高速鐵路56～80 m跨連續(xù)鋼-混結(jié)合梁方案設計

曾甲華

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063； 2.清華大學土木工程系,北京 100084；3.中國鐵建股份有限公司橋梁工程實驗室,武漢 430063)

引言

鋼-混結(jié)合梁采用連接件將鋼梁和混凝土橋面板結(jié)合成共同工作的鋼-混凝土組合截面，可充分發(fā)揮鋼材受拉、混凝土受壓的各自材料優(yōu)勢[1-3]，可實現(xiàn)快速化綠色建造，在國外高速鐵路橋梁得到規(guī)?；瘧肹4-5]，如法國TGV高速鐵路橋梁中，結(jié)合梁的橋長占比近45%[4-5]。

我國在役的高速鐵路鋼-混結(jié)合梁橋已超過20聯(lián)[4，6-9]，京張高鐵官廳水庫特大橋應急搶修結(jié)合梁采用32 m跨度簡支梁[6]，其余均采用主跨32～50 m的連續(xù)梁[4，6-11]。在建的滬蘇湖鐵路虹七特大橋采用(42+60+45) m連續(xù)鋼-混結(jié)合梁[7]。國內(nèi)部分在役或在建的鐵路鋼-混結(jié)合梁橋見表1。

表1 國內(nèi)部分在役或在建的鐵路鋼-混結(jié)合梁橋

對于沿城市道路敷設或跨越城市干道/河流/寬深峽谷的鐵路橋梁，采用連續(xù)鋼-混結(jié)合梁可滿足環(huán)保、景觀、結(jié)構輕量化、橋下凈空和快速綠色建造等需求。本文將針對3種常用跨度(主跨56、64、80 m)高速鐵路無砟軌道連續(xù)鋼-混結(jié)合梁開展設計方案研究。

1 主要技術標準及建筑材料

1.1 主要技術標準

(1)設計速度：350 km/h。

(2)設計活載：ZK活載。

(3)二期恒載：140 kN/m。

(4)軌道類型：無砟軌道。

(5)線路情況：雙線，線間距5.0 m；直、曲線，最小曲線半徑4000 m。

1.2 主要建筑材料

(1)混凝土：橋面板采用C55混凝土，濕接縫采用C55補償收縮纖維混凝土。

(2)鋼材：鋼主梁主體結(jié)構采用Q370q，桁架式橫隔板鋼管材質(zhì)為Q345；鋼筋采用HRB400；圓柱頭焊釘?shù)牟馁|(zhì)為ML15或ML15Al。

2 總體方案研究

2.1 橋跨布置

根據(jù)國內(nèi)外三十余座鐵路連續(xù)鋼-混結(jié)合梁橋調(diào)研統(tǒng)計數(shù)據(jù)[4-11]，連續(xù)鋼板及鋼箱結(jié)合梁的邊跨與主跨的跨徑比分布在0.6～1.0，大多位于0.7～0.85。

針對主跨56、64、80 m的三跨連續(xù)鋼-混結(jié)合梁，綜合考慮結(jié)構受力、工程經(jīng)濟性、支座升降法實施的可行性及有效性等因素[4，7]，邊跨與中跨之比在0.7～0.8按照8 m進制確定如下。

(1)(40+56+40) m，邊跨與中跨之比為0.714；梁部全長137.1 m，梁端懸出長度0.55 m。

(2)(48+64+48) m，邊跨與中跨之比為0.75；梁部全長161.1 m，梁端懸出長度0.55 m。

(3)(56+80+56) m，邊跨與中跨之比為0.7；梁部全長193.1 m，梁端懸出長度0.55 m。

2.2 截面形式

鐵路連續(xù)鋼-混結(jié)合梁橋的常用鋼梁截面形式[4-11]為雙工形鋼板梁、雙箱單室槽形鋼梁、單箱單室槽形鋼梁。

綜合類似工程實踐[4-11]、結(jié)構受力、高速鐵路行車條件和經(jīng)濟性等因素，主跨56、64、80 m連續(xù)鋼-混結(jié)合梁的截面形式選擇如下。

(1)主跨56 m：雙工形鋼板結(jié)合梁、雙箱單室箱形結(jié)合梁、單箱單室箱形結(jié)合梁。

(2)主跨64 m：雙箱單室箱形結(jié)合梁、單箱單室箱形結(jié)合梁。

(3)主跨80 m：雙箱單室箱形結(jié)合梁、單箱單室箱形結(jié)合梁。

2.3 支點負彎矩區(qū)受力性能提高措施

連續(xù)鋼-混結(jié)合梁中支點區(qū)段承受顯著負彎矩作用，上部的混凝土橋面板受拉、下部的鋼梁受壓均較為突出，需重點解決鋼梁的受壓突出(穩(wěn)定)問題以及混凝土橋面板的開裂問題，保證結(jié)構的經(jīng)濟性、長期耐久性和承載力[1-2，7，12]。

提高支點負彎矩受力性能的技術措施有十余種[1-5，7，13-17]，如配置縱向預應力、支點升降法、預加荷載法、混凝土橋面板合理施工順序選擇、支點處設置后澆加寬濕接縫、高抗裂高韌性纖維混凝土、鋼梁-混凝土延遲結(jié)合、負彎矩區(qū)上翼緣鋼板滿布、高配筋率、雙層組合結(jié)構技術(鋼梁下翼緣與混凝土結(jié)合)、抗拔不抗剪連接技術等。

針對鐵路橋梁活載大、動力性能要求高[18]、橋面板耐久性要求高等特點，本文的連續(xù)鋼-混結(jié)合梁負彎矩區(qū)設計采取“主力下不允許出現(xiàn)拉應力，主加附作用下允許出現(xiàn)拉應力但控制裂縫寬度在0.15 mm以內(nèi)”的原則[1，7，19]，采用以下提高支點負彎矩受力性能的技術措施：

(1)保障措施：①支點升降法；②調(diào)整混凝土橋面板拼裝順序(橋面板自梁端及跨中往中墩方向逐步與鋼梁結(jié)合)；③少量張拉預應力鋼束。

(2)富余措施：①中支點雙層組合結(jié)構技術；②中墩設置后澆加寬的抗裂纖維混凝土濕接縫。

2.4 指導性施工方案

(1)總體施工方案：鋼梁與橋面板分開制造、橋位結(jié)合。

(2)鋼梁施工方案：不具備水上運輸條件時，廠內(nèi)制造鋼梁節(jié)段(長度不宜超過18 m[4])，汽車運輸至橋位，分節(jié)段吊裝組拼或頂推就位；若位于具備水上運輸?shù)跹b條件的水域，鋼梁在廠內(nèi)分節(jié)段制造并組拼成大節(jié)段，水上運輸至橋位，通過浮吊吊裝并在橋墩或墩旁托架上組拼成整體。

(3)混凝土橋面板施工方案：橋面板在工廠預制，橋位吊裝預制橋面板并澆筑濕接縫混凝土。

3 結(jié)構設計

3.1 結(jié)構構造

圖1～圖3分別為雙工形鋼板結(jié)合梁、雙箱單室箱形結(jié)合梁、單箱單室箱形結(jié)合梁的截面構造，表2為主跨56、64、80 m連續(xù)鋼-混結(jié)合梁采用不同截面形式時的主要結(jié)構參數(shù)。

圖1 雙工形鋼板結(jié)合梁橫截面(單位：cm)

圖2 雙箱單室鋼-混結(jié)合梁橫截面(單位：cm)

圖3 單箱單室鋼-混結(jié)合梁橫截面(單位：cm)

表2 56、64、80 m連續(xù)鋼-混結(jié)合梁的主要結(jié)構參數(shù)

3.1.1 雙工形鋼板結(jié)合梁

(1)鋼梁

雙工形梁的中心間距6 m，工形鋼梁由頂板、下翼緣、縱腹板組成。

橫隔板標準間距為4 000 mm，上翼緣均與混凝土橋面板結(jié)合?？玳g橫隔板采用框架式構造，支點處采用實腹式橫隔板。

頂板包括腹板上翼緣和與混凝土橋面板結(jié)合的橫隔板上翼緣?？v腹板上翼緣標準寬1 200 mm，根據(jù)受力需要在順橋向采用不同板厚。下翼緣寬1 200 mm?？v腹板在受壓區(qū)設置縱向加勁肋，同時在橫隔板之間居中設置豎向加勁肋。

(2)混凝土橋面板

橋面板寬12.6 m，兩側(cè)懸臂長度2.7 m?？v腹板之間的橋面板采用38 cm等厚，往懸臂板端部漸變?yōu)?0 cm。

混凝土橋面板采用分塊工廠預制，預制板縱橋向長3.4 m，預制板之間的濕接縫寬60 cm。梁端、中支點處設寬1.5 m的現(xiàn)澆段。橋面板橫向整塊預制，兩側(cè)懸臂板通過系梁與中間板連接。

(3)下平面縱向聯(lián)結(jié)系

兩片工形梁下翼緣之間設置15 cm厚的預制混凝土板，相鄰預制板間縱向不連接(按2 m的基本間距設橫向斷縫)，僅起到橫向聯(lián)系的作用。

(4)連接件

混凝土橋面板與鋼梁之間通過栓釘連接，采用φ22×250 mm圓柱頭焊釘，基本間距125 mm。

3.1.2 雙箱單室箱形結(jié)合梁

(1)鋼梁

鋼梁采用雙箱單室槽形梁，雙箱的中心間距為5 m。每個箱梁由頂板、底板、兩道腹板圍封成上開口箱梁斷面。

雙箱之間及箱梁內(nèi)設置橫隔板，基本間距4.0 m；端橫隔板和支點橫隔板采用框架式構造，與混凝土橋面板結(jié)合；跨間橫隔板采用U形橫隔板(無上翼緣)，不與混凝土橋面板結(jié)合。

箱梁腹板內(nèi)側(cè)間距為2400 mm，腹板在受壓區(qū)設置縱向加勁肋，同時在橫隔板之間居中設置豎向加勁肋。腹板上翼緣寬600 mm。每個箱梁的底板下緣設置兩道縱向加勁肋。

為改善中支點負彎矩區(qū)的受力，中墩8 m(每側(cè)4 m)范圍的箱梁內(nèi)底板頂面結(jié)合混凝土，混凝土厚50 cm，通過栓釘和開孔連接件(縱向加勁肋開孔并穿橫向鋼筋)與主梁底板實現(xiàn)雙結(jié)合。

(2)混凝土橋面板

橋面板寬12.6 m，兩側(cè)懸臂長度2.3 m?？v腹板之間的橋面板采用28 cm等厚，板厚往懸臂板端部漸變?yōu)?0 cm。

混凝土橋面板的預制分塊及濕接縫設置方式同雙工形鋼板結(jié)合梁。

3.1.3 單箱單室箱形結(jié)合梁

(1)鋼梁

鋼梁采用單箱單室槽形截面，由底板、上翼緣頂板、腹板圍封成上開口箱形斷面。

不與混凝土橋面板結(jié)合的橫隔板采用桁架式構造，與橋面板結(jié)合的橫隔板采用框架式構造，支座橫隔板采用實腹式結(jié)構。橫隔板基本間距為4.0 m，桁架式橫隔板與框架式橫隔板交錯布置。

縱腹板采用傾斜設置，兩道腹板的底部間距6.0 m，頂部間距6.6 m，在受壓區(qū)設置縱向加勁肋，同時在橫隔板之間居中設置豎向加勁肋。

頂板包括與混凝土橋面板結(jié)合的橫隔板上翼緣和腹板上翼緣。腹板上翼緣標準寬1 000 mm(主跨為64，80 m時，為1 200 mm)。

底板設置縱向加勁肋，加勁肋基本間距900 mm。同雙箱單室箱形結(jié)合梁，中墩8 m(每側(cè)4 m)范圍的底板頂面也結(jié)合厚50 cm的混凝土。

(2)混凝土橋面板

橋面板寬12.6 m，兩側(cè)懸臂長度2.1 m。橋面板采用變厚度板，中間標準厚度30 cm，懸臂板端部厚20 cm，與鋼梁上翼緣結(jié)合處加厚至55 cm。

混凝土橋面板的預制分塊及濕接縫設置方式同雙工形鋼板結(jié)合梁。

3.2 主要技術指標及計算結(jié)果

(1)剛度指標

表3為主跨56,64,80 m連續(xù)鋼-混結(jié)合梁采用不同截面形式的主要豎向剛度指標。

表3 主要豎向剛度指標

從表3可見：豎向剛度方面，雙工形截面方案最優(yōu)，單箱單室截面方案與前者差異不大，雙箱單室截面方案的主跨達到64 m及以上時，豎向撓跨比及梁端轉(zhuǎn)角趨于控制設計[20]；56～80 m連續(xù)鋼-混結(jié)合梁的工后徐變均小于2 mm。

(2)應力指標

表4為各個方案的鋼梁和混凝土橋面板的正應力極值結(jié)果?？梢?，連續(xù)鋼-混結(jié)合梁以強度(截面應力)控制設計，可充分發(fā)揮鋼材的承載力。

表4 梁部主要應力極值 MPa

(3)車橋動力性能分析

建立全橋動力分析模型，分析主跨56、64、80 m連續(xù)鋼-混結(jié)合梁在CRH3動車組以不同速度走行下的車橋耦合動力響應。結(jié)果表明：

①動車組以速度200～420 km/h通過橋梁時，橋梁豎向、橫向振動加速度均小于規(guī)范[12，20]規(guī)定的限值；動車與拖車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內(nèi)，高速列車行車安全性有保證。

②CRH3動車組以速度200～350 km/h通過橋梁時，車輛豎向舒適性均為“優(yōu)”，橫向舒適性均達到“良”或“優(yōu)”；以速度400～420 km/h通過橋梁時，車輛豎向舒適性均達到“良”及以上，橫向舒適性均為“合格”及以上。

4 方案綜合分析

表5和圖4為不同連續(xù)鋼-混結(jié)合梁方案的綜合對比。

圖4 不同截面形式的鋼梁用鋼量指標對比

表5 不同跨度及截面形式的連續(xù)鋼-混結(jié)合梁的比較

可見：主跨為56 m時，雙箱單室截面的鋼梁用鋼量最省，雙工形截面最高，當跨度達到64 m及以上時，單箱單室截面的用鋼量最小且用鋼量節(jié)省顯著；公路運輸條件方面，雙工形和雙箱單室鋼梁可分為兩個主梁(縱梁)加工、運輸和架設，不存在超寬或凈空限制[4]等問題，單箱單室鋼梁一般采用整箱加工、運輸和架設，鋼梁截面最大外圍尺寸超過3 m×7.5 m，公路運輸存在超寬或凈空超限問題；相比同跨度預應力混凝土連續(xù)梁，主跨56、64、80 m連續(xù)鋼-混結(jié)合梁的支點梁高可分別降低0.735、1.835、1.635 m。

5 結(jié)論

(1)鋼-混結(jié)合梁可滿足環(huán)保景觀、結(jié)構輕量化、橋下凈空和快速綠色建造等需求，對56～80 m常用跨度高速鐵路連續(xù)梁具有良好適用性。

(2)連續(xù)鋼-混結(jié)合梁以強度(截面應力)控制設計，雙箱單室截面方案跨度達到64 m時，豎向剛度指標亦趨于控制設計，可充分發(fā)揮鋼材的承載力。

(3)經(jīng)靜力計算和車橋耦合動力分析驗證，提出的56、64、80 m跨連續(xù)鋼-混結(jié)合梁設計方案可滿足350 km/h高速鐵路的技術要求。

(4)截面形式選擇方面，56～80 m跨高速鐵路連續(xù)鋼-混結(jié)合梁建議采用整體性、穩(wěn)定性和抗扭剛度更優(yōu)的箱形截面；若具備水上運輸?shù)日溥\輸及吊裝的條件，推薦采用單箱單室截面，以獲得良好的外形美觀性和橋下通視條件，同時用鋼量更低、經(jīng)濟性更優(yōu)；若公路運輸或現(xiàn)場吊裝條件受限時，推薦采用雙箱單室截面。