900 t運梁車過鋼桁斜拉橋方案研究

李方柯 蘇國明 王 冰

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 工程背景

新建徐州至鹽城鐵路位于江蘇省北部地區(qū)，連接徐州、宿遷、淮安、鹽城四地市。鹽城特大橋位于鹽城市亭湖區(qū)新洋港與通榆河匯流的喇叭口處，采用(72＋96＋312＋96＋72)m連續(xù)鋼桁斜拉橋跨越新洋港，橋位臨近既有新長鐵路和新洋公路大橋，如圖1所示。

新洋港斜拉橋南側(cè)臨近鹽城站，其間共設(shè)45孔雙線簡支箱梁，采用移動模架法施工，斜拉橋按不過運梁車設(shè)計。2017年鹽城市結(jié)合城市規(guī)劃提出鹽城站南移1.5 km，同年完成了相應(yīng)變更設(shè)計，斜拉橋與鹽城站之間增至97孔雙線簡支箱梁和73孔單線簡支箱梁。為滿足建設(shè)工期需求，該區(qū)段簡支箱梁擬采用預(yù)制架設(shè)的施工方案，新增梁場存在征地及投資增加的問題，預(yù)制梁在小里程側(cè)既有梁場生產(chǎn)后，經(jīng)斜拉橋完成運輸和架設(shè)。

圖1 橋址平面圖

新洋港斜拉橋小里程側(cè)接32 m雙線簡支箱梁，該相鄰孔簡支箱梁擬采用整孔現(xiàn)澆施工方案；大里程側(cè)接(60＋100＋60)m連續(xù)梁。斜拉橋無架梁需求，僅需對運梁車馱梁過斜拉橋進(jìn)行研究。

2 主橋設(shè)計簡介

新洋港斜拉橋為徐鹽鐵路全線控制性工程，橋位處新洋港為規(guī)劃Ⅲ級航道，現(xiàn)狀河道水面寬240 m，規(guī)劃航道寬292 m。橋式方案采用跨度布置為(72＋96＋312＋96＋72)m的雙塔雙索面鋼桁斜拉橋(見圖2)，主橋全長650 m[1]。結(jié)構(gòu)采用半漂浮體系，塔、梁之間設(shè)豎向支座，縱向采用阻尼約束體系。橋塔采用花瓶狀結(jié)構(gòu)，塔高129 m，主塔每側(cè)設(shè)12對拉索；主橋邊墩和輔助墩采用拱形雙柱式門式墩；主梁采用雙主桁、三角形桁式的鋼桁結(jié)構(gòu)，主桁節(jié)間距12 m，全橋共54個節(jié)間，主桁高度14 m，主桁中心距15 m。

圖2 橋式布置圖(單位:m)

橋面系結(jié)構(gòu)采用有砟軌道正交異性鋼橋面。橋面板在寬9.5 m道砟槽板范圍內(nèi)采用熱軋不銹鋼復(fù)合鋼板，其基材為16 mm厚的Q370qE鋼板，面板為3 mm厚的不銹鋼板。橋面板下橫橋向設(shè)置多道U形肋，在每條軌道下設(shè)一道縱梁，全梁設(shè)置4道，縱梁采用倒T形截面；沿橋縱向每隔3 m設(shè)置一道橫梁，支點處橫梁采用箱形截面，其余采用倒T形截面，橫梁上翼板(橋面板)與主桁伸出肢焊接，腹板及底板與主桁伸出肢栓接。橋面系縱橫梁布置如圖3所示。

圖3 橋面系縱橫梁平面布置(單位:mm)

3 過運梁車方案研究

鐵路斜拉橋通常按不通行運梁車設(shè)計。一方面，鐵路斜拉橋一般為全線控制性工程，通行運梁車進(jìn)行運架梁將增加全線總工期；另一方面，運梁車及架橋機支腿荷載和鐵路運營活載差異較大，且直接作用在橋面板上，可能控制斜拉橋的整體和局部設(shè)計，增加投資。

國內(nèi)鐵路混凝土梁橋通行運梁車較為普遍[2-4]，但斜拉橋通行運梁車的工程實例很少，目前僅有蒙華鐵路漢江特大橋(主跨360 m混凝土斜拉橋)、公安長江大橋(主跨518 m雙塔鋼桁斜拉橋)和洞庭湖大橋(主跨2×406 m三塔鋼箱桁梁斜拉橋)等，且其運梁車馱運 T梁，總重僅為176 t左右[5-8]。本橋通行900 t運梁車，運梁車馱梁總重為945 t，在國內(nèi)尚屬首次。

3.1 運梁車概況

新洋港斜拉橋現(xiàn)場采用DCY900型運梁車馱運雙線梁，采用LYC275主車、LYC550T副車馱運單線梁。單線運梁車長度較大，且整體重量和局部輪載僅為雙線運梁車的60%左右，因此以雙線運梁車荷載作為結(jié)構(gòu)檢算的控制荷載。

DCY900型運梁車縱向共17組車輪，間距2 m，每組車輪(4P)豎向荷載為55.6 t；每組車輪橫向共4個輪胎，單個輪胎荷載為13.9 t，單個輪胎著地面積為0.2 m×0.5 m(縱向×橫向)，如圖4所示[9-10]。

圖4 雙線運梁車橫斷面布置(單位:mm)

運梁車馱梁時外寬為12.2 m(梁寬控制)，高度為6.2 m；鋼桁內(nèi)寬約14 m，內(nèi)高約8.8 m，滿足運梁車通行限界要求。運梁車通行時宜走行于鋼桁橋面橫向中心位置。

3.2 方案設(shè)計計算原則

斜拉橋結(jié)構(gòu)分析的狀態(tài)為中跨鋼梁合龍后、二期恒載上橋前，該狀態(tài)塔梁臨時固結(jié)已拆除、全部壓重安裝完畢。按全橋計算分析運梁車過梁時塔、梁、索、支座等的受力狀態(tài)，重點考察橋面系受力狀態(tài)，按第一體系和第二、三體系分別計算橋面系的受力，疊加后得到各板件的應(yīng)力狀態(tài)。參照鐵路相關(guān)規(guī)范對斜拉橋的內(nèi)力、變形進(jìn)行檢算[11-12]。

采用RM BRIDGE(TDV)軟件進(jìn)行全橋整體計算，計算模型除斜拉索采用索單元模擬外，其它構(gòu)件均采用梁單元模擬，如圖5所示；采用 ANSYS 17.0軟件進(jìn)行橋面板局部計算，考慮到斜拉索對鋼梁的約束效應(yīng)模擬困難，模型采用板單元建立一個12 m長的標(biāo)準(zhǔn)橋面板節(jié)段，按簡支體系約束，重點考察橋面系第二、三體系的應(yīng)力，如圖6所示。

圖5 整體計算模型

圖6 局部計算模型

經(jīng)研究，運梁車荷載沖擊系數(shù)參照美國AASHTO規(guī)范取1.15，荷載不均勻系數(shù)取1.05，運梁車輪載合計取1.2倍的效應(yīng)放大系數(shù)。局部分析時橋面板厚度按19 mm(16 mm鋼板＋3 mm不銹鋼板)計算，橋面系各構(gòu)件的疲勞應(yīng)力限值按鐵路鋼橋規(guī)范限值控制。

3.3 運梁車直接通行方案

考慮斜拉橋鋼梁合龍、斜拉索初張完畢后直接通行運梁車，分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體和局部分析。表1～表3分別給出了運梁車通行時斜拉橋的總體計算指標(biāo)、支座反力及橋面系應(yīng)力狀態(tài)，其中橋面系應(yīng)力為綜合三個體系的計算結(jié)果?？梢钥吹剑\梁車通行時斜拉橋的主桁、斜拉索、橋塔等受力滿足要求，支座反力均小于支座噸位且未出現(xiàn)負(fù)反力；橋面系整體受力滿足要求，U肋與橫梁的焊縫位置出現(xiàn)最大約122 MPa的應(yīng)力幅，超過規(guī)范限值71.9 MPa，將對結(jié)構(gòu)造成一定的疲勞損傷。為保證橋面系結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)針對橋面采取加強措施。

表1 斜拉索總體計算指標(biāo)

表2 支座反力匯總kN

表3 _橋面系應(yīng)力MPa

3.4 橋面加強方案

3.4.1 橋面加強方案一

方案一擬在橋面布設(shè)分配梁，將運梁車荷載直接傳遞至橋面系橫梁，再傳遞給主桁和其它構(gòu)件。

圖7 方案一斷面布置

在橋面對應(yīng)運梁車車輪作用位置設(shè)2組分配梁(見圖7)，單組分配梁橫向由13片 20b工字鋼和20 mm厚頂鋼板組成。橫橋向在2組分配梁之間、分配梁和橋面擋砟墻之間設(shè)橫向支撐槽鋼，支撐槽鋼布置在橋面系橫梁位置，縱向間距3 m。

分配梁縱向標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長12 m，各節(jié)段端頭點焊形成整體，在橋面系橫梁位置設(shè)置10 mm厚的支承橡膠墊。

通過上述布置，分配梁沿縱向形成跨度3 m的等跨連續(xù)梁體系。分別按簡支和連續(xù)體系對分配梁進(jìn)行分析，分配梁在運梁車荷載作用下的最大應(yīng)力為82 MPa，受力安全；分配梁最大豎向變形為2.1 mm，小于墊起高度10 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)分配目的。

針對該方案分別進(jìn)行斜拉橋的整體和局部分析，運梁車通行時斜拉橋的總體計算指標(biāo)、支座反力等滿足要求，橋面系應(yīng)力狀態(tài)見表4?？梢钥吹?，采用分配梁方案后，U肋應(yīng)力顯著降低，橋面系受力均滿足要求，但橋面板應(yīng)力水平較高，已接近規(guī)范限值(252 MPa)。

表4 方案一橋面系應(yīng)力 MPa

3.4.2 橋面加強方案二

方案二擬在橋面鋪設(shè)鋼筋混凝土板，增大運梁車輪載的擴散面積，增強橋面的局部剛度。

在橋面對應(yīng)運梁車車輪位置現(xiàn)澆2組20 cm高、260 cm寬的鋼筋混凝土板，如圖8所示。

圖8 方案二斷面布置

經(jīng)整體和局部分析，運梁車通行時斜拉橋的整體計算滿足要求，橋面系應(yīng)力狀態(tài)見表5?？梢钥吹剑捎迷摲桨负?，U肋應(yīng)力顯著降低，橋面板和橫梁應(yīng)力變化不大，橋面系受力均滿足要求。

表5 _方案二橋面系應(yīng)力MPa

3.5 橋面加強方案對比

兩個方案均滿足結(jié)構(gòu)受力要求。方案一傳力途徑明確、施工方便，但耗費鋼材較多(見表6)，造價約為550萬元；方案二可有效增強橋面局部剛度，采用相對便宜的鋼筋混凝土作為主材(見表7)，造價約為120萬元。綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟性、工期等因素，選擇方案二作為推薦方案。

表6 方案一工程數(shù)量

表7 方案二工程數(shù)量

4 方案實施情況簡介

現(xiàn)場采用方案二對橋面進(jìn)行加強。預(yù)先在橋面鋪設(shè)雙層防滲土工布，實現(xiàn)鋼筋混凝土板和鋼橋面板的軟隔離以便于拆除；按照設(shè)計方案在指定位置安裝預(yù)埋鋼筋，并澆筑混凝土(見圖9)。

橋面混凝土養(yǎng)護(hù)至強度達(dá)到設(shè)計值后開始通行運梁車(見圖10)。監(jiān)控單位在運梁車通行過程中對梁及塔位移、橋面板頂面應(yīng)力等進(jìn)行了監(jiān)測，實測值和理論值吻合度良好(實測值均略小于理論值)，斜拉橋結(jié)構(gòu)受力安全可靠。

圖9 橋面現(xiàn)澆混凝土施工

圖10 現(xiàn)場運梁車馱梁通行

5 結(jié)束語

(1)鋼桁斜拉橋直接通行900 t運梁車時，結(jié)構(gòu)受力安全，橋面系構(gòu)件將產(chǎn)生一定的疲勞損傷。

(2)對鋼桁斜拉橋橋面進(jìn)行局部加強后即可滿足900 t運梁車通行要求。

(3)在鋼橋面板上鋪設(shè)鋼筋混凝土板代價較小，可作為鋼桁斜拉橋通行900 t運梁車的優(yōu)選加強方案。