湖州特大橋1孔96 m雙線鐵路鋼桁梁設計

李先婷

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 工程概況

湖州特大橋是宣杭鐵路湖州境內(nèi)鐵路抬道改造控制項目，位于湖州西站與湖州站之間，為跨越長興港及西苕溪航道而設。該處航道標準為限制性Ⅲ級航道，凈空7 m，設計最高通航水位2.7 m[1]。經(jīng)多方案比選，湖州特大橋總體橋跨布置為19×32 m預應力混凝土簡支T梁+1×96 m下承式簡支鋼桁梁+17×32 m預應力混凝土簡支T梁+1×96 m下承式簡支鋼桁梁+1×32 m預應力混凝土簡支T梁，全長1 419.62 m[2-3]。鋼桁梁防腐采用第七涂裝體系[4]。為了減少對航道的影響，96 m鋼桁梁的施工方法采用架設速度較快的浮托法[5]。

2 主要技術標準

鐵路等級：Ⅰ級；

線路情況：雙線，直線；正線間距5.0 m；

設計速度：客貨160 km/h；

牽引種類：電力；

設計活載：中-活載；

橋梁限界：采用《鐵路技術管理規(guī)程》(普通鐵路部分)(2014)中電氣化雙層集裝箱線路不小于7.96 m的規(guī)定[6]；

環(huán)境類別及作用等級：碳化環(huán)境，作用等級為T2[7]；

設計正常使用年限：正常條件下，梁體結構設計使用壽命為100年；

地震烈度：適用于地震動峰值加速度小于0.05g的地區(qū)；

橋址溫度：極端最低溫度-11.1 ℃，極端最高溫度+38.9 ℃。

3 96m鋼桁梁結構設計

其結構為無豎桿整體節(jié)點平行弦三角桁架下承式有砟橋面簡支鋼桁梁，計算跨度為96 m，梁長98.5 m，節(jié)間長度為12 m，共8節(jié)，桁高13.6 m(為計算跨徑的1/7.06)，兩片主桁中心距為12.4 m(為計算跨徑的1/7.74)，擋砟墻內(nèi)側(cè)凈寬9.5 m，橋門架及中間橫梁為板式結構，上平縱聯(lián)為交叉式工字形斷面。主桁輪廓見圖1、圖2。

圖1 主桁立面(單位：mm)

圖2 橫斷面布置(單位mm)

3.1 主桁

主桁上、下弦桿截面均為箱形，焊接，整體節(jié)點形式[8]。上弦桿內(nèi)高為1 000 mm、內(nèi)寬為700 mm，下弦桿內(nèi)高為1 300 mm、內(nèi)寬為700 mm。腹桿與主桁整體節(jié)點連接方式分為兩種，腹桿為箱形截面時采用四面對接拼[9]，腹桿為工形截面時采用插入式拼接，四面對接拼腹桿內(nèi)寬與弦桿內(nèi)寬相同，插入式拼接腹板外寬與弦桿內(nèi)寬相同，主桁鋼材型號為Q345。

3.2 橋面系

橋面板為密橫梁正交異性整體鋼橋面板[10]。橫梁為倒T形結構，梁端腹板高1 300 mm。端節(jié)點橫梁腹板厚32 mm，翼板寬1 000 mm，翼板厚40 mm；中間節(jié)點橫梁腹板厚24 mm，翼板寬1 000 mm，翼板厚40 mm；節(jié)點間橫梁腹板厚20 mm，翼板寬800 mm，翼板厚40 mm；橫梁間距3.0 m。

每條線路下設2道縱梁，間距為1.5 m?？v梁為倒T形截面，腹板高676 mm，板厚14 mm，翼板寬240 mm，板厚24 mm。橋面板厚16 mm，縱向為U形加勁肋和板式加勁肋，U形加勁肋橫向間距為600 mm左右，頂寬300 mm，底寬170 mm，高280 mm，板厚10 mm；板式加勁肋肋高160 mm，板厚20 mm。鋼橋面板分為三種類型(B1、B2、B3)：橋面板寬為10.5 m，B1縱向長度為10.92 m，B2為12.0 m，B3為4.66 m。橋面板與主桁在現(xiàn)場完成連接[11]。

3.3 上平縱聯(lián)、橋門架、橫聯(lián)、防落梁

上平縱聯(lián)的斜桿及支桿截面均為交叉式工形斷面，上平聯(lián)桿件高420 mm，支桿翼板寬400 mm，斜桿翼板寬400 mm，翼緣板厚16 mm，腹板厚12 mm。

鋼梁端斜桿上設有斜向橋門架，在上弦每個節(jié)點處的斜腹桿上設置中間橫聯(lián)。橋門架及橫聯(lián)均為板式結構。

為保證梁部結構在地震力作用下的安全，在梁與墩之間設置防落梁設施。橫向防落梁擋塊設置在梁底[12]。墩身上可利用墊石替代混凝土擋塊，施工時應注意梁底擋塊與墩身擋塊位置的對應。

4 結構分析

4.1 計算模型

采用通用有限元分析計算軟件Midas /Civil對鋼桁梁結構進行模擬[13]。對桿件的模擬采用梁單元，桿件節(jié)點連接方式按剛性考慮，根據(jù)橫向分布寬度，對橋面板進行折算(見圖3)[14]。

圖3 計算模型

4.2 主桁靜力計算結果

桿件內(nèi)力計算結果見表1，桿件強度計算結果見表2。

表1 桿件內(nèi)力

表2 桿件強度

4.3 剛度檢算

在中-活載作用下，靜活載撓度Δ≤L/900，梁端豎向轉(zhuǎn)角不應大于3‰rad[15]，計算結果見表3。

表3 剛度計算

4.4 支座反力

本橋位于直線上，4個支座恒活載反力相同[16]，計算結果見表4。

表4 支承反力(一個支座)

4.5 自振頻率分析

根據(jù)《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB10002—2017)第5.2.5條的要求，應滿足23.58L-0.592=1.58 Hz，式中L為簡支梁跨度/m，計算結果見表5。

表5 橫向自振頻率計算結果

5 施工方案

跨越長興港及西苕溪航道運輸繁忙，為盡可能減小對長興港及西苕溪航道的影響[17]，不影響架設安裝工期，采用浮托法施工方案。

(1)施工準備

搭設支架及滑道，拼裝鋼桁梁，在節(jié)點下安裝載重滾動小車，進行各種工況的模擬調(diào)試，檢驗小車、支架的受力及變形情況[18]。

(2)拖拉裝置安裝

拖拉鋼梁，滾動小車跟隨鋼梁一同前進，并保證只在節(jié)點上受力。拖拉時浮墩為剛性連接，設好地錨。

(3)浮托安裝

吊裝浮托到設計位置并精確對位，拆除載重滾動小車，頂升落梁，拆除浮墩，安裝支座。

(4)附屬設施施工

進行橋面混凝土板、橋面系及附屬設施施工。

6 上弦端節(jié)點優(yōu)化設計

在整體設計的基礎上，采用FEA有限元分析軟件對端節(jié)點進行實體分析。端節(jié)點為實體模擬，其余桿件為梁單元模擬，建立全橋模型(分常規(guī)端節(jié)點板方案和優(yōu)化端節(jié)點板方案兩種)，并對兩方案進行對比分析。

鋼桁梁端部節(jié)點處常規(guī)設計見圖4。優(yōu)化設計后見圖5。

圖4 端節(jié)點常規(guī)設計

圖5 端節(jié)點優(yōu)化設計

對兩種類型的端節(jié)點進行有限元分析，研究其受力及受力分布情況。計算結果見圖6～圖9所示。

圖6 常規(guī)設計第一主應力分布

圖7 優(yōu)化設計第一主應力側(cè)視

圖8 常規(guī)設計第三主應力分布

圖9 優(yōu)化設計第三主應力分布

由圖6～圖9可知，兩種形式的上部端節(jié)點應力分布基本相同。從整體計算的角度看，其他桿件應力沒有受到影響。與常規(guī)節(jié)點板相比，優(yōu)化節(jié)點板并沒有因為減少了用鋼量而導致節(jié)點板及其他桿件所受應力增加；另一方面，常規(guī)節(jié)點板被優(yōu)化掉的部分所受應力不大。因此，優(yōu)化后的節(jié)點板既節(jié)省鋼材，也不會影響結構的應力分布及正常使用。

7 結論

(1)總結出一套適用于浮托法施工的大跨度鋼桁梁橋設計和施工方法。

(2)節(jié)點板優(yōu)化方案優(yōu)化掉的部分應力為10～30 MPa，遠小于鋼材容許應力。

(3)與常規(guī)節(jié)點相比，板優(yōu)化節(jié)點板并沒有改變節(jié)點板及其它桿件的應力分布。優(yōu)化方案可有效減少用鋼量，且不影響結構的正常使用。