采用UHPC橋面的鐵路耐候鋼鋼箱梁設(shè)計(jì)研究

張 上，左家強(qiáng)，張 海，王宗豐

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司土建院，天津 300308)

1 概述

1.1 工程概況

鄭濟(jì)高鐵在濟(jì)南附近同時(shí)跨越京滬高鐵、津浦鐵路及水白鐵路，為三層立交結(jié)構(gòu)。橋梁平面及立面布置分別如圖1、圖2所示。

圖1 橋梁平面布置

圖2 橋梁立面布置(單位：m)

考慮高速鐵路對(duì)軌道平順性要求高[1-2]，應(yīng)盡量減小新建鐵路施工引起京滬高鐵沉降。因此，宜采用自重輕、施工方便的鋼結(jié)構(gòu)。經(jīng)比選研究，本工點(diǎn)采用跨度(50+85+50)m鋼箱梁[3-4]，橋面采用UHPC鋪裝。

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鋼箱梁橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

設(shè)計(jì)速度：160 km/h。

設(shè)計(jì)活載：ZK活載。

軌道類(lèi)型：有砟軌道。

線路情況：?jiǎn)尉€，平面位于R=950 m的圓曲線上。

設(shè)計(jì)使用年限：主體結(jié)構(gòu)在正常養(yǎng)護(hù)維修條件下設(shè)計(jì)使用年限為100年。

2 結(jié)構(gòu)形式研究

2.1 橋式比選研究

對(duì)于主跨85 m的鐵路鋼橋，可采用的橋式有鋼桁梁和鋼箱梁，分別對(duì)兩種橋型進(jìn)行研究，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。兩種橋式剛度均可滿足要求且有較大儲(chǔ)備。本工點(diǎn)位于R=950 m的曲線上，可以曲梁曲做的鋼箱梁橋面寬比鋼桁梁小1 m，每延米用鋼量也較小。鋼箱梁支座布置在腹板下，支座間距4.3 m，約為鋼桁梁的1/2，橋墩橫向尺寸有較大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)考慮鋼箱梁與相鄰混凝土箱梁協(xié)調(diào)統(tǒng)一，景觀性好，最終采用了鋼箱梁形式。

表1 橋式技術(shù)指標(biāo)比選

2.2 主要設(shè)計(jì)原則和內(nèi)容

(1)主要建筑材料

本橋同時(shí)跨越多條既有鐵路，為減小養(yǎng)護(hù)維修對(duì)下方鐵路運(yùn)營(yíng)的影響，全梁采用免涂裝耐候鋼。耐候鋼橋一次投資稍高，但整個(gè)生命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)性具有明顯優(yōu)勢(shì)[5]。鋼箱梁主結(jié)構(gòu)鋼材采用Q370qENH，要求可焊性Pcm<0.2，屈強(qiáng)比≯0.85[6]，耐候鋼的耐大氣腐蝕性指數(shù)I≥6.0[7]；高性能耐候鋼焊接材料除滿足常規(guī)焊接的性能要求外，其熔敷金屬的耐大氣腐蝕性指數(shù)也要求I≥6.0。橋面防護(hù)欄等附屬結(jié)構(gòu)均采用Q235NH。在正交異性鋼橋面板上設(shè)置6 cm厚超高強(qiáng)混凝土層[8-9]。

(2)橋面布置

鋼橋橋面寬7.5 m，橋面設(shè)置擋砟墻、豎墻、人行道、接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)等常規(guī)構(gòu)造外，在橋面最外側(cè)還設(shè)置2 m高的防護(hù)屏，以防止道砟或異物掉落，影響下方既有鐵路運(yùn)營(yíng)安全。防護(hù)屏也采用耐候鋼材質(zhì)，每隔2.5 m設(shè)置斷縫，斷縫間采用填縫劑填充，并設(shè)置擋水板，防止漏水影響下方鐵路。橋面布置如圖3所示。

圖3 橋面布置(單位：mm)

2.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造及受力研究

主梁采用等高度單箱單室截面，頂板頂最低點(diǎn)距底板底高4.8 m，橋面寬7.5 m，箱室外寬4.3 m，兩側(cè)設(shè)置1.6 m懸臂翼緣，懸臂端部高0.33 m，懸臂根部高0.51 m。一般位置縱向每隔5 m設(shè)置普通橫隔板，兩道普通橫隔板之間設(shè)置環(huán)形橫隔板。

頂板采用正交異性板+UHPC方案，箱室范圍內(nèi)橫向共設(shè)置6道U肋+2道板肋；懸挑翼緣范圍每側(cè)設(shè)置4道縱肋；頂板厚20～36 mm，為方便U肋加工及制作，頂板板厚變化向外加厚。腹板采用直腹板，腹板設(shè)置水平加勁肋，底板設(shè)置縱向T形加勁肋，腹板及底板板厚均向外加厚[10]。

2.4 靜力計(jì)算成果

考慮鋼箱梁位于曲線上，為更好地明確鋼箱梁扭轉(zhuǎn)、翹曲作用[11]及曲線內(nèi)外側(cè)支反力差值，分別建立梁?jiǎn)卧桶鍐卧Ｐ停瑯?gòu)件均按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸建模。板單元模型共有板單元9 318個(gè)，節(jié)點(diǎn)8 531個(gè)，計(jì)算模型如圖4所示。兩個(gè)模型主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，板單元模型與梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算差別不大，但值得注意的是，板單元模型計(jì)算得到曲線內(nèi)外側(cè)反力差較梁?jiǎn)卧Ｐ痛蟆?/p>

圖4 全梁板單元模型離散圖

表2 兩種模型主要計(jì)算指標(biāo)

3 橋面結(jié)構(gòu)形式研究

3.1 橋面結(jié)構(gòu)形式比選研究

當(dāng)鋼橋面上設(shè)置鐵路有砟軌道時(shí)，為防止道砟對(duì)橋面鋼板防腐涂裝的磨損，一般在鋼橋面板上設(shè)置混凝土道砟槽[12-13]，混凝土道砟槽與鋼橋面板直接采用剪力釘連接。近年來(lái)，鐵路橋有采用不銹鋼復(fù)合鋼板(不銹鋼板+Q370qE鋼板復(fù)合)作為橋面板頂板的實(shí)例，在不銹鋼面層上鋪設(shè)道砟，解決了腐蝕問(wèn)題。另外，在公路橋上用UHPC作為橋面鋪裝，解決正交異形板的疲勞開(kāi)裂問(wèn)題。本橋針對(duì)這3種結(jié)構(gòu)形式，分別進(jìn)行了比選研究，詳見(jiàn)表3。

表3 橋面結(jié)構(gòu)形式綜合比選

由表3可見(jiàn)，UHPC作為橋面具有自重小、可改善正交異性板疲勞問(wèn)題、耐久性好、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)，由于UHPC可參與整體受力而減小鋼箱梁頂板厚度，造價(jià)與不銹鋼復(fù)合鋼板方案基本持平，因此，本橋采用UHPC橋面方案。

3.2 UHPC橋面設(shè)計(jì)研究

橋面采用6 cm厚的UHPC材料，UHPC層內(nèi)設(shè)置普通鋼筋，并采用小尺寸剪力釘與鋼橋面結(jié)合。通過(guò)支點(diǎn)分階段落梁措施，UHPC橋面板主力工況下最大拉應(yīng)力12.9 MPa，最大壓應(yīng)力14.6 MPa；主+附工況下最大拉應(yīng)力21.6 MPa，最大壓應(yīng)力24.8 MPa。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)程[14]，采用鋼筋間距40 mm的STC25橋面，名義彎拉應(yīng)力容許值為25.4 MPa，滿足規(guī)范要求。對(duì)UHPC橋面的抗疲勞性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，STC層(含接縫)的疲勞強(qiáng)度以容許等效最大應(yīng)力水平定義，其中，容許等效最大應(yīng)力水平是指STC層的等效最大名義應(yīng)力與其靜力名義彎拉應(yīng)力容許值之比。500萬(wàn)次疲勞壽命時(shí)STC的容許等效最大應(yīng)力水平為0.48，STC的設(shè)計(jì)等效最大應(yīng)力水平應(yīng)按照下式計(jì)算

4 耐候鋼應(yīng)用研究

耐候鋼在大氣腐蝕條件下，可以形成穩(wěn)定、致密、連續(xù)的銹層，阻止銹蝕繼續(xù)發(fā)展，保護(hù)銹層以下的基體[15]。鋼箱梁采用耐候鋼并裸露使用，除了第2節(jié)中對(duì)鋼材及焊接材料的要求外，參考國(guó)內(nèi)外耐候鋼研究應(yīng)用情況，本工點(diǎn)耐候鋼采用了如下特殊設(shè)計(jì)。

4.1 銹層穩(wěn)定措施

耐候鋼在銹層穩(wěn)定前期會(huì)有銹水流下，為避免銹水污染下方鐵路，需采用銹層穩(wěn)定措施。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)不同成分的耐候鋼，有相應(yīng)的銹層穩(wěn)定劑可供采用，也可采用周期性灑水的方式加速銹層穩(wěn)定，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣候條件，灑水頻率為1～2次/d，以保證耐候鋼表面保持干-濕交替的情況為宜[16]。

4.2 防排水措施

耐候鋼應(yīng)保證表面不積水，因此，應(yīng)特別注意排水措施設(shè)計(jì)，本梁采用了如下防排水措施。

(1)橋面不設(shè)排水孔，通過(guò)17‰的縱坡，將橋面積水排至相鄰的簡(jiǎn)支梁，并加密簡(jiǎn)支梁上的泄水孔，既避免了排水對(duì)下方既有高鐵和鐵路的影響，又解決了橋面積水影響鋼材耐候性的問(wèn)題。

(2)在橋墩頂帽四周設(shè)置擋水臺(tái)，并通過(guò)泄水孔將頂帽上積水集中排出，防止頂帽位置銹水污染橋墩。

(3)橋面的UHPC通過(guò)分階段落梁、配置鋼筋等措施控制名義拉應(yīng)力，參考相關(guān)技術(shù)規(guī)程[14]，可將UHPC裂縫控制在0.05 mm以下，避免了橋面板的銹蝕。

(4)在鋼箱梁底板靠近橋墩位置設(shè)置截水條，防止銹水通過(guò)底板流入橋墩范圍，污染支座和橋墩。

(5)參考國(guó)外耐候鋼橋經(jīng)驗(yàn)[17-18]，在梁端及U肋拼接處，采用部分防腐涂裝。

4.3 養(yǎng)護(hù)維修措施

耐候鋼橋在我國(guó)應(yīng)用較少，應(yīng)注意做好養(yǎng)護(hù)維修工作，積累使用經(jīng)驗(yàn)。建議橋梁建成后的第3年、第5年及今后每5年對(duì)全橋銹層進(jìn)行全面檢查，并留有影像資料，銹層情況應(yīng)采用紅外測(cè)厚儀或電磁膜厚度儀測(cè)量銹層厚度，厚度檢測(cè)結(jié)果與銹層外觀相結(jié)合，當(dāng)銹層厚度小于400 μm且銹層外觀合格時(shí)，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)有保護(hù)性銹層；當(dāng)銹層厚度大于400 μm時(shí)且出現(xiàn)鱗片狀粗銹或?qū)訝顒冸x時(shí)，應(yīng)查明原因并解決[19-20]。日常檢查時(shí)應(yīng)注意鋼結(jié)構(gòu)上是否有雜物、臟物等，若有應(yīng)采用低壓水去除，避免采用高壓水損傷銹層。同時(shí)應(yīng)注意鋼結(jié)構(gòu)是否有積水，伸縮縫位置是否漏水等，避免經(jīng)常性積水或漏水影響銹層穩(wěn)定，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)耐久性。

5 施工方案研究

鋼箱梁同時(shí)跨越京滬高鐵、津浦鐵路及水白鐵路，在保證施工方案安全經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，要確保對(duì)下方既有線影響小?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)條件，擬定了全懸臂頂推、吊裝及頂推等3個(gè)施工方案，如圖5所示。方案1采用頂推施工，在工點(diǎn)大里程側(cè)設(shè)臨時(shí)墩，拼裝鋼箱梁及導(dǎo)梁，導(dǎo)梁長(zhǎng)55 m。此方案優(yōu)點(diǎn)為施工工法成熟可靠[21]，對(duì)既有線影響小；缺點(diǎn)為頂推施工無(wú)法在一個(gè)天窗點(diǎn)內(nèi)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)梁上墩。按連續(xù)頂推10～12 m/h的速度，高鐵4 h的天窗點(diǎn)計(jì)算，一個(gè)天窗點(diǎn)內(nèi)最大頂推距離50 m左右，因此，會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)梁處于懸臂狀態(tài)，下方鐵路運(yùn)營(yíng)的工況，需要既有鐵路主管部門(mén)審批同意。

圖5 3種施工方案示意(單位：m)

方案2設(shè)置85 m長(zhǎng)導(dǎo)梁，導(dǎo)梁采用吊裝的方式安裝到位，與鋼箱梁連接，繼續(xù)頂推施工。雖然吊裝時(shí)回轉(zhuǎn)半徑較大，但目前國(guó)內(nèi)汽車(chē)吊起重能力已經(jīng)達(dá)到2 000 t以上，導(dǎo)梁吊裝方案可行。本方案優(yōu)點(diǎn)為施工速度快，對(duì)既有線影響小，不會(huì)出現(xiàn)上部導(dǎo)梁處于懸臂狀態(tài)，下方鐵路運(yùn)營(yíng)的工況；缺點(diǎn)為吊裝85 m導(dǎo)梁時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)高。

方案3在85 m主跨設(shè)置2個(gè)臨時(shí)墩，減小了吊裝導(dǎo)梁的長(zhǎng)度，但靠近高鐵的臨時(shí)墩施工及拆除均對(duì)既有鐵路運(yùn)營(yíng)安全有影響。

綜合參建各方意見(jiàn)及與鐵路主管部門(mén)溝通情況，本項(xiàng)目擬按方案2實(shí)施。

6 結(jié)論

針對(duì)鄭濟(jì)高鐵跨越京滬高鐵、津浦鐵路及水白線工程，進(jìn)行了橋式方案比選研究，采用了可以曲梁曲做，經(jīng)濟(jì)性及景觀性好的鋼箱梁形式。鋼箱梁采用免涂裝耐候鋼，減小了后期養(yǎng)護(hù)維修工作，并針對(duì)鐵路耐候鋼鋼箱梁進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)研究，對(duì)耐候鋼的材質(zhì)、銹層穩(wěn)定、防排水提出要求。針對(duì)鋪設(shè)有砟軌道的鋼橋面鋪裝形式，對(duì)混凝土道砟槽、不銹鋼復(fù)合鋼板、UHPC層3個(gè)方案進(jìn)行比選，最終采用了自重小、耐疲勞性能好的UHPC橋面方案，并通過(guò)分步落梁減小了UHPC拉應(yīng)力。設(shè)計(jì)中提出了頂推、頂推+吊裝等施工方案，最大限度減少了施工對(duì)既有線的影響，保證既有線運(yùn)營(yíng)安全。