高速鐵路大跨度混合梁連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

楊欣然,王淑敏,馬辰龍

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300308)

1 工程概況

新建廣湛高鐵位于廣東省境內(nèi)，線路東接廣州樞紐，西連湛江樞紐，是國家“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)和沿海鐵路客運大通道的重要組成部分。廣湛高鐵沿線途經(jīng)珠江水系和南?；浳餮睾Ｋ?，共跨越通航河流11條，其中，西江為Ⅰ級航道，采用跨度為(109+2×200+109)m的混合梁連續(xù)剛構(gòu)跨越主航道，與并行的廣明高速公路富灣特大橋基礎(chǔ)凈距僅36.3 m，廣湛高鐵西江主橋橋梁效果圖如圖1所示。

圖1 廣湛高鐵西江主橋效果圖(近處為廣湛高鐵)

2 主橋總體設(shè)計

2.1 主橋總體布置

廣湛高鐵西江主橋與既有廣明高速公路富灣特大橋(112+2×200+112)m連續(xù)剛構(gòu)主跨對孔布置，跨度布置為(109+2×200+109)m，結(jié)構(gòu)形式采用混合梁連續(xù)剛構(gòu)，主橋全長620 m(包含支座中心距梁端0.8 m和主橋側(cè)梁縫0.2 m)。主橋3個主墩分別與主梁固結(jié)，形成剛構(gòu)體系，邊墩與主梁之間設(shè)置縱向活動支座。3個主墩墩高41 m，均采用雙薄壁墩，壁厚2.5 m，雙壁中心距10 m。

主梁中支點梁高15 m，主墩墩高41 m，總橋高56 m，勘測期間水深約15.5 m，施工水深按十年一遇考慮，水深約22 m，主橋總體布置如圖2所示。

圖2 廣湛高鐵西江主橋總體布置(單位：cm)

2.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)設(shè)計速度：設(shè)計最高行車速度350 km/h。

(2)線路情況：直線平坡；雙線，線間距5.0 m。

(3)軌道類型：雙塊式無砟軌道。

(4)設(shè)計使用年限：正常使用條件下結(jié)構(gòu)設(shè)計使用壽命為100年。

(5)地震烈度：橋址處設(shè)計地震動峰值加速度0.15g，特征周期0.6 s；罕遇地震動峰值加速度0.28g，特征周期0.6 s。

3 混合梁設(shè)計

3.1 混合梁構(gòu)造

調(diào)研我國近年來已建成的大跨度鐵路混凝土連續(xù)剛構(gòu)(梁)橋，跨度大多在200 m以下。隨著跨度增大，結(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟性下降，且跨中下?lián)显龃螅荒苓m應(yīng)高速鐵路行車平順性要求，需設(shè)置梁上加勁結(jié)構(gòu)，如連續(xù)梁拱組合橋、矮塔斜拉橋等[1]，導(dǎo)致造價增加，同時帶來吊桿、拉索等構(gòu)件的養(yǎng)護、維修、更換工作量增大。

經(jīng)研究比選，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁+鋼混結(jié)合梁的混合梁[2]。中跨和邊跨部分梁段采用鋼混結(jié)合梁，可以減輕結(jié)構(gòu)自重，降低主梁彎矩和剪力，減小因混凝土收縮徐變對結(jié)構(gòu)后期變形的影響，改善結(jié)構(gòu)受力和高速行車條件[3]。

混凝土梁和鋼混結(jié)合梁的連接構(gòu)造是該混合梁的關(guān)鍵部位，原則上宜將接頭構(gòu)造設(shè)置在主梁的彎矩零點[4]。根據(jù)計算比選，中跨鋼混結(jié)合梁段長75 m，邊跨鋼混結(jié)合梁段長47.3 m，其余區(qū)段為預(yù)應(yīng)力混凝土梁?；炷林髁杭敖Y(jié)合梁橋面板采用C55混凝土，結(jié)合梁鋼梁采用Q345qD。

主梁中支點處混凝土梁高15 m，中支點等高段長12 m[5]；邊支點及主跨跨中梁高7.2 m，主跨等高段長78 m，邊跨等高段長48.8 m；變高段梁底曲線按二次拋物線變化。

混凝土箱梁橋面寬12.6 m，采用單箱單室直腹板截面，箱寬9.5 m。箱梁頂板厚67 cm，底板厚50～120 cm，腹板厚60～120 cm，按線性變化。主梁0號段長17 m，各懸澆段長2.5～4.0 m，共16個懸澆段?；炷料淞喊慈蝾A(yù)應(yīng)力設(shè)計。

鋼混結(jié)合梁的混凝土橋面板寬12.6 m，鋼箱寬9.5 m，總高7.2 m，其中，混凝土橋面板厚0.35 m，砂漿墊層厚0.02 m，鋼梁高6.83 m。如圖3所示。

圖3 主梁橫斷面(單位：mm)

3.2 混合梁計算結(jié)果

采用MIDAS程序進行計算，建立全橋縱向模型，按照施工、運營階段，分別計算恒載、活載、附加力荷載作用下混凝土梁及鋼混組合梁的第一體系應(yīng)力。建立鋼混結(jié)合梁的局部板單元模型讀取鋼梁第二體系應(yīng)力，將第一體系應(yīng)力與第二體系應(yīng)力疊加得鋼梁應(yīng)力。結(jié)果表明，主梁變形、強度及應(yīng)力均滿足要求。主梁徐變變形及限值見表1，預(yù)應(yīng)力混凝土梁主要計算結(jié)果及限值見表2，鋼混結(jié)合梁主要計算結(jié)果及限值見表3。

表1 主梁殘余徐變變形 mm

表2 混凝土梁主要計算結(jié)果

表3 鋼混結(jié)合梁主要計算結(jié)果 MPa

4 混合梁關(guān)鍵技術(shù)

廣湛高鐵西江主橋采用的混合梁連續(xù)剛構(gòu)體系為首次在高速鐵路中應(yīng)用，橋體設(shè)計及建造有必要開展系統(tǒng)研究，以支撐該橋高質(zhì)量建設(shè)。

4.1 鋼混結(jié)合梁關(guān)鍵構(gòu)造

4.1.1 截面比選

根據(jù)主梁結(jié)構(gòu)受力特點，鋼混結(jié)合梁位于主梁正彎矩區(qū)段，混凝土板處于受壓區(qū)，可以充分發(fā)揮材料特點。對于鋼結(jié)構(gòu)部分，對不同加勁肋形式的正交異性鋼橋面閉口鋼箱梁[6-7]、開口槽形鋼梁進行計算對比。結(jié)果顯示，在相同梁高、相同箱寬、相同混凝土橋面板厚度的條件下，開口槽形鋼箱結(jié)合梁的靜活載梁端轉(zhuǎn)角、撓跨比及殘余徐變，與閉口鋼箱結(jié)合梁的結(jié)果指標(biāo)基本持平，但從用鋼量來看，前者比后者減少20.6%。綜上所述，主梁鋼混結(jié)合梁區(qū)段采用槽形鋼梁+厚35 cm混凝土板的結(jié)合梁形式，技術(shù)經(jīng)濟性得到極大改善。

4.1.2 鋼梁超高腹板設(shè)計

在梁式結(jié)構(gòu)中，腹板為抗剪主體，翼緣板為抗彎主體，故腹板厚度在滿足抗剪需要的條件下，一般不會為滿足板件穩(wěn)定而加厚[8]。西江主橋鋼-混結(jié)合梁的鋼梁高6 830 mm，腹板厚16 mm，腹板高厚比達427，超出了TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第8.0.6條設(shè)1道水平加勁肋的最大高厚比250，以及Q/CR 9300—2018《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范(極限狀態(tài)法)》第8.3.10條設(shè)2道加勁肋的最大高厚比300，屬于超高腹板。設(shè)計超高腹板局部穩(wěn)定時，必須考慮在布置豎向加勁肋的同時，采用多條水平肋加勁[8]，按每個板塊分別檢算穩(wěn)定性。超高腹板結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

圖4 超高腹板加勁肋布置(單位：mm)

4.1.3 橫隔板構(gòu)造

結(jié)合梁的橫隔板在未澆筑或安裝混凝土橋面板之前，用來提高上翼緣的穩(wěn)定性，以及提高結(jié)構(gòu)抵抗橫向荷載的能力，橫隔板必須具有一定的承載能力和剛度，以提供有效的支撐和約束。鐵路結(jié)合梁橫隔板常用實體板式或框架式結(jié)構(gòu)，其中，實體式隔板剛度較大，由于西江橋鋼梁高6 830 mm，為滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，隔板需加厚，經(jīng)濟性較差；而框架式隔板剛度較小，支撐和約束效果較小，對混凝土橋面板受力不利。為使橫隔板具有較大剛度，又兼具經(jīng)濟性，西江主橋結(jié)合梁采用了桁架式空腹橫隔板形式，如圖5所示。

圖5 橫隔板構(gòu)造(單位：mm)

通過上述3種橫隔板方案的計算對比可知，隔板所提供支撐剛度越大，混凝土橋面板變形越小，橋面板下緣拉應(yīng)力也越??；但隔板剛度越大，隔板上方橋面板順橋向拉應(yīng)力也越大。綜合分析，西江主橋結(jié)合梁采用桁架式空腹橫隔板，鋼梁內(nèi)每隔3 m設(shè)置1道。

4.2 混合梁結(jié)合部構(gòu)造

4.2.1 結(jié)合部構(gòu)造形式

鋼-混結(jié)合部是混凝土梁與結(jié)合梁的連接部位，也是混合梁的關(guān)鍵部位之一[9]。對于以彎剪為主、軸力較小的混合梁段，適合采用部分截面連接承壓傳剪式，依靠承壓鋼板以承壓的方式和水平抗剪連接件以水平剪力的方式共同傳遞梁軸力。

石板坡大橋作為當(dāng)時世界最大跨徑梁式橋，建成運營已有15年，說明有隔室后承壓板式結(jié)合部在特大跨徑梁式橋中有較好的適用性。廣湛高鐵西江主橋作為目前跨徑最大的高鐵混合梁剛構(gòu)橋，設(shè)計過程中借鑒了石板坡大橋建設(shè)的有益成果，主梁鋼混結(jié)合部采用了有隔室承壓板式結(jié)構(gòu)，并結(jié)合鐵路橋梁剛度大、承載力高的特點，對鋼混結(jié)合部進行了適當(dāng)加長及改進，以提高其安全儲備及剛度過渡平穩(wěn)性。本橋為鋼混結(jié)合梁與混凝土梁連接，鋼混結(jié)合部頂面的混凝土橋面板及其內(nèi)部鋼筋與兩側(cè)的混凝土梁和鋼混結(jié)合梁連續(xù)貫通，整體性增強。在結(jié)合部的鋼梁側(cè)對應(yīng)混凝土梁頂板、底板、腹板范圍設(shè)計多個隔室，在隔室內(nèi)填充混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼束穿過隔室混凝土錨固在承壓板，將鋼梁與混凝土梁連接成整體。豎向剪力由混凝土斷面和連接于承壓鋼板的豎向抗剪連接件傳遞。該方式剛度過渡均勻，應(yīng)力擴散好[10]。

根據(jù)本橋截面形式特點，為提高鋼-混接頭的水平抗剪能力和接頭處鋼梁剛度，接頭構(gòu)造處鋼梁頂板由開口過渡為閉口形式，頂板設(shè)變高T肋[11]。接頭處鋼梁頂板、底板、腹板向內(nèi)側(cè)做成雙壁板，在雙壁板內(nèi)部設(shè)PBL剪力鍵和剪力釘，形成鋼隔室[12]，鋼隔室縱向長2.5 m。在鋼隔室填充纖維混凝土，通過兩端分別錨固于鋼梁結(jié)合段承壓板和混凝土梁頂、底、腹板齒塊的預(yù)應(yīng)力鋼束，使鋼箱梁與混凝土梁緊密結(jié)合[13]。由于混凝土主梁的截面尺寸比結(jié)合梁鋼梁截面大，因此，采用鋼梁埋入混凝土的方式，鋼梁伸入混凝土主梁1.5 m。鋼-混接頭構(gòu)造的承壓板以外鋼梁剛度過渡段長3.0 m，鋼梁過渡段頂板逐漸由閉口過渡為開口，過渡段內(nèi)頂、底板加勁肋采用變高T肋。接頭區(qū)域總長為2.5 m+1.5 m+3.0 m=7.0 m，如圖6所示。

圖6 鋼-混接頭構(gòu)造(單位：mm)

4.2.2 接頭構(gòu)造受力分析

鋼-混接頭構(gòu)造采用MIDAS FEA建模，鋼梁采用2D板單元模擬，混凝土梁采用3D實體單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼束采用鋼筋單元施加張拉應(yīng)力模擬[14]?；炷林髁耗Ｐ妥杂啥嗣婀?jié)點固結(jié)，鋼箱梁模型自由端面設(shè)置剛性域，并施加從主橋整體計算模型提取的內(nèi)力[15]。

鋼梁剛度過渡段T形加勁肋和鋼-混結(jié)合段鋼隔室有效應(yīng)力最大為198.4 MPa，承壓板有效應(yīng)力最大為111 MPa，出現(xiàn)在縱向預(yù)應(yīng)力鋼束錨固位置。鋼-混結(jié)合段鋼板件與混凝土協(xié)同變形，接頭構(gòu)造整體性好，混凝土處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為13.2 MPa。

5 主橋施工方案

5.1 混凝土梁施工方案

墩頂混凝土梁0號塊在墩旁托架上澆筑，其余混凝土節(jié)段采用掛籃懸臂澆筑。0號塊長17 m，混凝土數(shù)量為1 685 m3。其余混凝土梁共分為16個懸澆段，其中，1、2號梁段長2.5 m，3～7號梁段長3 m，8～11號梁段長3.5 m，12～16號梁段長4 m，掛籃及模板質(zhì)量按200 t計。

5.2 鋼混結(jié)合梁段施工方案

(1)鋼梁節(jié)段在工廠加工制造，分段運至現(xiàn)場，在岸上搭設(shè)拼裝平臺將鋼梁節(jié)段拼裝成整體。

(2)混凝土梁懸澆完成后，在懸臂端部安裝鋼-混接頭及鋼梁過渡段，澆筑結(jié)合段鋼隔室內(nèi)混凝土，張拉連接預(yù)應(yīng)力鋼束[16]。

(3)在混凝土T構(gòu)的邊跨懸臂端下方搭設(shè)臨時墩，使用駁船將邊跨鋼梁運輸?shù)轿?，利用浮吊?cè)面站位將邊跨鋼梁整體吊上臨時墩及邊墩，在臨時墩頂與鋼-混接頭的鋼梁過渡段端頭全截面焊接合龍。

(4)使用駁船將兩個主跨鋼梁分別運輸?shù)轿?，混凝土T構(gòu)的中跨懸臂端安裝提升架，整體提升中跨鋼梁，起吊至設(shè)計高程后，與鋼-混接頭的鋼梁過渡段端頭臨時鎖定，完成兩主跨的鋼-混接頭施工，全橋合龍。

(5)結(jié)合梁段的混凝土橋面板采用分塊預(yù)制，放置時間不少于6個月。待鋼梁安裝完畢后，吊裝預(yù)制板并進行濕接縫現(xiàn)澆?；炷翗蛎姘搴淆埡螅瑥埨鍍?nèi)縱向預(yù)應(yīng)力。

5.3 施工技術(shù)難點

(1)混凝土梁最后一個懸澆段與鋼-混結(jié)合部一起懸臂施工，結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、節(jié)段長，對掛籃的強度、穩(wěn)定、剛度要求高，設(shè)計掛籃時需特別注意。

(2)鋼-混結(jié)合段的安裝定位準(zhǔn)確性、鋼隔室內(nèi)混凝土灌注密實度對結(jié)構(gòu)安全具有較大影響，是施工的重點和難點。

(3)鋼梁采用整體吊裝施工，需采用大型浮吊、橋面吊架等大型機械設(shè)備，施工風(fēng)險性較大，須做好施工控制和應(yīng)急預(yù)案。

(4)大節(jié)段鋼梁與鋼-混結(jié)合段對位合龍，須采取必要措施保證對位準(zhǔn)確，施工難度大。

6 風(fēng)-車-橋耦合動力仿真分析

據(jù)統(tǒng)計，佛山市受熱帶氣旋影響年平均1～2次，佛山市從4—12月均會受熱帶氣旋影響，7—9月受熱帶氣旋影響次數(shù)占全年的75%，最大風(fēng)速28.1 m/s。

對于橋梁的抗風(fēng)設(shè)計，應(yīng)首先保證橋梁結(jié)構(gòu)本身在風(fēng)荷載作用下具有良好的空氣動力穩(wěn)定性，使其臨界風(fēng)速大于該橋在一定保證率下橋面上可能達到的最大風(fēng)速。對于鐵路橋梁，在橋面某一量級脈動風(fēng)作用下(有車風(fēng)壓)的列車-橋梁系統(tǒng)動力響應(yīng)分析，以保證列車過橋時具有足夠的安全度和一定的舒適性，也是橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的一個重要內(nèi)容。

考慮“徐變+降溫”工況為車-橋系統(tǒng)的最不利工況[17-18]，在此工況基礎(chǔ)上進行了風(fēng)-車-橋系統(tǒng)耦合動力仿真計算與分析研究。滿足列車走行性要求的橋面平均風(fēng)速-車速閾值如表4所示，達到了我國《鐵路客運專線技術(shù)管理辦法》(試行)對強風(fēng)時動車組列車遇大風(fēng)行車限速的相關(guān)規(guī)定，表明該橋具有足夠的剛度，使其不會成為影響全線列車運行速度的控制節(jié)點。

表4 滿足列車走行性要求的橋面平均風(fēng)速-車速閾值

7 結(jié)語

廣湛高鐵采用(109+2×200+109)m混合梁連續(xù)剛構(gòu)跨越西江主航道，為高鐵混合梁剛構(gòu)橋最大跨徑橋梁，混合梁形式減輕了梁體自重，減小了大跨連續(xù)剛構(gòu)殘余徐變變形，符合大跨徑剛構(gòu)橋發(fā)展趨勢。通過對鋼梁截面分析比選，采用了充分利用材料受力性能、經(jīng)濟性好的槽形鋼箱混凝土結(jié)合梁。鋼混結(jié)合梁的鋼梁為超高腹板開口鋼箱截面，采用布置多條水平加勁肋解決了高腹板穩(wěn)定問題。高槽形鋼梁內(nèi)采用空腹桁架式橫隔板，使橫隔板具有較大剛度，同時節(jié)省了用鋼量。

鋼混結(jié)合段為鋼主梁與預(yù)應(yīng)力混凝土主梁的連接構(gòu)造，是混合梁橋關(guān)鍵傳力部位，針對列車荷載大、易疲勞的特點，設(shè)置在主梁受力較小位置是合適的。經(jīng)研究，鋼混結(jié)合段采用了傳力效果好的有格室后承壓板式結(jié)合部構(gòu)造，并對結(jié)合段做了加長處理，使橋梁剛度過渡更加勻順。

建造方案推薦采用掛籃懸臂澆筑混凝土梁，鋼梁采用整體吊裝安裝，混凝土橋面板采用分塊預(yù)制，可有效保證施工工期。西江主橋于2021年6月開始施工，計劃2023年12月底合龍。