公鐵混合布置大跨度斜拉橋主梁斷面形式研究
——以贛江公鐵大橋西支主橋設(shè)計(jì)為例

郭安娜，王新國(guó)，崔苗苗，周 剛

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 項(xiàng)目概況

南昌揚(yáng)子洲贛江公鐵大橋位于南昌市既有英雄大橋下游6 km處,是京港高鐵九江至南昌段和南昌市北二環(huán)跨贛江的共用通道,是一座集高速鐵路、城市快速路、城市主干道3種交通方式于一體的公鐵合建橋梁。公鐵合建段起于金山大道,跨越贛江西支、穿越揚(yáng)子洲、跨越贛江中支后,終于蔣巷西大道,全長(zhǎng)4.957 km,如圖1所示。

圖1 贛江公鐵大橋平面布置Fig.1 Layout plan of Ganjiang highway and railway bridge

贛江公鐵大橋采用公鐵混合布置,上層為雙向8車道城市快速路,設(shè)計(jì)時(shí)速80 km;下層為雙線高速鐵路+雙向4車道城市主干道,其中高速鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速350 km,城市主干道設(shè)計(jì)時(shí)速60 km。

贛江西支主橋?yàn)?48+144+320+144+48) m雙塔豎琴索面半漂浮體系斜拉橋[1],全長(zhǎng)705.7 m。立面位于6‰縱坡上,平面位于直線上。主桁采用“N”形桁式,標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長(zhǎng)16 m,桁高13 m。如圖2所示。

圖2 西支斜拉橋總體布置(單位:m)Fig.2 General layout of Xizhi cable-stayed bridge (unit: m)

2 主梁斷面設(shè)計(jì)方案

結(jié)合國(guó)內(nèi)外已建和在建公鐵合建斜拉橋截面形式[2-3],公鐵分層合建斜拉橋采用的主梁形式主要有鋼桁梁[4-5]和箱桁組合梁[6-8],桁片的數(shù)量有三桁和兩桁。例如:滬蘇通長(zhǎng)江公鐵大橋[9]主梁采用三片桁的鋼桁梁結(jié)構(gòu),下層布置4線鐵路,上層布置6車道公路;常泰長(zhǎng)江大橋[10]主梁采用兩片桁的鋼桁梁結(jié)構(gòu),下層非對(duì)稱布置2線鐵路+4車道公路,上層布置6車道公路;商合杭高鐵蕪湖長(zhǎng)江公鐵大橋[11-14]采用箱桁組合結(jié)構(gòu)鋼梁,下層布置4線鐵路,上層布置8車道公路。本項(xiàng)目采用上層8車道公路,下層對(duì)稱雙線鐵路+4車道公路的混合布置形式,在國(guó)內(nèi)外已建橋梁中尚屬首例,需要研究一種橋梁斷面既能滿足功能布置、結(jié)構(gòu)受力、高速列車線形要求,還要經(jīng)濟(jì)美觀。

本橋下層采用公鐵對(duì)稱布置,鐵路布置在中間,采用三桁斷面需調(diào)整鐵路線間距,對(duì)鐵路平面線形影響較大;四桁斷面,四片桁內(nèi)力分配復(fù)雜,兩桁帶兩豎桿斷面,桿件數(shù)量多、施工流程復(fù)雜且上層橋面寬,空間浪費(fèi);推薦采用兩桁斷面形式,重點(diǎn)比選了兩桁箱桁組合梁斷面[4,9-10]和鋼桁梁斷面[1-4]。

2.1 主梁斷面方案

2.1.1 帶挑臂雙索面箱桁組合斷面(圖3)

圖3 帶挑臂雙索 面箱桁組合斷面(單位:cm)Fig.3 Double cable surface box truss composite section with cantilever arm (unit: cm)

主梁采用兩片桁結(jié)構(gòu),桁高13 m,桁間距15.9 m。下層采用鋼箱結(jié)構(gòu),包括下弦桿在內(nèi),呈單箱多室截面,寬39 m,高2.3 m,斜拉索錨固在下層鋼箱兩側(cè),以承載荷載大的下層鐵路鋼箱梁作為主要受力結(jié)構(gòu);上層采用帶挑臂的正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu),寬33 m,高1.6 m。

2.1.2 帶挑臂單索面箱桁組合斷面(圖4)

圖4 帶挑臂單索面箱桁組合斷面(單位:cm)Fig.4 Single cable surface box truss composite section with cantilever arm (unit: cm)

主梁采用兩片桁結(jié)構(gòu),桁高13 m,桁間距15.9 m。上下層采用帶挑臂的鋼箱梁,兩片主桁由上弦桿、下弦桿、腹桿組成,上下弦桿既作為主桁傳力結(jié)構(gòu),也作為上下層鋼箱梁的腹板。為減小上層橋面寬度,避免分割車道,拉索拉在上層鋼箱梁中間,減小橋面寬度。包括弦桿、錨固腹板在內(nèi),上層鋼箱為帶挑臂的單箱五室截面,寬36.6 m,高2.3 m;下層鋼箱為帶挑臂的單箱四室截面,寬35.5 m,高2.3 m。斜拉索錨固在上層鋼箱中央。

2.1.3 矩形箱桁組合斷面(圖5)

圖5 矩形箱桁組合斷面(單位:cm)Fig.5 Rectangular box truss composite section (unit: cm)

主梁采用兩片桁結(jié)構(gòu),桁高13 m,桁間距38.6 m,上下層同寬度,下層采用鋼箱作為整體橋面,寬39.8 m,高2.2 m;上層采用正交異性整體鋼橋面板,寬39.8 m,高1.6 m,上下橋面均參與主桁共同受力。斜拉索錨固在上層橋面兩側(cè)上弦桿。

2.1.4 矩形鋼桁梁斷面(圖6)

圖6 矩形鋼桁梁斷面(單位:cm)Fig.6 Section of rectangular steel truss beam (unit: cm)

主梁采用兩片桁結(jié)構(gòu),桁高13 m,桁間距38.6 m,上下層同寬度,下層采用正交異形板,寬39.8 m,高1.8 m,梁端5個(gè)節(jié)間軌底小縱梁和節(jié)點(diǎn)橫梁需加強(qiáng)。采用正交異形板,寬39.8 m,高1.6 m,上下橋面均參與主桁共同受力。斜拉索錨固在上層橋面兩側(cè)上弦桿。

2.2 主梁方案比選

4種斷面中,方案三和方案四斷面形式在已建橋梁中已經(jīng)得到應(yīng)用,方案一和方案二是首次提出,對(duì)這4種斷面進(jìn)行橋面布置、結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)營(yíng)安全、景觀性綜合比較,如表1所示。

表1 各方案主梁斷面對(duì)比Table 1 Comparison of main beam sections of various schemes

橋面布置方面,方案三和方案四受下層空間布置要求,上層橋面寬39.8 m,上層橋面空間有浪費(fèi)。

結(jié)構(gòu)受力方面,4個(gè)方案豎向剛度及橫向剛度均較大,方案一梁端轉(zhuǎn)角和梁端豎向變形最小,無砟軌道適應(yīng)性好;方案一和方案二腹桿面外彎矩最小,腹桿受力更合理,方案一雙索面相比于方案二單索面一階扭轉(zhuǎn)頻率更高。

經(jīng)濟(jì)性方面,方案一主梁和斜拉索數(shù)量最小,經(jīng)濟(jì)性好。

公鐵運(yùn)營(yíng)安全方面,4個(gè)方案鐵路中心線到公路路緣帶邊緣距離一致,方案一和方案二公鐵物理分離,行車干擾相對(duì)最小。

景觀性方面,方案一和方案二上下層公路行車視野好,景觀性好。

綜上所述,綜合考慮結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、制造安裝、景觀、經(jīng)濟(jì)性等,斜拉橋主梁斷面推薦采用方案一雙索面帶挑臂箱桁組合梁方案。

3 索梁錨固形式

目前斜拉橋常用的索梁錨固形式有錨拉板式[15-16]和鋼錨箱式[17-19]兩種。該橋單根斜拉索索力較大(單根斜拉索最大索力16 000 kN),對(duì)錨拉板和鋼錨箱式兩種構(gòu)造形式進(jìn)行比選研究。兩種錨固形式對(duì)比見表2。

表2 索梁錨固形式對(duì)比Table 2 Comparison of cable beam anchorage forms

從表2中可以看出,鋼錨箱索梁錨固形式利用多個(gè)傳力板與雙腹板結(jié)構(gòu)傳遞索力,板件尺寸厚度更小,受力合理,應(yīng)力水平低且經(jīng)濟(jì)性好,因此采用鋼錨箱方案。

4 帶挑臂箱桁組合斷面設(shè)計(jì)

4.1 主梁構(gòu)造

主梁為帶挑臂箱桁組合結(jié)構(gòu),兩片主桁,“N”形桁,桁間距16 m,主桁橫向間距15.9 m,桁高13.0 m,上層橋面總寬33.0 m,下層橋面總寬39.0 m,橫橋向設(shè)2%的“人”字形橫坡。主梁斷面見圖7。

圖7 帶挑臂雙索面箱桁組合斷面(單位:cm)Fig.7 Double cable surface box truss composite section with cantilever arm (unit:cm)

主桁由上弦桿、下弦桿、斜腹桿等組成。其中上、下弦桿均采用箱形截面,上弦桿內(nèi)寬1.2 m、內(nèi)高1.6 m,下弦桿內(nèi)寬1.2 m、內(nèi)高2.3 m。斜腹桿和豎桿采用H形、“王”形或箱形截面,桿件內(nèi)寬1.2 m。

上層公路橋面采用密橫梁體系的正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu),弦桿高1.6 m,兩側(cè)挑臂寬7.95 m,順橋向每隔2.8 m/2.6 m設(shè)一道橫梁。

下層橋面采用兩側(cè)帶挑臂的整體鋼箱結(jié)構(gòu),箱高2.3 m,中間鋼箱寬15.9 m,兩側(cè)挑臂寬10.95 m,順橋向每隔2.6 m/2.8 m設(shè)一道橫隔板;斜拉索錨固在下層鋼箱梁兩側(cè),索梁錨固采用鋼錨箱。

4.2.2 堅(jiān)持正確輿論導(dǎo)向樹立從醫(yī)信心。各種醫(yī)患關(guān)系都可能發(fā)生在醫(yī)療過程中，媒體在報(bào)道過程中，要從多方面進(jìn)行醫(yī)院和患者的溝通，為合理解決醫(yī)患問題構(gòu)建溝通的橋梁，減少各種醫(yī)患糾紛造成的不良影響，堅(jiān)持正確的輿論導(dǎo)向，對(duì)提高醫(yī)學(xué)生從醫(yī)信心會(huì)產(chǎn)生至關(guān)重要的作用。

4.2 主梁縱向計(jì)算結(jié)果

活載作用下主跨豎向撓跨比1/1 238,梁端轉(zhuǎn)角為0.57‰rad。有車風(fēng)作用下主梁橫向位移32.2 mm,橫向撓跨比1/9 936。活載作用下梁端鋼軌處豎向位移0.71 mm。

主力作用下,上弦桿最大應(yīng)力138 MPa,上層橋面系135 MPa,下弦桿129 MPa,下層橋面系142 MPa,腹桿183 MPa;主加附作用下,上弦桿最大應(yīng)力161 MPa,上層橋面系154 MPa,下弦桿146 MPa,下層橋面系143 MPa,腹桿213 MPa。

4.3 主梁橫梁檢算

本橋主梁橫向?qū)挾冗_(dá)到了39.0 m,上層橋面挑臂長(zhǎng)7.95 m,下層10.45 m,城市內(nèi)超載車輛較多,需要對(duì)橫向受力進(jìn)行重點(diǎn)檢算[18-19]。

4.3.1 橫梁設(shè)計(jì)

上層懸挑結(jié)構(gòu)懸臂長(zhǎng)度為7.95 m,順橋向每隔2.6 m/2.8 m設(shè)一道倒T形橫肋(梁),節(jié)點(diǎn)橫梁:挑臂橫梁高1 000～1 600 mm,腹板厚20 mm,翼緣寬720 mm,厚32 mm。節(jié)間橫梁:挑臂橫梁高1 000～1 600 mm,腹板厚16 mm,翼緣寬560 mm,厚28 mm。

中間橋面采用整體鋼箱,頂板厚度16 mm,U肋加勁,底板厚度16 mm,I肋加勁,橫隔板16 mm。

4.3.2 計(jì)算模型

4.3.3 計(jì)算結(jié)果

(1)上橫梁

在挑臂上作用超載車輛,上層挑臂下?lián)?3.9 mm,設(shè)計(jì)荷載車輛作用下,下?lián)?1.2 mm,桁架中間橫梁下?lián)?.3 mm。上橫梁豎向位移見表3。

表3 上橫梁豎向位移 mmTable 3 Vertical displacement of upper crossbeam

在超載車輛作用下,上橫梁最大應(yīng)力164 MPa,設(shè)計(jì)荷載作用下應(yīng)力為140.2 MPa。上橫梁應(yīng)力見表4。

表4 上橫梁應(yīng)力水平 MPaTable 4 Stress level of upper crossbeam

(2)下橫梁

下層橋面板斜拉索處約束在活載作用下,跨中下?lián)?9.0 mm,支座處約束在活載作用下,跨中下?lián)?.65 mm,汽車設(shè)計(jì)活載作用下,挑臂下?lián)?.6 mm。下橫梁豎向位移見表5。

下橫隔板在恒載+超載車輛作用下最大應(yīng)力為163.5 MPa,在恒載+設(shè)計(jì)荷載作用下應(yīng)力為153.3 MPa。下橫梁應(yīng)力水平見表6。

表6 下橫梁應(yīng)力水平 MPaTable 6 Stress level of lower crossbeam

該橋梁主梁斷面強(qiáng)度、剛度滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

贛江公鐵兩用大橋西支主橋?yàn)?48+144+320+144+48) m雙塔豎琴索面半漂浮體系斜拉橋,該橋上層布置8車道公路,下層對(duì)稱布置雙線鐵路+4車道公路,這種車道布置形式在國(guó)內(nèi)外已建橋梁中尚屬首例,為選擇合理主梁斷面形式,開展斷面形式研究并得出以下結(jié)論。

(1)帶挑臂雙索面箱桁組合斷面橋面空間布置合理、下層公鐵行車干擾小、梁端豎向變形最小、經(jīng)濟(jì)性好,是一種適應(yīng)公鐵混合布置大跨度斜拉橋主梁斷面形式。

(2)該橋斜拉索最大索力16 000 kN,錨固在下層鋼箱梁兩側(cè),鋼錨箱形式更適應(yīng)于該主梁斷面。

(3)通過結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì)、縱橫向計(jì)算分析,帶挑臂雙索面箱桁組合斷面強(qiáng)度、剛度滿足規(guī)范要求。