鋪設(shè)無(wú)砟軌道的平面折線鋼桁結(jié)合梁設(shè)計(jì)及施工關(guān)鍵技術(shù)研究

鄭亞鵬,萬(wàn)田保,楊光武,鄒敏勇

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430056)

1 工程概況

福州市道慶洲大橋是福州主城與長(zhǎng)樂(lè)連接的一條快速通道，大橋位于青州閩江大橋和福泉高速烏龍江大橋之間，距離青州閩江大橋約7 km，距離烏龍江大橋約5 km，在道慶洲濕地邊緣通過(guò)。

跨江大橋采用“公路+軌道”雙層合建方式，上層公路為6車道城市主干道兼一級(jí)公路，下層為雙線地鐵6號(hào)線?？缃瓨蛉€長(zhǎng)2 268.5 m，均為雙層鋼桁結(jié)合梁結(jié)構(gòu)，其中跨江引橋第5聯(lián)，采用2×84 m(墩中心線跨度)的連續(xù)鋼桁結(jié)合梁[1]。見圖1。

2 橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)

相比其他同類型橋梁，本橋在技術(shù)方面具有以下難點(diǎn)。

(1)為適應(yīng)線路平曲線的變化，本橋采用以折代曲方案，以平面折線鋼桁梁適應(yīng)線路平曲線變化，折線鋼桁梁的設(shè)計(jì)難度較為復(fù)雜。

(2)為節(jié)省施工臨時(shí)設(shè)施費(fèi)用，本橋架設(shè)方式采用懸臂拼裝[2]。與常規(guī)直線鋼桁梁相比，折線鋼桁梁在大懸臂狀態(tài)下其受力狀態(tài)存在整體扭曲的效應(yīng)。

(3)中墩處上層橋面混凝土板在負(fù)彎矩區(qū)，為保證此處混凝土橋面板裂縫寬度滿足規(guī)范要求，采取中墩頂落梁措施。折線鋼桁梁在中墩頂落梁情況下，存在上、下層橋面橫向偏移的效應(yīng)。

(4)地鐵橋面采用無(wú)砟軌道。為適應(yīng)線路平曲線的要求，無(wú)砟軌道需要設(shè)置超高[3]。同時(shí)，為避免橋面積水，地鐵橋面系為雙向橫坡結(jié)構(gòu)。在雙向橫坡橋面上，無(wú)砟軌道的超高設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。

3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100年。

(2)上層橋面線路標(biāo)準(zhǔn)：城市主干道兼一級(jí)公路，6車道，設(shè)計(jì)行車速度60 km/h，城市A級(jí)。

(3)下層橋面線路標(biāo)準(zhǔn)：地鐵6號(hào)線，雙線通行，設(shè)計(jì)運(yùn)行速度100 km/h，線間距4.2 m，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)B2車型，列車編組6輛，接觸網(wǎng)受電，車輛最大軸重140 kN，最小軸重65 kN，空載軸重80 kN。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 總體布置

橋梁所在線路立面縱坡0.3%，平面線路左線線型為R=1 003.9 m的平曲線，右線線型為R=1 008.1的平曲線。

橋梁跨度布置為：(0.95+83.8+83.8+1.09) m=169.64 m兩跨布置，見圖1所示。為適應(yīng)線路平曲線變化，在中墩處主桁平面折角為177.617°，見圖2。

圖2 橋梁平面布置

公路和軌道交通采用分層布置方案[4]，上層橋面采用6車道公路和兩側(cè)非機(jī)動(dòng)車道，下層為雙線輕軌。橋梁橫斷面布置見圖3。

圖3 橋梁橫斷面(單位：m)

由于折線鋼桁梁，折點(diǎn)處受力較大(見后文受力分析)，鋼桁梁主桁在中墩附近各1個(gè)節(jié)間采用Q420qE鋼材[5]，其余主桁采用Q345qD鋼材。公路橋面板采用C50混凝土，橋面板鋼筋采用HRB400鋼筋。

4.2 主桁

主桁采用三角形桁架[6]，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長(zhǎng)度12 m，桁高 9.5 m。上、下弦桿均采用箱形截面，腹桿采用箱形截面或H形截面。主桁節(jié)點(diǎn)采用焊接整體節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)外拼接。上弦桿高1.56 m，下弦桿高1.46 m，內(nèi)寬均為1.0 m。

主桁在中墩處彎折，倒圓半徑為R5 m。上弦桿在節(jié)間中間彎折，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)常規(guī)。下弦桿在節(jié)點(diǎn)處彎折，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，曲線內(nèi)側(cè)主桁腹桿在節(jié)點(diǎn)處夾角為63.16°，曲線外側(cè)主桁腹桿在節(jié)點(diǎn)處夾角為65.85°；同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)有2塊節(jié)點(diǎn)板，彎折處共有4塊節(jié)點(diǎn)板，結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)均不一致，其中一塊節(jié)點(diǎn)板的結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖4。由于折線鋼桁梁的復(fù)雜性，主桁結(jié)構(gòu)采用BIM軟件三維正向設(shè)計(jì)[7]，鋼梁制造單位也采用三維放樣制造[8]。

圖4 主桁彎折處節(jié)點(diǎn)板構(gòu)造(單位：mm)

4.3 軌道交通橋面系

軌道交通橋面系采用“縱橫梁+正交異性板整體鋼橋面”[9]。每隔12 m設(shè)置1道大橫梁，中間設(shè)置3道橫肋。鐵路橋面系頂板厚16 mm，頂板采用板式加勁肋。鐵路橋面系與主桁連接采用栓焊結(jié)合方式[10]，鐵路橋面系頂面設(shè)置1%橫坡。鐵路橋面系橫梁在主桁彎折處采用箱型橫梁，以約束彎折主桁的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)[11]。

4.4 公路橋面系

公路橋面系采用鋼混結(jié)合梁[12]，混凝土板厚220 mm，鋼橫梁采用密橫梁體系，混凝土板和鋼橫梁通過(guò)剪力釘連接。公路橋面系頂板設(shè)置2%橫坡。

混凝土橋面板采用C50高性能混凝土，縱橫向分塊預(yù)制，板厚220 mm。橋面板主筋采用HRB400鋼筋，縱向鋼筋直徑φ20 mm，間距12.5 cm，橫向鋼筋直徑φ22 mm，間距12.5 cm。混凝土板預(yù)制存梁期180 d。

4.5 預(yù)拱度

主桁設(shè)有預(yù)拱度[13-14]，預(yù)拱度由上弦桿長(zhǎng)度伸縮形成，伸長(zhǎng)或縮短的值在上弦桿拼接板的拼縫中變化，弦桿和斜桿仍交匯于節(jié)點(diǎn)中心?？v向預(yù)拱度考慮恒載和豎曲線的影響，由于平面折線鋼桁梁，內(nèi)外側(cè)主桁的恒載撓度不一致，預(yù)拱度的設(shè)置需考慮此影響。

4.6 無(wú)砟軌道及其他地鐵附屬

本橋軌道交通設(shè)計(jì)速度為100 km/h，采用6輛B2編組車型。根據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)外軌道交通鋼橋軌道型式主要有明橋面木枕軌道、碎石道床軌道、板式軌道、梯形軌枕軌道、減振墊浮置板軌道等[15]。

經(jīng)過(guò)綜合比較考慮，本橋采用減振墊浮置板軌道[16](圖5)。減振墊浮置板軌道在普通板式軌道下設(shè)一層減振墊，減振墊與板式軌道組成質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，以起到減振作用[16]。減振墊直接鋪設(shè)在鋼梁面，限位裝置簡(jiǎn)單，限位凸臺(tái)與橋面之間采用焊接。

圖5 減振墊浮置板軌道(單位：mm)

對(duì)于折線鋼桁梁，軌道板會(huì)存在橫向超高問(wèn)題，同時(shí)疊加鋼梁橫坡變化，軌道板設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。本橋曲線段的鋼限位凸臺(tái)，每一個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸均不同，均根據(jù)位置進(jìn)行調(diào)整。

5 受力分析

采用橋梁空間結(jié)構(gòu)分析軟件Midas Civil，建立結(jié)構(gòu)分析模型。弦桿、腹桿、縱橫梁采用梁?jiǎn)卧?，混凝土板和下層橋面鋼板采用板單元?；炷涟迨┕た紤]收縮徐變的影響。

結(jié)構(gòu)荷載：①一恒，按照密度調(diào)整系數(shù)施加，調(diào)整系數(shù)為1.33；②二恒，按照壓力荷載施加，其中地鐵二恒92 kN/m；③公路活載，6車道“城A”；④軌道交通活載，6輛編組“B2型車”。

5.1 懸臂拼裝計(jì)算

為節(jié)省施工臨時(shí)設(shè)施費(fèi)用，本橋架設(shè)方式采用懸臂拼裝[2]。為減小懸臂長(zhǎng)度，在每跨的中間設(shè)置1個(gè)臨時(shí)支墩。懸臂拼裝的最不利工況是：鋼桁梁拼裝到第2跨的臨時(shí)墩處(大懸臂階段，未上臨時(shí)墩)。

在大懸臂階段，中墩處鋼桁梁的上、下弦桿會(huì)發(fā)生橫向錯(cuò)動(dòng)變形，相對(duì)變形最大值為10 mm，見圖6。

圖 6 大懸臂階段單片桁架橫向變形(單位：mm)

經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的力學(xué)模型分析，以上所述的橫向變形，主要由于在大懸臂階段上弦桿受拉，因此，在折彎點(diǎn)存在向內(nèi)側(cè)變形的趨勢(shì)，位移假設(shè)為D1；類似的，在大懸臂階段下弦桿受壓，因此，在折彎點(diǎn)存在向外側(cè)變形的趨勢(shì)，位移假設(shè)為D2。位移D1+D2=10 mm。上、下弦桿變形趨勢(shì)示意見圖7。

圖7 上、下弦桿變形趨勢(shì)示意

在大懸臂階段由于存在上、下弦桿的橫向錯(cuò)動(dòng)變形，因此，中墩處弦桿和腹桿會(huì)承受較大的面外彎矩作用。腹桿最大面外彎矩1 205 kN·m，弦桿最大面外彎矩1 646 kN·m。

5.2 中墩頂落梁計(jì)算

(1)折線鋼桁梁頂落梁受力狀態(tài)分析

在拉力作用下，結(jié)合梁的混凝土板易產(chǎn)生裂縫，因此，在結(jié)合梁的設(shè)計(jì)中，盡量保證混凝土板受壓或保證裂縫寬度滿足規(guī)范要求[18]。為控制墩頂處混凝土板裂縫寬度，一般可采用頂落梁法[19]或配置預(yù)應(yīng)力束法，本橋?yàn)閮煽缫宦?lián)橋梁，采用頂落梁法。

對(duì)于常規(guī)鋼桁結(jié)合梁，頂落梁步驟為：①左右側(cè)中墩同時(shí)起頂相同高度H1；②結(jié)合墩頂處混凝土橋面板；③左右側(cè)中墩同時(shí)下落相同高度H1。由于中墩處鋼桁梁存在平面折角，與大懸臂階段類似，在起頂工況下，上、下弦桿會(huì)發(fā)生橫向錯(cuò)動(dòng)變形。但是更為復(fù)雜的情況是，當(dāng)起頂后，結(jié)合墩頂混凝土板，中支點(diǎn)下落后，由于混凝土板強(qiáng)大的約束作用，弦桿的橫向錯(cuò)動(dòng)變形并不能完全復(fù)原，而使得施工階段內(nèi)力的不利影響存留在結(jié)構(gòu)中。當(dāng)左、右兩側(cè)主桁起頂相同的高度25 cm時(shí)，中墩處變形和彎矩見表1。

表1 中墩處錯(cuò)動(dòng)變形和彎矩

從表1可以看出，起頂工況中，由于后結(jié)合混凝土板的約束作用，結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力無(wú)法復(fù)原到起頂前的狀態(tài)。

(2)折線鋼桁梁頂落量值分析

常規(guī)鋼桁結(jié)合梁，頂落梁為左、右兩側(cè)主桁起頂相同的高度。由于折線鋼桁梁，內(nèi)、外側(cè)主桁跨度不同，且頂落梁過(guò)程中結(jié)構(gòu)橫向錯(cuò)動(dòng)變形偏大，因此，考慮內(nèi)、外側(cè)主桁分別起頂不同的高度。

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析內(nèi)側(cè)主桁起頂25 cm，外側(cè)起頂23 cm?？梢允沟闷痦斨袡M向錯(cuò)動(dòng)變形為11 mm，與起頂前一致，同時(shí)保證混凝土板裂縫寬度[19]控制滿足規(guī)范要求。

5.3 結(jié)構(gòu)剛度

根據(jù)計(jì)算，活載撓跨比[21]1/2 800。根據(jù)JTGD64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》簡(jiǎn)支或連續(xù)桁架，撓跨比限值為1/500。本橋活載撓度滿足規(guī)范要求。根據(jù)GB50517—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》L>80 m的橋梁，豎向撓跨比限值1/1 000。本橋活載撓度滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)道慶洲大橋第5聯(lián)設(shè)計(jì)、施工中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，成果總結(jié)如下。

(1)為適應(yīng)線路平曲線變化，采用折線鋼桁梁結(jié)構(gòu)，減少了伸縮縫數(shù)量，提高行車舒適性。

(2)采用懸臂拼裝的施工工藝，雖然可節(jié)省工期，降低施工成本。但是折線鋼桁梁會(huì)產(chǎn)生整體扭曲效應(yīng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需特殊考慮。

(3)為控制中墩處混凝土板裂縫，可采用頂落梁措施。需特別注意頂落梁所引起的中墩橫向錯(cuò)動(dòng)變形和桿件面外彎矩的增加。

(4)為減少中墩頂落梁所引起的錯(cuò)動(dòng)變形，可采取內(nèi)、外側(cè)主桁分別起頂不同的高度(外側(cè)比內(nèi)側(cè)偏小)的方法解決。

(5)鐵路橋面系采用正交異性板整體鋼橋面，有利于提高結(jié)構(gòu)剛度。軌道結(jié)構(gòu)采用減振墊浮置板軌道，減輕了結(jié)構(gòu)自重。平曲線段的軌道板根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

(6)由于折線鋼桁梁彎折處的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，特殊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)可以采用BIM軟件正向設(shè)計(jì)，以利于結(jié)構(gòu)尺寸的放樣。

平面折線鋼桁結(jié)合梁為鋼桁梁中的特殊結(jié)構(gòu)，在目前的橋梁工程領(lǐng)域比較新穎，通過(guò)本文的介紹以期對(duì)今后類似橋梁的設(shè)計(jì)和施工有所參考和借鑒。福州道慶洲大橋于2017年開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2022年開通運(yùn)營(yíng)。