城際鐵路跨度160 m簡支鋼桁梁設(shè)計及技術(shù)創(chuàng)新

黃小安

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

引言

隨著我國鐵路鋼橋事業(yè)的發(fā)展，鐵路簡支鋼桁梁橋的使用越來越廣泛，它是一種跨越能力非常強(qiáng)的橋梁結(jié)構(gòu)，在橋梁鋼結(jié)構(gòu)中占有很重要的地位[1-2]。近些年來，集包第二雙線鐵路古城灣特大橋主橋采用132 m簡支鋼桁梁[3]；黃韓候鐵路新黃河特大橋主橋采用156 m單線簡支鋼桁梁[4-5]；漯河至阜陽增建二線的趙寨穎河雙線特大橋主橋采用128 m簡支鋼桁梁[6-7]；鐵路簡支鋼桁梁設(shè)計跨度已取得較大突破并為大跨簡支鋼桁梁設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗[8-9]。本文所采用設(shè)計跨度達(dá)160 m，下面就其設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)行闡述和介紹。

1 工程概況

本橋是新建廣佛江珠城際鐵路控制性工點，主橋上跨貴廣、南廣及廣茂鐵路而設(shè)，本橋位于直線上，與既有鐵路夾角約26°，設(shè)計為1-160 m簡支鋼桁梁橋，橋梁全長162.3 m。由于橋址處建筑高度受限及線路高程控制，為了滿足橋梁限界、結(jié)構(gòu)剛度以及造價經(jīng)濟(jì)性要求，經(jīng)多次方案比選后選用1孔160 m下承式帶豎桿三角形內(nèi)插式節(jié)點簡支鋼桁梁[3]，橋址平面如圖1所示。

圖1 橋型平面布置(單位：m)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級：城際鐵路。

正線數(shù)目：雙線(線間距4.6 m)。

速度目標(biāo)值：200 km/h。

軌道：CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。

牽引種類：電力牽引。

設(shè)計活載：ZC活載。

3 鋼桁梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

本橋設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)包括主桁設(shè)計參數(shù)的確定、鋼桁梁梁部剛度的控制、主桁空間受力分析以及施工方案的研究。

3.2 總體布置

本橋設(shè)計桁高為18 m，高跨比1/8.9，橫向采用2片主桁，主桁間距13 m。主桁采用帶豎桿三角形桁架，縱向共13個節(jié)間，縱向節(jié)點間距除橋兩端為13 m外，均為13.4 m[2]。

3.3 主桁構(gòu)造

主桁上、下弦桿均采用焊接箱形截面，豎板高2 000 mm，內(nèi)寬1 400 mm，板厚16～46 mm。腹桿采用箱形及“H”形截面，箱形截面高1 398 mm，內(nèi)寬1 000 mm，板厚16～40 mm；H形截面高1 398 mm，外寬1 000 mm，板厚16～20 mm[10]。主桁布置及上弦桿、下弦桿、腹桿截面如圖2所示。

圖2 主桁布置及上弦桿、下弦桿、腹桿截面(單位：mm)

主桁節(jié)點采用內(nèi)插式節(jié)點形式，預(yù)先在工廠用坡口焊縫和弦桿的腹板焊成整體，在兩塊節(jié)點板中間插入腹桿，并用螺栓把二者連接起來。主桁弦桿及腹桿的連接采用M30的高強(qiáng)度螺栓(φ32 mm孔)。

3.4 橋面系

全結(jié)合混凝土板方案，有結(jié)構(gòu)剛度大、用鋼量省造價低的優(yōu)點，但使混凝土承受拉應(yīng)力，材料的性能沒有充分發(fā)揮；正交異性板方案受力明確，整體剛度大，但造價昂貴，且目前橋面板的疲勞破壞問題突出[11]；不結(jié)合縱橫梁體系方案，混凝土道砟板橋面結(jié)構(gòu)簡單，受力明確，雖整體剛度較弱，但亦可滿足橋梁行車動力特性要求，故最終采用不結(jié)合縱橫梁體系方案[12-13]。

橋面系由縱梁、橫梁以及縱梁間聯(lián)結(jié)系組成，為焊接工字形及箱形截面。全橋共設(shè)4道縱梁，縱梁間距均為2 000 mm，工字形截面，梁高1 500 mm，縱向共設(shè)2道斷縫；橫梁梁高2 000 mm，端橫梁處為單箱雙室箱形截面，縱梁斷開處橫梁為單項單室箱形截面，其余中間橫梁均為工字形截面；每2道橫梁間設(shè)3道縱梁橫聯(lián)[14]。橋面系布置及縱橫梁截面如圖3所示。

3.5 支座與阻尼器

本橋支座采用城際軌道交通工程橋梁可探測防腐球型鋼支座，支座圖號為TFQZ，每個橋墩橫向設(shè)置兩個支座，其中1號墩墩頂設(shè)1個固定支座，1個橫向活動支座；2號墩墩頂設(shè)1個縱向活動支座，1個多向活動支座，支座布置示意如圖4所示。支座最大反力及支座噸位見表1。

圖3 橋面系布置及縱橫梁截面(單位：mm)

表1 支座反力及支座噸位(單個支座)

圖4 支座、防震支擋布置示意(單位：mm)

3.6 下部結(jié)構(gòu)

橋墩采用圓端形橋墩，縱向?qū)? m，橫向?qū)?6 m；頂帽為矩形截面，縱向?qū)?.4 m，橫向?qū)?8 m；基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ)，每個基礎(chǔ)采用15根φ200 cm鉆孔灌注樁，承臺厚度為4 m，按摩擦樁設(shè)計；基頂截面如圖5所示。

圖5 基頂截面(單位：cm)

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 荷載組合

荷載組合Ⅰ：主力。

荷載組合Ⅱ：主力+制動力。

荷載組合Ⅲ：主力+風(fēng)力。

荷載組合Ⅳ：主力+次應(yīng)力。

荷載組合Ⅴ：主力+次應(yīng)力+縱向附加力+溫度。

荷載組合Ⅵ：主力+次應(yīng)力+橫向附加力+溫度。

荷載組合Ⅶ：恒載+列車豎向靜活載+地震力。

4.2 計算模型

將 1-160 m簡支鋼桁梁橋作為分析對象，主要用于靜力計算，對其施工階段、運營階段的內(nèi)力和應(yīng)力狀況進(jìn)行分析。本模型采用通用有限元程序Midas-CIVIL進(jìn)行計算。按照主橋梁部的實際構(gòu)造進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，共劃分1 253個單元、747個節(jié)點[6]。有限元模型如圖6所示。

圖6 計算模型

4.3 靜力分析

4.3.1 主桁靜力分析

主力作用下上弦桿最大軸力位于跨中處，數(shù)值為-46 790 kN；下弦桿最大軸力位于跨中，數(shù)值為40 269 kN；腹桿最大軸力位于支點處，數(shù)值為-24 259 kN。

主力作用下上弦桿最大縱向彎矩位于跨中處，數(shù)值為5 655 kN·m；下弦桿最大縱向彎矩位于跨中處，數(shù)值為6 170 kN·m；腹桿最大縱向彎矩位于跨中1/4處，數(shù)值為1 630 kN·m。

全橋在主力作用下，大部分桿件應(yīng)力基本控制在170 MPa以內(nèi)，選用Q420鋼材可以滿足受力需要，且截面尺寸和板厚不至于過大。

4.3.2 縱橫梁受力分析

縱梁最大正應(yīng)力為165 MPa，位于中縱梁跨中位置處；橫梁最大正應(yīng)力為107 MPa，位于縱梁中縱梁跨中附近工字形橫梁處。根據(jù)TB10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》7.1.7條規(guī)定，縱梁的容許應(yīng)力提高系數(shù)可取1.2；橫梁的容許應(yīng)力提高系數(shù)可采用1.7。故縱橫梁采用Q420鋼材均可滿足受力要求。

4.3.3 橋面板分析

鋼桁梁采用兩線分離式鋼筋混凝土橋面板，采用通用有限元軟件Midas/Civil進(jìn)行計算，取一塊橋面板進(jìn)行計算分析[15]，縱梁支撐的位置板厚0.3 m，其余位置板厚0.2 m。計算結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 橫橋向彎矩Mxx(單位：kN·m)

圖8 縱橋向彎矩Myy(單位：kN·m)

橋面板縱橫向均采用φ25 mm@15 cm進(jìn)行配筋驗算，計算結(jié)果混凝土最大正應(yīng)力為12.3 MPa，鋼筋最大拉應(yīng)力為107.3 MPa，裂縫寬度0.18 mm，計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

4.3.4 梁端轉(zhuǎn)角

根據(jù)計算結(jié)果，在列車豎向靜活載作用下，本橋梁端轉(zhuǎn)角為1.29745‰(端橫梁最大處)，根據(jù)TB10623—2014《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》第7.3.7條的規(guī)定，本橋梁端轉(zhuǎn)角應(yīng)不大于1‰，本橋梁端轉(zhuǎn)角大于1‰，必須由軌道專業(yè)在梁端橋面板設(shè)置活動過渡板等，以滿足軌道相關(guān)技術(shù)要求[7]。

4.3.5 豎向及橫向剛度

主梁最大豎向位移為59 mm，撓跨比為L/2 712，滿足TB10623—2014《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》第7.3.2條規(guī)定的L/1 200限值要求。

在列車搖擺力、風(fēng)力、溫度力作用下，主梁最大橫向位移為16 mm，撓跨比為L/10 000，滿足《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》第7.3.3條規(guī)定的L/4 000限值要求。

4.3.6 支座反力

恒載、活載及主力作用下各支座反力見表2。

表2 支座反力 kN

4.4 動力分析

4.4.1 自振特性分析

在結(jié)構(gòu)動力分析中，利用Midas梁單元在靜力模型基礎(chǔ)上建立基礎(chǔ)并采用等效彈簧剛度模擬基礎(chǔ)剛度，然后將梁部自重及二期轉(zhuǎn)換為質(zhì)量均布在縱梁上。結(jié)構(gòu)自振特性結(jié)果如表3所示。

表3 鋼桁梁自振特性結(jié)果(前5階)

4.4.2 屈曲分析

對簡支鋼桁梁橋成橋狀態(tài)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，荷載工況為自重+二期+雙線活載，主要計算結(jié)果如表4所示。

表4 前5階屈曲特征值

自振特性及屈曲分析表明，全橋整體剛度強(qiáng)，由于橫向剛度較弱，橋梁失穩(wěn)主要表現(xiàn)為橫向失穩(wěn)。屈曲特征值最小值為8.34，大于容許特征值4，橋梁整體穩(wěn)定性可靠[8]。

5 施工方案

本橋跨越既有貴廣、南廣高鐵及廣茂鐵路，由于鐵路運輸繁忙，為盡可能減小對既有鐵路的影響[16-21]，本橋鋼桁梁梁部需在平轉(zhuǎn)軌道梁完成轉(zhuǎn)體施工，平轉(zhuǎn)軌道梁設(shè)計為2-58 m鋼箱梁T構(gòu)。軌道梁需轉(zhuǎn)體2次，先在既有線外側(cè)平行既有線施工基礎(chǔ)及梁部，然后順時針轉(zhuǎn)體77°至1號墩，待鋼桁梁在軌道梁上完成轉(zhuǎn)體后，再逆時針轉(zhuǎn)體77°至既有線以外拆除。軌道梁轉(zhuǎn)體采用轉(zhuǎn)體噸位為20 000 kN的RPC球鉸的轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，包括球鉸、滑道、撐角、牽引包系統(tǒng)等配套設(shè)備，球鉸安裝于軌道梁基礎(chǔ)上、下承臺之間[22]。

鋼桁梁梁部轉(zhuǎn)體需在軌道梁上完成。轉(zhuǎn)體采用轉(zhuǎn)體噸位為30 000 kN的RPC球鉸的轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，包括球鉸、滑道、撐角、牽引包系統(tǒng)等配套設(shè)備。球鉸安裝于2號墩墩頂，并在軌道梁上設(shè)置轉(zhuǎn)體滑道，鋼桁梁沿軌道逆時針轉(zhuǎn)體26°至設(shè)計位置。施工方案如圖9所示。

圖9 鋼桁梁轉(zhuǎn)體施工方案示意(單位：cm)

6 結(jié)論

(1)本橋設(shè)計時為國內(nèi)跨度最大的簡支鋼桁梁，由于鋼桁梁梁部剛度的控制，經(jīng)多次方案比選，采用下承式帶豎桿三角形內(nèi)插式節(jié)點簡支鋼桁梁并對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力及動力計算分析，主桁整體剛度及桿件應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，全橋整體穩(wěn)定性可靠。

(2)橋面板采用兩線分離式鋼筋混凝土橋面板，該類型橋面板受力明確，雖整體剛度較弱，但亦可滿足橋梁行車動力特性要求，橋面板配筋檢算滿足規(guī)范要求。

(3)為減少施工時對既有鐵路的影響，本橋創(chuàng)新采用“平轉(zhuǎn)軌道梁及主梁雙轉(zhuǎn)體施工工藝”，此施工方法施工工期短，亦可減小對既有鐵路的影響。

本橋構(gòu)造設(shè)計及施工方案設(shè)計可為今后大跨簡支鋼桁梁設(shè)計提供參考。