杭溫鐵路主跨216m鋼混剛構(gòu)連續(xù)梁橋總體設(shè)計(jì)及技術(shù)創(chuàng)新

楊朝龍

(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)

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，各種大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)形式不斷涌現(xiàn)，混合梁剛構(gòu)橋在傳統(tǒng)梁橋基礎(chǔ)上將跨中部分長(zhǎng)度混凝土段替換為鋼箱梁，減小了結(jié)構(gòu)自重增加了跨越能力，并以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確、施工工期短、工程造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)，已成為中大跨徑橋梁的首選橋型之一。

主跨330 m的重慶石坂坡大橋復(fù)線橋就是在中跨108 m使用了鋼主梁[1]；甌江大橋(84 m+200 m+84 m)是連續(xù)剛構(gòu)橋，其中跨80 m也采用了鋼梁形式[2]；泉廈漳城市聯(lián)盟路安海灣特大橋(135+300+135) m鋼混連續(xù)剛構(gòu)，中跨103 m采用鋼箱梁形式[3]。國(guó)內(nèi)有代表性鋼混剛構(gòu)橋如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)有代表性鋼混剛構(gòu)橋

目前，國(guó)內(nèi)外大部分學(xué)者主要針對(duì)公路鋼混剛構(gòu)橋進(jìn)行研究。鄧文中、代彤[1]對(duì)重慶石板坡長(zhǎng)江大橋復(fù)線橋進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)分析。黃海東、向中富[4]等對(duì)重慶石板坡復(fù)線橋施工控制方案進(jìn)行了研究。敬陽(yáng)[5]對(duì)重慶石板坡復(fù)線橋大節(jié)段鋼箱梁吊裝、合龍技術(shù)進(jìn)行了研究。王軍文、倪章軍等[6]對(duì)重慶石板坡復(fù)線橋鋼混結(jié)合段進(jìn)行了分析研究。唐方清、羅嗣碧等[7-9]對(duì)甌江大橋總體設(shè)計(jì)和主橋鋼-混結(jié)合段設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述分析。

由上述文獻(xiàn)綜述可知，以往研究并無(wú)涉及鐵路鋼混剛構(gòu)橋，鐵路橋梁由于荷載大，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和線型要求嚴(yán)，與公路橋梁存在差異，有必要對(duì)鐵路鋼混剛構(gòu)橋梁進(jìn)行研究。本文以新建建杭溫鐵路永嘉右行線跨甬臺(tái)溫特大橋主跨216 m的鋼混剛構(gòu)連續(xù)梁為研究背景，系統(tǒng)地說(shuō)明其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)創(chuàng)新，以為同類型橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

新建杭州至溫州高鐵永嘉站右行聯(lián)絡(luò)線跨甬臺(tái)溫特大橋于永嘉縣內(nèi)采用(100+216+100) m鋼混剛構(gòu)連續(xù)梁跨越楠溪江，線路大里程與河流夾角為88°，橋址區(qū)內(nèi)分布有農(nóng)田、村莊，村莊內(nèi)道路相通，交通便利。橋址位于既有甬臺(tái)溫楠溪江特大橋(40+3×64+40) m連續(xù)梁上游25 m，位于新建杭溫高鐵正線楠溪江特大橋(40.5+79.5+240+79.5+40.5) m斜拉橋上游約65 m。橋位處三橋并立效果如圖1所示。

圖1 杭溫高鐵跨楠溪江處三橋并立效果圖

楠溪江是甌江下游的一條最大支流，本橋位于流域的下游，離甌江入?？诩s5 km，橋址位置受潮汐影響明顯，實(shí)測(cè)最高潮位5.52 m，多年平均高潮位3.74 m，平均低潮位-0.88 m，多年平均潮差4.63 m。橋址處常水位水面寬210 m，設(shè)計(jì)水位7.05 m，航道等級(jí)為內(nèi)河五級(jí)航道，最高通航水位5.98 m，凈高為6.25 m。橋址處軟土分布較廣，主要為沖海積層淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，下覆基巖為泥灰?guī)r。場(chǎng)地類別為Ⅳ類，基本地震動(dòng)峰值加速度0.05g，基本地震動(dòng)反射譜特征周期為0.35 s。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級(jí)：高速鐵路聯(lián)絡(luò)線。

(2)正線數(shù)目：?jiǎn)尉€。

(3)速度目標(biāo)值：160 km/h。

(4)設(shè)計(jì)活載：ZK標(biāo)準(zhǔn)活載。

(5)軌道類型：有砟軌道。

3 方案比選

3.1 主跨跨經(jīng)的確定

本橋橋位處于楠溪江河道微彎處，水域?qū)捈s213 m，河勢(shì)基本穩(wěn)定，水深條件良好，但大橋采用三橋并排布置方式，且橋梁軸線的法線方向與水流流向的夾角較大。楠溪江北岸(杭州端)有一座小山，緊貼山腳為既有諸永高速(2幅路面各寬12 m，中間分隔開12 m)和一條既有道路(寬4.9 m)，既有道路旁邊有一陡坡，北岸主墩應(yīng)避免設(shè)置在陡坡上。橋位處3橋并立，橋位間距不滿足規(guī)范[10]要求，本橋需加大通航孔并對(duì)應(yīng)布置或一跨跨越通航水域，根據(jù)防洪評(píng)估和通航論證的要求，本橋跨徑確定為(100+216+100) m。

3.2 橋式方案確定

根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，主跨216 m的比較有競(jìng)爭(zhēng)性的橋式為連續(xù)剛構(gòu)拱橋和部分斜拉橋，遵循方便施工、降低造價(jià)、節(jié)省工期的原則，本橋橋式方案比選引入鋼混剛構(gòu)梁方案(將連續(xù)剛構(gòu)橋的中跨跨中部分長(zhǎng)度混凝土梁替換為鋼梁)。3種橋式方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比選結(jié)果如表2所示。

經(jīng)綜合比選最終確定本橋橋式方案為(100+216+100) m鋼混剛構(gòu)連續(xù)梁，主橋立面布置如圖2所示。

表2 橋式方案綜合比較

圖2 杭溫鐵路(100+216+100) m鋼混剛構(gòu)連續(xù)梁橋總體布置(單位：cm)

4 主橋設(shè)計(jì)

4.1 主梁

主梁采用鋼混混合梁形式，由混凝土箱梁和鋼箱梁兩部分組成，其中，中跨跨中82 m范圍為單箱雙室鋼箱主梁，與其相接的是2處長(zhǎng)4m的鋼-混結(jié)合段，其余部分為單箱單室混凝土箱梁。

4.1.1 混凝土主梁

混凝土主梁結(jié)構(gòu)為單箱單室、直腹板、變截面箱梁。箱梁頂寬10.0 m，底板寬8.5 m，頂板厚度50 cm，腹板厚度60～70～85～100～110～125 cm，底板厚度由跨中的50 cm按2次拋物線變化至中支點(diǎn)的150 cm。在端支點(diǎn)、中支點(diǎn)及跨中共設(shè)7個(gè)橫隔板，剛臂墩支點(diǎn)處設(shè)置2道厚2.0 m的橫隔梁，非剛臂墩處1道厚4.0 m的橫隔梁，邊支點(diǎn)處設(shè)置厚1.70 m的端隔梁。通過(guò)研究剛臂墩處的梁高對(duì)橋梁的剛度和后期徐變有很大的影響，剛臂墩及中支點(diǎn)處梁高采用12.6 m，高跨比為1/17.1；邊直段及跨中梁高為6.2 m，高跨比1/34.8?；炷料淞簶?biāo)準(zhǔn)斷面如圖3所示。

圖3 連續(xù)剛構(gòu)混凝土箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：cm)

混凝土箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向預(yù)應(yīng)力索為17-φs15.2 mm、19-φs15.2 mm、21-φs15.2 mm、25-φs15.2 mm、27-φs15.2 mm。橫向預(yù)應(yīng)力索為5-φs15.2 mm，豎向預(yù)應(yīng)力筋采用φ21.8 mm緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

4.1.2 鋼主梁

中跨鋼箱梁長(zhǎng)度為82 m，具體組成為：中間50 m等高鋼箱梁+2×13.5 m變高鋼箱梁+2×2.5 m變高鋼箱連接段。采用單箱雙室正交異性鋼箱梁結(jié)構(gòu)，梁高6.2～6.61 m，頂板寬10.0 m，底板寬8.5 m。根據(jù)受力和剛度過(guò)渡要求，鋼箱梁在不同區(qū)段采用了不同的板厚及不同的加勁方式。頂板厚16～24 mm，采用U肋加勁，上口寬300 mm，下口寬170 mm，高280 mm，間距600 mm，厚度為8 mm；在剛度過(guò)渡段頂板設(shè)置變高度T形加勁鋼板和等高度扁鋼加勁以使其剛度從混凝土段均勻過(guò)渡。底板厚16～20 mm，底板加勁肋統(tǒng)一采用180 mm×16 mm的鋼板，橫向間距600 mm，并在鋼混結(jié)合段及剛度過(guò)渡段中設(shè)置變高度底板T形加勁鋼板，加勁鋼板一端與底板加勁肋進(jìn)行工廠連接，另一端與鋼混結(jié)合段進(jìn)行工地連接。鋼箱梁設(shè)3道縱腹板，縱腹板厚16～20 mm，腹板保持內(nèi)側(cè)平齊，腹板加勁肋統(tǒng)一采用180 mm×16 mm的鋼板，豎向間距700 mm。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖4所示。

圖4 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：cm)

2.5 m長(zhǎng)的鋼箱連接段和4 m長(zhǎng)的鋼混結(jié)合段一起加工制作，其余77 m鋼箱梁為工廠制作整體吊裝鋼箱梁，其梁段劃分長(zhǎng)度分別為13.5，17，16，17，13.5 m。

4.1.3 鋼混結(jié)合段

鋼混結(jié)合段是鋼混剛構(gòu)橋的關(guān)鍵部位[11]，其受力較一般斜拉橋的鋼混結(jié)合段更為不利，不僅需承受巨大的軸力，同時(shí)需抵抗很大的彎矩和剪力，因此鋼混結(jié)合段剛度的合理過(guò)渡及內(nèi)力順利傳遞是本橋設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一[2]。鋼-混結(jié)合段全長(zhǎng)4m，采用帶PBL連接件[12]和剪力釘?shù)挠懈袷液蟪袎喊迨浇Y(jié)構(gòu)。其中，承壓板厚度為50 mm；剪力釘?shù)闹睆綖?2 mm，高200 mm，間距200 mm；開孔板連接件開孔直徑為70 mm，貫穿鋼筋直徑為20 mm。頂?shù)装搴透拱宀捎秒p壁板的形式，內(nèi)部設(shè)置PBL和剪力釘形成等高度鋼格室，格室長(zhǎng)1 450 mm，寬600 mm，高1352 mm，格室內(nèi)填充混凝土，通過(guò)兩端錨固于鋼梁過(guò)渡段和混凝土梁橫隔梁上的預(yù)應(yīng)力短束使鋼箱梁與混凝土箱梁緊密結(jié)合。采用該構(gòu)造方式，后承壓板通過(guò)直接承壓作用將一部分內(nèi)力直接傳遞至混凝土，另一部分內(nèi)力則通過(guò)頂?shù)装寮案袷覂?nèi)的抗剪連接件進(jìn)行傳遞。鋼混結(jié)合段構(gòu)造如圖5所示。

圖5 鋼-混結(jié)合段構(gòu)造(單位：m)

4.2 體外索

主梁跨中長(zhǎng)期下?lián)献冃未?，一直困擾著大跨度混凝土剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)[13]，將跨中部分混凝土替換成鋼梁之后，有效地減小了主跨自重，減小了跨中長(zhǎng)期下?lián)系娘L(fēng)險(xiǎn)[14]?？紤]混凝土收縮徐變的不確定性，設(shè)計(jì)時(shí)在中跨設(shè)置了6束27-φs15.2 mm的體外索。體外索采用環(huán)氧涂層無(wú)粘結(jié)鋼絞線，采用分體式轉(zhuǎn)向器，可單根調(diào)索、換索[15]。體外索施工期間初始張拉控制應(yīng)力為500 MPa，運(yùn)營(yíng)期間做好防腐保護(hù)措施并加強(qiáng)梁部位移的觀測(cè)，若發(fā)現(xiàn)主梁發(fā)生異常變形時(shí)，可及時(shí)再?gòu)埨?，以便改善橋梁受力狀況和梁部變形。

體外索可重復(fù)張拉且可更換，這為混合梁剛構(gòu)橋運(yùn)營(yíng)多年之后的橋梁線形調(diào)整提供了便利條件，是一種對(duì)混合梁剛構(gòu)橋長(zhǎng)期變形進(jìn)行主動(dòng)控制的方法[14]。體外索布置形式如圖6所示。

圖6 鋼混結(jié)合段體外索布置示意(單位：cm)

4.3 下部結(jié)構(gòu)

橋墩尺寸對(duì)主梁內(nèi)力影響較大，墩身剛度過(guò)大，不利于主梁受力，剛度過(guò)小則橋墩本身受力難以滿足。由于本橋大里程處主墩墩高較矮，為了減少溫度等荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，小里程主墩采用剛臂墩，大里程主墩則采用支座形式。小里程橋主墩采用矩形空心墩，墩高18.5 m，順橋向?qū)?.0 m，直坡；橫橋向?qū)?0.0 m，直坡；墩縱向壁厚2.0 m，橫向壁厚2.0 m，箱室內(nèi)設(shè)50 cm×50 cm倒角。大里程主墩采用鋼筋混凝土矩形空心橋墩，墩高13 m，順橋向?qū)?.0 m，直坡；橫橋向?qū)?0.0 m，直坡。小里程剛構(gòu)墩構(gòu)造如圖7所示。

圖7 剛構(gòu)墩構(gòu)造(單位：cm)

小里程主墩承臺(tái)尺寸為19.0 m(長(zhǎng))×14.0 m(寬)×5.0 m(高)，基礎(chǔ)均采用12-φ2.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)為29 m，按柱樁設(shè)計(jì)。大里程主墩承臺(tái)尺寸為19.75 m(長(zhǎng))×14.5 m(寬)×5.0 m(高)，基礎(chǔ)采用12-φ2.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)為72 m，按柱樁設(shè)計(jì)。

4.4 主要工程量指標(biāo)

本橋主梁C50混凝土用量10 430 m3，指標(biāo)31.8 m3/m；預(yù)應(yīng)力鋼筋用量788 t，指標(biāo)75.4 kg/m3；鋼材用量1 009 t，指標(biāo)11.2 t/m。

5 結(jié)構(gòu)分析

5.1 靜力分析

(1)主梁在運(yùn)營(yíng)荷載作用下的應(yīng)力、強(qiáng)度和抗裂性能分析結(jié)果分別見表3、表4。

表3 混凝土梁計(jì)算結(jié)果

表4 鋼箱梁計(jì)算結(jié)果

(2)主梁撓度

在ZK靜活載作用下主梁中跨最大撓度為100.5 mm，撓跨比為1/2 149；邊跨最大撓度為22.7 mm，撓跨比為1/4 406，梁端最大轉(zhuǎn)角為0.723‰。

(3)主墩計(jì)算結(jié)果

剛臂墩應(yīng)力和裂縫寬度的計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 橋墩計(jì)算結(jié)果

(4)工后徐變

本橋二恒上橋時(shí)間按照預(yù)應(yīng)力施加后100 d后計(jì)算，理論計(jì)算殘余徐變拱度值在3年、10年和30年后分別為24.58，32.99 mm和35.57 m。

從上述靜力計(jì)算結(jié)果可知，本橋應(yīng)力、強(qiáng)度、變形等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

5.2 動(dòng)力分析

對(duì)本橋進(jìn)行列車-橋梁時(shí)變系統(tǒng)空間振動(dòng)響應(yīng)分析，研究了在CRH3動(dòng)車組(16輛編組8動(dòng)8拖)按照200 km/h速度跑行時(shí)，高速客車的乘坐舒適性可以達(dá)到“優(yōu)秀”標(biāo)準(zhǔn)以上。結(jié)果表明：本橋具有良好的動(dòng)力特性及列車走行性，高速客車通過(guò)橋梁時(shí)的行車安全性和乘坐舒適性均滿足要求。

5.3 地震分析

本橋按照復(fù)雜A類橋梁進(jìn)行了多遇地震(反應(yīng)譜法)、設(shè)計(jì)地震(靜力法和反應(yīng)譜法)和罕遇地震(非線性時(shí)程反應(yīng)分析法)作用下的抗震驗(yàn)算，結(jié)果表明：(1)在多遇地震作用下，各墩合理偏心距最大為1.79 m，小于規(guī)范限值4 m，滿足要求；(2)在設(shè)計(jì)地震作用下，各墩支座位移均處于合理范圍，但邊墩的支座受力較靜力分析時(shí)大，需提高支座噸位，保證足夠的安全儲(chǔ)備；(3)在罕遇地震作用下，各墩最大彎矩均小于屈服彎矩，未出現(xiàn)塑性鉸；各墩最大非線性位移延性比為1.598，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的限值4.8，結(jié)構(gòu)安全。

6 施工順序

小里程側(cè)主墩基礎(chǔ)位于水中，采用雙壁鋼圍堰施工，大里程主墩位于岸邊，采用鋼板樁圍堰施工；主梁混凝土部分采用懸灌施工(邊直段采用支架現(xiàn)澆施工)，先邊跨合龍，然后施工鋼混結(jié)合段，最后橋面上整體吊裝[5]跨中77 m長(zhǎng)鋼箱梁合龍中跨[16]，張拉體外索；施工橋面附屬工程。

7 主要技術(shù)創(chuàng)新

(1)本橋?yàn)槟壳皣?guó)內(nèi)最大跨度單線鐵路梁橋，是大跨度鋼混剛構(gòu)連續(xù)梁在鐵路上的首次實(shí)踐，跨中部分采用鋼箱梁形式，減小了梁高和自重，提高了梁橋的跨越能力，為大跨度鐵路橋梁結(jié)構(gòu)提供了一種新的發(fā)展思路。

(2)跨中鋼箱梁采用整孔吊裝的施工方法，極大地縮短了工期。采用“一端先永久連接，另一端精確配切合龍”的方法進(jìn)行大尺寸、大質(zhì)量鋼箱梁的整孔吊裝合龍，很好地解決了鋼結(jié)構(gòu)之間“硬合龍”的難題。

(3)設(shè)置體外索，可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁體的后期徐變撓度的主動(dòng)控制。

(4)將墩高較矮的主墩由剛臂墩替換為帶支座的常規(guī)橋墩，減少了結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)，更有利于結(jié)構(gòu)的受力。

(5)相比于已在鐵路箱形混合梁中較為成熟的有格室前后承壓板式鋼混結(jié)合段，本項(xiàng)目采用了帶PBL連接件和剪力釘?shù)挠懈袷液蟪袎喊宸桨负芎玫貙?shí)現(xiàn)了力的順暢傳遞。同時(shí)，為防止水分滲入，還對(duì)頂?shù)装暹M(jìn)行了延伸和加長(zhǎng)。

8 結(jié)語(yǔ)

新建杭溫鐵路永嘉右行線跨甬臺(tái)溫特大橋采用(100+216+100) m鋼混剛構(gòu)連續(xù)梁橋跨越楠溪江。在該橋的設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合地理環(huán)境、建設(shè)條件、通航要求等，對(duì)橋梁形式進(jìn)行了較為詳細(xì)的比選和研究，創(chuàng)造性地將中跨跨中82 m主梁采用單箱雙室鋼箱梁替換混凝土梁，降低了梁高，增大了跨越能力?？缰袖撓淞翰糠植捎霉S制造、橋面吊機(jī)整體吊裝的方式施工，極大地縮短了工期；體外預(yù)應(yīng)力索的設(shè)置有效地減小了連續(xù)剛構(gòu)橋后期徐變變形大的問題。

該橋?yàn)閲?guó)內(nèi)外首座大跨度鋼混剛構(gòu)連續(xù)梁鐵路橋，也是目前國(guó)內(nèi)最大跨度單線鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋，為今后類似橋梁設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。大橋于2020年7月開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2024年6月正式建成通車。