況2。取總體最不利荷載組合(主力+附加力)下鋼混段分界面最大正軸力工況。

3) 工況3。橋梁橫向受力：ZK活載作用。

限于篇幅，文中僅列出起控制作用的工況1下2 m鋼混段及附近3 m鋼梁的主要構(gòu)件的Von Mises等效應(yīng)力，見(jiàn)圖6。

圖6 主要構(gòu)件Von Mises應(yīng)力(單位：MPa)

剔除剪力釘硬點(diǎn)及預(yù)應(yīng)力錨固處應(yīng)力集中點(diǎn)后，鋼梁及混凝土最大應(yīng)力值見(jiàn)表1。

由圖6和表1可得出，3個(gè)工況中最不利的為最大負(fù)彎矩工況?？v向計(jì)算和橫向計(jì)算下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力均在規(guī)范要求范圍內(nèi)[6-7]；鋼混段鋼結(jié)構(gòu)部分主體應(yīng)力分布均勻，剛度過(guò)渡平順，且承壓板為主要傳力構(gòu)件；結(jié)合段混凝土隔墻在承壓板內(nèi)邊緣和過(guò)人洞周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中，局部出現(xiàn)拉應(yīng)力。

表1 鋼-混結(jié)合段局部有限元分析結(jié)果 MPa

注：表中正應(yīng)力以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

4 結(jié)語(yǔ)

新建安九鐵路長(zhǎng)江大橋主航道橋?yàn)槲覈?guó)首座350 km/h高鐵跨長(zhǎng)江的鐵路混合箱梁斜拉橋，也是世界跨度最大、設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)速度最高的混合箱梁鐵路斜拉橋。大橋?yàn)榈湫偷拇罂?、長(zhǎng)聯(lián)、高墩結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：首次在跨長(zhǎng)江鐵路斜拉橋中采用箱型主梁；首創(chuàng)采用交叉索解決了因箱梁剛度小而引起的主跨跨中行車舒適性不足的問(wèn)題；伸縮縫及軌道溫度調(diào)節(jié)器首次采用1 600 mm的下承式結(jié)構(gòu)。

本文以該橋?yàn)楣こ瘫尘?，闡述了主梁的各個(gè)主要部位的構(gòu)造設(shè)計(jì)，為同類工程提供參考。該橋于2017年開(kāi)工建設(shè)，預(yù)計(jì)2022年通車運(yùn)營(yíng)。