公鐵平層合建多塔斜拉橋大挑臂式鋼箱梁設(shè)計(jì)

李的平

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063； 2.中鐵建大橋設(shè)計(jì)研究院,武漢 430063)

1 工程概況

珠海市區(qū)至珠海機(jī)場城際鐵路二期金海特大橋跨磨刀門水道入海口，主橋采用四塔鋼箱梁斜拉橋，跨度布置為(58.5+116+3×340+116+58.5) m，如圖1所示。主橋采用剛構(gòu)-連續(xù)體系，即中間兩塔采用塔墩梁固結(jié)，邊塔采用塔梁固結(jié)，塔墩分離，設(shè)雙排支座[1-3]。

圖1 主橋橋式立面布置(單位：m)

該橋是國內(nèi)首座公鐵平層合建多塔斜拉橋，中間通行雙線城際列車，兩側(cè)布置高速公路，主梁采用挑臂式鋼箱梁，橋塔采用四柱式鋼塔，橋塔置于橋面中間，斷面布置如圖2所示。

圖2 主橋斷面布置(單位：cm)

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級(jí)：城際鐵路，有砟軌道；

正線數(shù)目：雙線，線間距4.6 m；

設(shè)計(jì)行車速度：160 km/h；

設(shè)計(jì)活載：ZC活載[4]。

(2)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

公路等級(jí)：高速公路；

設(shè)計(jì)車道數(shù)：雙向6車道，預(yù)留2個(gè)應(yīng)急車道；

設(shè)計(jì)行車速度：100 km/h；

設(shè)計(jì)活載：公路-Ⅰ級(jí)[5]。

3 挑臂式鋼箱梁設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

目前，公鐵合建橋大多采用公鐵分層布置，公路布置于上層，鐵路布置于下層，主梁一般采用鋼桁梁[6-7]。金海橋由于公路接線條件的限制，只能采用公鐵平層布置方案，為適應(yīng)公鐵平層布置要求，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)橋塔布置在橋面中間的需要，并使結(jié)構(gòu)更加輕盈美觀，節(jié)省用鋼量，主梁采用一種新型的挑臂式鋼箱梁結(jié)構(gòu)。

鋼箱梁頂寬49.6 m，由中間寬17.6 m的主箱(單箱三室)，加上兩側(cè)各長16 m的挑臂組成，梁高4.676 m(橫斷面中心處內(nèi)高)，頂板橫向設(shè)2%的人字坡。單箱三室構(gòu)造便于鋼箱梁的腹板與鋼塔壁板連接，實(shí)現(xiàn)塔梁固結(jié)。

沿縱向每隔3 m設(shè)置1道頂板橫梁，在箱外每隔6 m設(shè)置1道斜撐，無斜撐的橫梁通過小縱梁支承于有斜撐的橫梁上。在中箱內(nèi)每隔3 m設(shè)置1道斜撐，邊箱內(nèi)每隔3 m設(shè)置1道橫隔板[8]，斜拉索錨固于邊箱內(nèi)。

結(jié)合受力需要及方便加工，鋼箱梁除頂板行車區(qū)域采用U肋外，其余均采用板肋。鋼箱梁在工廠分節(jié)段加工制造后，運(yùn)至現(xiàn)場懸臂拼裝。在工廠制造時(shí)，長24 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段各構(gòu)件間全部為焊接；在工地拼裝時(shí)，除橋面頂板、遮板焊接外，其余均為高強(qiáng)螺栓連接[9]。

3.2 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

(1)頂板

頂板采用正交異性鋼橋面板，由橫梁、縱梁、頂板、縱肋等組成[10]。頂板厚一般為16 mm，橋塔處局部加厚至24 mm。頂板主要設(shè)U形縱肋，少量I形縱肋；U肋厚8 mm，高280 m，間距一般為600 mm；I肋厚16 mm，高200 m。

頂板在每側(cè)挑臂端部設(shè)1道倒T形邊縱梁，距挑臂端部6.0 m處設(shè)1道倒T形中縱梁。邊縱梁腹板高760 mm，厚16 mm；下翼板寬500 mm，厚24 mm。中縱梁腹板高960 mm，厚16 mm；下翼板寬600 mm，厚24 mm。

頂板沿順橋向一般每隔3.0 m設(shè)置1道橫梁，橫梁采用倒T形截面，其腹板高一般為960 mm，厚16 mm；下翼板寬600 mm，厚24 mm。橫梁在挑臂部中縱梁處與箱外斜撐連接，其腹板高漸變。

(2)底板

鋼箱梁底板厚一般為16～24 mm，輔助墩處、邊塔處局部加厚至32 mm，中塔處局部加厚至40 mm。底板一般設(shè)16 mm×200 mm的I形縱肋，橋塔處底板I肋局部加強(qiáng)為20 mm×240 mm。

底板沿順橋向一般每隔3.0 m設(shè)置1道T形橫肋[11]，底板橫肋高600 mm，腹板厚16 mm，翼板寬600 mm，厚24 mm。

(3)腹板

鋼箱梁主箱共設(shè)4道直腹板，外腹板與內(nèi)腹板板厚一致，板厚一般為24 mm，邊塔處局部加厚為32，40 mm，中塔處局部加厚為36，48 mm。腹板一般設(shè)16 mm×200 mm的I形縱肋，橋塔處腹板I肋局部加強(qiáng)為20 mm×200 mm。

(4)斜撐及橫隔板

斜撐采用箱形截面，箱外斜撐內(nèi)寬600 mm，外高500 mm，腹板厚16 mm，頂?shù)装搴?0 mm。為了便于與頂板橫梁連接，箱外斜撐上端漸變?yōu)楣ぷ中谓孛?。箱?nèi)斜撐外寬360 mm，外高360 mm，腹板厚16 mm，頂?shù)装搴?6 mm。鋼箱梁邊室橫隔板厚一般為16 mm。

4 局部應(yīng)力分析

4.1 計(jì)算模型

局部應(yīng)力分析主要關(guān)注挑臂式鋼箱梁的縱向局部受力和橫向受力，采用通用有限元軟件Ansys進(jìn)行計(jì)算分析，取24 m長標(biāo)準(zhǔn)梁段建立精細(xì)的空間有限元模型，鋼箱梁各板件采用Shell181單元模擬[12-14]。

縱向每隔3 m在邊箱底部橫隔板與腹板交界處施加位移約束，其中一個(gè)約束Ux，Uy，Uz三個(gè)方向位移，其余只約束Uy(X-橫橋向，Z-順橋向，Y-豎向)，梁段模型見圖3。

圖3 梁段模型

4.2 計(jì)算荷載

(1)結(jié)構(gòu)自重：鋼結(jié)構(gòu)按γ=78.5 kN/m3。

(2)二期恒載：按橋面布置實(shí)際位置加載，總重332 kN/m。

(3)公路活載：采用車輛荷載加載，局部車輪荷載采用JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中的車輛荷載[5]。車輛荷載550 kN，其中前軸30 kN，中軸2×120 kN，后軸2×140 kN。車輛橫向布置考慮最不利的4車道靠外加載工況，如圖4所示。

圖4 車輛活載加載圖示(單位：cm)

為了解挑臂部分在車輛荷載作用下的最不利應(yīng)力狀況，車輛縱向布置考慮了3種最不利加載工況[15-16]，分別為后軸布置于有斜撐橫梁處、無斜撐橫梁處及兩橫梁之間。

(4)鐵路活載：采用ZC特種活載，軸重4×190 kN，間距1.6 m[4]?？紤]軌枕和道砟的擴(kuò)散，按3.61 m(橫橋向)×5.8 m(順橋向)的面荷載施加于橋面板。

4.3 計(jì)算結(jié)果

限于篇幅，僅列出最不利受力工況結(jié)果，如圖5～圖11所示，圖中應(yīng)力單位為kPa，受壓為負(fù)。主梁節(jié)段應(yīng)力分析結(jié)果中，順橋向應(yīng)力不包含全橋整體分析中順橋向內(nèi)力產(chǎn)生的應(yīng)力。

(1)頂板及U肋應(yīng)力

從圖5知，汽車車行道范圍鋼橋面板順橋向應(yīng)力既有拉應(yīng)力又有壓應(yīng)力，應(yīng)力介于-15～30 MPa。U肋順橋向應(yīng)力介于-40～30 MPa，與常規(guī)鋼箱梁受力水平相當(dāng)[17]。

圖5 汽車車行道范圍鋼橋面板順橋向應(yīng)力

列車車行道部分鋼橋面板順橋向應(yīng)力見圖6，頂板順橋向應(yīng)力介于-13～24 MPa，U肋順橋向應(yīng)力值介于-45～40 MPa。

圖6 列車車行道部分鋼橋面板順橋向應(yīng)力

汽車車行道范圍鋼橋面板橫橋向應(yīng)力值介于-15～70 MPa，列車車行道部分鋼橋面板橫橋向應(yīng)力值介于-10～31 MPa，見圖7。

圖7 鋼橋面板橫橋向應(yīng)力

(2)頂板橫梁應(yīng)力

挑臂橫梁正應(yīng)力見圖8，有斜撐者正應(yīng)力介于-69～62 MPa，無斜撐者正應(yīng)力介于-90～60 MPa，應(yīng)力圖符合挑臂梁的受力特征[18]。

圖8 頂板箱外挑臂橫梁正應(yīng)力

頂板箱內(nèi)橫梁正應(yīng)力介于-28～31 MPa，應(yīng)力水平較低，見圖9。

圖9 頂板箱內(nèi)橫梁正應(yīng)力

(3)斜撐應(yīng)力

箱外斜撐為受壓桿件，正應(yīng)力在-65～-85 MPa，連接板處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，但數(shù)值不大，見圖10。

圖10 箱外斜撐正應(yīng)力

從圖11看，箱內(nèi)斜撐1、2均為受壓桿件，受力大小與其支承剛度直接相關(guān)。斜撐1應(yīng)力在-40 MPa左右；斜撐2應(yīng)力在-10 MPa左右，應(yīng)力水平較低。箱內(nèi)斜撐的設(shè)置不僅提供對橫梁的支承作用，且對限制鋼箱梁畸變效應(yīng)作用顯著[19-20]。

圖11 箱內(nèi)斜撐1、2正應(yīng)力

5 結(jié)論

金海橋主橋采用3×340 m四塔三主跨斜拉橋，為國內(nèi)首座公鐵平層合建的多塔斜拉橋。為適應(yīng)公鐵平層布置要求，主梁采用一種新型的大挑臂式鋼箱梁結(jié)構(gòu)。

(1)大挑臂式鋼箱梁由中間寬17.6 m主箱加兩側(cè)各長16 m挑臂組成，橋面寬度達(dá)49.6 m。根據(jù)受力特性，較重的鐵路荷載布置于中間主箱上，較輕的公路荷載布置于挑臂上，斜拉索布置在兩者之間，結(jié)構(gòu)受力合理，經(jīng)濟(jì)性好。

(2)經(jīng)計(jì)算，挑臂式鋼箱梁正交異性橋面板縱向局部受力與傳統(tǒng)鋼箱梁受力水平相當(dāng)，應(yīng)力在-40～40 MPa。挑臂橫梁正應(yīng)力介于-90～62 MPa，箱外斜撐正應(yīng)力介于-65～-85 MPa，挑臂部分受力水平控制合理。通過合理的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，未出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3)挑臂式鋼箱梁受力可靠，結(jié)構(gòu)輕盈，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和美觀性，可為今后公鐵平層合建的橋梁提供借鑒。

該大橋已于2018年3月開工建設(shè)，總工期4年。