銀西高速鐵路渭河特大橋鋼腹桿組合結構總體設計

李宗建

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043）

鋼腹桿與混凝土組合橋梁是近年來發(fā)展起來的一種新型結構，與傳統(tǒng)混凝土箱形截面相比，采用鋼桁架替代混凝土腹板，形成混凝土頂板+鋼桁架腹桿+混凝土底板的組合結構形式。該結構頂?shù)装迮c傳統(tǒng)箱形截面類似，配置預應力鋼束，并預埋剪力鍵與鋼腹桿連接成為整體受力，有效降低了箱梁自重、提高了主梁的跨越能力、解決了混凝土腹板裂縫問題。由于鋼腹桿不需要制模、澆筑等施工流程，采用工廠預制，大大提升了施工效率，縮短了建設周期。對國外該類型橋梁建設數(shù)據(jù)的研究表明，在跨徑相近的條件下，采用鋼桁腹組合箱梁的橋梁自重減輕約20%，施工工期可以節(jié)省約30%［1］；與傳統(tǒng)鋼桁梁相比，由于混凝土頂?shù)装寮s束了桁架面外的變形，使得該結構整體性、穩(wěn)定性、結構剛度均大大提高。同時其用鋼量大幅度降低，無論工程建設期工程造價還是后期養(yǎng)護維修的工作量和工程造價均大大降低，適用性更廣。正是基于上述優(yōu)點，國內(nèi)外對該橋型進行了深入的研究和實際工程應用。在國外，以法國、日本為代表修建該類型橋梁共10 余座，采用簡支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構、斜拉橋、懸索橋等結構形式，結構主跨30 ～119 m不等，施工方法均為傳統(tǒng)的支架現(xiàn)澆或懸臂澆筑。而該結構在我國發(fā)展尚處于起步發(fā)展階段：長春至深圳國家高速公路南京繞越公路江山橋，采用2 跨（35+35）m等截面鋼桁腹預應力混凝土組合箱梁，為我國首座該類型組合梁橋，于2012年建成［2］；深圳大學1號橋也采用此類似結構，全橋跨度設置為（30+2×40+2×50+60+30）m，上層為機動車道，下層為人行加非機動車道，該橋于2016年建成［3］。

值得注意的是，各國在鐵路橋方面對鋼腹桿組合結構的應用較少，僅日本修建了一座跨度為50 m 的單線鐵路橋—山倉川橋［4］，該橋頂?shù)装寰鶠榛炷粒箺U采用圓形鋼管。國內(nèi)鐵路組合結構應用中，中鐵第一勘察設計院集團有限公司有扎實的基礎：西安－平?jīng)鲨F路跨銀武高速立交全面研究了鋼-混凝土組合結構（實質(zhì)上是簡支槽形梁與桁梁的組合結構）的力學性能，并應用于工程實踐［5］；對蘭新二線跨蘭西高速公路特大橋（80+168+80）m 連續(xù)梁-桁組合結構［6］和大西高速鐵路晉陜黃河特大橋2×108 m單T剛構鋼桁加勁組合結構［7］，從整體結構受力機理、加勁鋼桁與主梁連接節(jié)點構造及形式、加勁鋼桁對整體結構貢獻度等進行了大量的研究。中鐵第一勘察設計院集團有限公司基于鋼-混凝土結構的成功建設經(jīng)驗，在銀西高速鐵路渭河特大橋上，首次將鋼腹桿組合結構應用于雙線高速鐵路橋。

1 工程概況

1.1 工程簡介

銀西高速鐵路渭河特大橋位于陜西省境內(nèi)渭河下游段，橋址處主河槽寬1 km 左右，常流水河面寬360 m，橋位百年設計流量Q1∕100=9 920 m3∕s，百年設計水位H1∕100=381.34 m，水位高程不控制設計。

橋位處河段處于渭河生態(tài)景觀帶上，距離福銀高速公路橋下游80 m，該公路橋主河槽跨徑30 m。經(jīng)過與黃河水利委員會溝通并召開專家評審會后，設計中必須考慮以下2 點［8］：①鐵路等級為Ⅰ級；②正線數(shù)目為雙線，線間距考慮橋群水流干擾效應，主河槽內(nèi)橋墩與福銀高速公路隔墩對孔設置，即單孔跨度須不小于60 m 且為30 m 整數(shù)倍；②要求盡量減小主河槽橋墩尺寸，減小阻水面積，原則上本橋主墩縱向不得大于3.4 m。本橋橋面高程略高于福銀高速公路，在近距離的情況下，應適當考慮美觀性。

上部結構形式若采用傳統(tǒng)設計思路，一般考慮60 m混凝土簡支箱梁、簡支鋼桁梁或（60+n×60+60）m 連續(xù)梁方案（混凝土梁或者鋼桁梁）。本橋墩高13～25 m，位于高烈度地震區(qū)。根據(jù)銀西線相似橋梁設計資料，60 m 混凝土簡支梁橋墩縱向不小于3.6 m［9］；60 m 混凝土連續(xù)梁非制動墩縱向不小于3.6 m（墩高13 m 左右），制動墩不小于3.8 m［10］。橋墩尺寸不滿足要求。

考慮地震力作用影響，為減小橋墩尺寸，需減輕結構自重；同時為更好地增加鐵路橋的通透性、減小對公路通車的壓抑感，主橋采用3 聯(lián)（3×60 m）+2 聯(lián)（4×60 m）鋼腹桿預應力混凝土組合結構連續(xù)梁，共17孔。主橋部分立面布置見圖1。

圖1 主橋部分立面布置（單位：m）

1.2 主要技術標準

4.4 m，主橋位于直線上；③設計洪水頻率為1∕100 設計，1∕300 檢算；④設計活載為ZK 活載；⑤地震烈度為8度，Ag=0.2g，場地譜特征周期0.35 s；⑥設計行車速度250 km ∕h；⑦軌道類型為有砟軌道。

2 梁部主要設計參數(shù)選取

2. 1 桁高

桁高是影響桁架橋力學特性的重要指標，在其他條件不變的前提下，加大桁高可提高結構的豎向剛度，但會削弱結構的橫向剛度；加大桁高則弦桿的內(nèi)力減小，增大了腹桿的長細比，給腹桿的受力帶來一定的不利影響［11］。因此，合理選取桁高是桁架橋設計的關鍵問題之一。

等高鋼-混組合連續(xù)桁梁與等高預應力混凝土連續(xù)梁在荷載條件相同的前提下，產(chǎn)生的彎矩并沒有變化，僅是外彎矩的平衡機理不同。這意味著等高鋼-混組合連續(xù)桁梁的桁高選取可參照同跨度預應力混凝土連續(xù)梁結構，其支點梁高、桁高設計資料見表1。

表1 連續(xù)梁、鋼桁梁、結合梁類似結構高跨比

由表1 可見，混凝土連續(xù)梁高跨比約為1∕10～1∕8；鋼桁結合梁、上承式鋼桁梁高跨比約為1∕14.5～1∕11.0。由于鋼腹桿組合結構與混凝土連續(xù)梁構造相似，只是腹板剛度降低，與連續(xù)梁相比，稍微降低梁高即可。綜合參考各橋型，將銀西高速鐵路渭河特大橋的梁高設計為6 m，高跨比1∕10，通過計算結果再進行調(diào)整。

2.2 桁式

本工程受施工條件限制，擬采用懸臂現(xiàn)澆施工。常用的桁式有三角桁、N形桁、菱形桁等。由于三角桁造型簡潔、受力明確，節(jié)點板構造相對簡單［14］，中等跨度桁架橋大都采用無豎桿三角形桁。結合工程經(jīng)驗，確定本橋采用無豎桿三角形桁。

2.3 節(jié)間長度

從受力角度考慮，節(jié)間長度對下弦桿和鋼腹桿的受力有一定的影響，節(jié)間長度大則下弦桿的局部彎矩較大，由于下弦是整體式混凝土結構，這一點對鋼-混凝土組合桁架尤為突出；節(jié)間長度長，腹桿數(shù)目減少，腹桿受力會有一定的增加［15］。

另外，節(jié)間長度與桁高的匹配關系還需要考慮節(jié)點處的構造要求：本設計節(jié)點板部分預埋于頂板，部分外露，節(jié)點板不宜過大，在桁高一定的情況下，若節(jié)間長度大會增大節(jié)點板尺寸。景觀要求也是節(jié)間長度選擇要考慮的重要因素。通過6，8，10 m 節(jié)間長度比選，綜合考慮節(jié)段劃分、構件運輸?shù)纫蛩?，本結構結構節(jié)間長度取6 m，腹桿夾角約60°。

3 組合結構設計施工關鍵點

3.1 組合結構整體構造

綜合國內(nèi)外鋼腹桿組合結構應用及研究現(xiàn)狀，本橋3×60，4×60 m 等跨鋼腹桿組合結構為方便施工采用等高度設計，連續(xù)梁梁長分別為181.7，241.7 m，中支點和邊支點局部采用整體箱形截面，頂?shù)装宀捎妙A應力混凝土結構，腹桿采用鋼結構。桁高6 m，節(jié)間距6 m，桁式采用無豎桿三角桁，梁段劃分根據(jù)節(jié)點板大小及施工綜合考慮，0號段長15 m，其余主要梁段長6 m。梁體構造和橫截面見圖2。

圖2 梁體構造和橫截面（單位：cm）

3.1.1 頂?shù)装?/p>

頂板采用寬度12.6 m、變高度0.4～0.9 m 的混凝土截面，底板采用寬度7.2 m、變高度0.4～1.0 m 的槽形截面，頂?shù)装蹇v向均為全預應力結構。根據(jù)節(jié)點板布置及受力需要，在鋼腹桿連接處進行局部加寬、加高，寬度為1.0 m，高度為1.1 m?？v向預應力鋼束采用標準抗拉強度fpk=1 860 MPa 的高強度低松弛鋼絞線，預應力管道采用金屬波紋管成孔。

3.1.2 腹桿

腹桿根據(jù)計算采用外輪廓為650 mm×550 mm 的矩形鋼箱，鋼箱材質(zhì)采用Q370qE。綜合考慮受力及便于施工、采購等因素，厚取16，24，32 mm。

3.1.3 節(jié)點板

全橋上下節(jié)點均采用整體節(jié)點板，預埋入上下鋼筋混凝土的弦桿內(nèi)，節(jié)點板上開直徑為60 mm 孔并穿?25 mm 鋼筋［16］。由于全橋節(jié)點板構造不同，共分為端節(jié)點板和標準節(jié)點板2 種形式，標準節(jié)點板外輪廓尺寸相同，板厚與腹桿相同。鋼腹桿與節(jié)點板采用高強度螺栓相連，標準節(jié)點板構造見圖3。

圖3 標準節(jié)點板構造

3.2 組合結構施工方案

由于該橋位于渭河主河槽，墩較高，施工周期較長，會經(jīng)歷一個汛期，為防止出現(xiàn)施工風險，采用懸臂澆筑施工最為安全，為減小邊跨次內(nèi)力，采用先中后邊的合龍順序。與傳統(tǒng)懸臂澆筑施工方法不同點在于：每次澆筑前均需預埋頂?shù)装骞?jié)點，并安裝上一階段未安裝的腹桿。以1 號梁段懸臂澆筑為例，施工步驟見圖4。澆筑1 號段頂?shù)装寤炷林埃璋惭b本梁段上節(jié)點板SJD1 和下節(jié)點XJD1，并安裝0 號段與1號段連接處F1腹桿。其余梁段施工以此類推。

圖4 施工步驟

合龍段處理（圖5）：由于合龍段需預埋頂板節(jié)點，安裝兩側腹桿，因此將合龍段梁設計成異形，保證每個節(jié)點板在混凝土內(nèi)部，便于節(jié)點板預埋及施工。

圖5 合龍段梁段處理示意（單位：cm）

3.3 組合結構受力分析

3.3.1 設計荷載

1）恒載

①一期恒載：結構自重，鋼結構材料重度78.5 kN∕m3；鋼筋混凝土結構材料重度26.5 kN∕m3，節(jié)點板重50 kN。

②二期恒載：按176 kN∕m計算。

③結構混凝土收縮徐變及預應力效應、松弛損失按TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規(guī)范》［17］計算。

2）活載

①列車豎向活載縱向計算采用ZK 標準活載。雙線，無折減。

②列車豎向活載橋面橫向計算采用ZK 特種活載。

③列車活載動力系數(shù)按TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規(guī)范》［18］計算，主桁桿件即所有鋼腹桿取1.28；橋面頂?shù)装寤钶d動力系數(shù)按TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》［19］計算，取值為1.0；疲勞動力系數(shù)按TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》［20］計算，取值為1.18。

④橫向搖擺力取100 kN，作為一個集中荷載取最不利位置，以水平方向垂直線路中線作用于鋼軌頂面，雙線橋只計算任一線上的橫向搖擺力。

3）附加力

①制動力或牽引力：按TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》［19］7.2.13條計算。

②風力：有車時取520 Pa，無車時取650 Pa。

③溫度力：結構沿截面均勻溫度變化產(chǎn)生的內(nèi)力按結構升降溫20 ℃計算；結構非均勻溫度變化按主梁頂板升溫5 ℃計算。鋼桁與混凝土主梁間的溫差按15 ℃計算。

④施工臨時荷載：掛籃自重及全部施工荷載重不應超過800 kN，合龍吊架重量300 kN。

⑤基礎不均勻沉降：相鄰兩橋墩基礎不均勻沉降值取1 cm，取最不利組合計算。

⑥特殊荷載：地震作用、列車脫軌荷載、運梁車荷載等。

3.3.2 模型計算結果分析

分別采用BSAS 及MIDAS 建立有限元模型，對鋼腹桿組合結構進行平面和空間分析。平面計算主要計算ZK 豎向靜活載作用下的豎向撓度和梁段轉(zhuǎn)角、橫向水平撓度、徐變上拱值等剛度指標，從總體上把握該結構受力性能。

1）梁體變形計算結果見表2。

表2 組合結構梁體變形計算結果

恒載+活載情況下，邊跨跨中最大撓度為35 mm，為梁跨的1∕1 714；中跨跨中最大撓度為13 mm，為梁跨的1∕4 615。

2）頂?shù)装邃撌渲酶鶕?jù)計算構造及計算需要，除邊跨底板合龍鋼束采用19?15.2 外，其余縱向預應力鋼束均采用15?15.2。頂板T 構布置24 根預應力鋼束，邊跨底板布置28 根，中跨底板布置20 根，邊跨頂板布置4根合龍束，中跨頂板布置2根合龍束。

頂板布置4?15.2 橫向預應力鋼束，間距0.5 m。在中支點混凝土箱梁腹板上豎向布置直徑為32 mm的PSB830預應力精軋螺紋粗鋼筋。

經(jīng)過計算，梁部設計安全系數(shù)、鋼絞線應力、混凝土應力均滿足規(guī)范要求。

3）模型空間分析支點處構造復雜，特別是鋼腹桿和整體混凝土交接處，剛度變化大，結構受力傳遞及分布是設計的關鍵。采用實體單元模擬頂?shù)装?，腹桿采用梁單元，梁單元與實體單元連接處采用大剛度虛梁單元，不考慮預應力［21］。該模型主要用于分析：

①結構的空間傳力規(guī)律；

②結構頂板的剪力滯效應；

③結構橋面板的橫向效應；

④結構腹桿于混凝土腹板交界處的受力情況。

支點處空間分析有限元模型見圖6。

圖6 支點處空間分析有限元模型

空間分析結果表明：支點處腹板與鋼腹桿交界處，底板有較大的局部負彎矩，主力作用下該底板頂部有3.8 MPa的拉應力，而在主力+附加力的作用下該處的拉應力可以達到6.0 MPa，設計中采用增加部分體外預應力鋼束和增強局部配筋的方式，有效地解決了該問題。

3.4 組合結構節(jié)點縮尺模型試驗

根據(jù)銀西線渭河特大橋鋼腹桿組合箱梁內(nèi)力圖，最大拉桿內(nèi)力為8 200 kN，根據(jù)前期西平鐵路跨銀武高速立交、蘭新第二線跨蘭西高速公路特大橋以及大西線客運專線晉陜黃河特大橋的節(jié)點區(qū)破壞性試驗［22-24］，若采用1∶2的縮尺比，則試驗模型加載到反力墻及千斤頂最大量程時尚未達到極限承載力。因此，要想得到節(jié)點區(qū)的破壞模式和承載能力，采用1∶3 的縮尺較為合理。共進行3個節(jié)點模型試驗。試驗節(jié)點縮尺模型斷面見圖7。

圖7 試驗節(jié)點縮尺模型斷面（單位：cm）

縮尺后的節(jié)點模型采用與原型節(jié)點相同的材料，即混凝土弦桿采用C50 混凝土，PBL 芯棒鋼筋和縱向鋼筋均采用HRB400 鋼筋，鋼結構采用Q370qE 級鋼。目前該試驗正在進行中。

4 結論

1）連續(xù)梁結構邊跨最佳跨度為中跨跨度的0.6倍左右，對本橋邊跨為40 m左右最佳。

2）因本橋需與既有福銀高速對孔設置，采用等跨度（60 m）連續(xù)梁結構，共3 聯(lián)（3×60 m）+2 聯(lián)（4×60 m）連續(xù)梁。

3）為方便施工將梁部設計為等高度，中支點整體混凝土截面與鋼腹桿連接處剛度變化較大，底板主拉應力較大。在后續(xù)的設計中，可將梁部線形設計為曲線，加大中支點處梁高，可明顯改善結構受力。