客運專線四線雙桁鋼桁連續(xù)梁橋面系設計

戴勝勇，艾宗良，楊善奎

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

1 工程概述

南昌樞紐向蒲引入東新贛江鐵路橋于南昌市郊跨越贛江，全長為27 303.68 m，其中跨江段長1 895.88 m，該橋主橋主要受贛江通航凈空控制。橋位處贛江通航等級為Ⅱ-3級航道，要求單向通航孔凈寬不小于105 m，雙向通航孔凈寬不小于180 m。擬建杭南長客運專線與向蒲線共用一個橋位，為節(jié)省投資，避免重復建設造成浪費，杭南長、向蒲線四線主橋一次建成，本橋采用四線雙桁(126+196+126)m連續(xù)鋼桁梁跨越贛江主航道。我國在建或擬建大跨度四線合建鐵路橋目前有武漢天興洲、南京大勝關(guān)、濟南黃河橋等。其中武漢天興洲、南京大勝關(guān)均采用4線3桁結(jié)構(gòu)體系，僅濟南黃河橋采用的是4線2桁結(jié)構(gòu)體系，而且濟南黃河橋為主跨168 m連續(xù)梁—拱組合(剛性梁—柔性拱)體系。因此，如此大跨度的四線合建2桁鋼桁連續(xù)梁在我國尚屬首次應用。

2 主橋結(jié)構(gòu)形式

主橋(126+196+126)m下承式連續(xù)鋼桁梁采用有豎桿平行弦N形桁、中間支點采用上弦加勁桁式，并以二次拋物線過渡，桁高19 m，支點加高16 m，節(jié)間長度14 m，主桁中心距為30.0 m，豎向腹桿橫斷面平面內(nèi)設吊桿和K撐，見圖1～圖3。

圖1 主桁桁式結(jié)構(gòu)

圖2 全橋三維示意

圖3 橫聯(lián)結(jié)構(gòu)形式

3 橋面系結(jié)構(gòu)形式的比較

對于客運專線鐵路鋼橋橋面構(gòu)造，可供選擇的橋面系方案主要有以下4種:①非結(jié)合梁;②半結(jié)合梁;③全結(jié)合梁;④正交異性板。上述4種橋面系構(gòu)造的主要部件及受力特點見表1。

表1 各橋面系方案的主要特點

非結(jié)合梁橋面的主要優(yōu)缺點有:①橫梁受力較大，在外縱梁處應力有突變;②混凝土板可能開裂，可能導致鋼構(gòu)件銹蝕。

半結(jié)合梁橋面的主要優(yōu)缺點有:①因取消了下平縱聯(lián)，混凝土板提供了較大的橫向剛度，可以不設下平縱聯(lián)，使鋼桁梁構(gòu)造簡單，降低了制造難度;②能夠減小噪聲;③造價經(jīng)濟;④可致混凝土板開裂，導致剪力釘和橫梁銹蝕。而剪力釘和橫梁銹蝕后的處理非常困難。

全結(jié)合梁橋面的主要優(yōu)缺點有:①橋面板既承擔局部荷載，又在整體中作為主梁截面的有效部分，且能代替平縱聯(lián)，比較經(jīng)濟合理。②結(jié)構(gòu)的豎向剛度和橫向剛度大。③橫梁面外彎曲應力相對較小。④便于適應彎道超高，能較好地承受離心力。⑤橋面板的拉應力較大，容易開裂。⑥下弦節(jié)點處的防水較困難。⑦在全結(jié)合梁橋面中，橋面系與主桁下弦桿(或系梁)縱向剛度的如何分配以及變形的協(xié)調(diào)問題，涉及到橫梁面外彎曲和混凝土板中拉應力的大小，直接影響結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟合理性。⑧橋面變形控制問題。結(jié)合梁中整體道床(無砟軌道)的應用涉及到橋面變形控制，包括前期施工中橋面變形控制和后期混凝土徐變控制。前期變形雖然可以用混凝土厚度來調(diào)整，但不能太大。后期變形雖然肯定優(yōu)于混凝土橋，但由于結(jié)合梁橋通?？缍榷驾^大，后期徐變不可忽視。

對正交異性板橋面，往往有3種類型:①由縱梁、橫梁、橫肋(橫隔板)支承的鋼橋面板體系;②由縱梁、橫梁支承的正交異性鋼橋面板系;③下弦桿和鋼橋面板結(jié)合的密橫梁鋼橋面板體系。

密橫梁鋼橋面板體系與密橫梁混凝土橋面板體系結(jié)構(gòu)相似，不同之處是把混凝土板改為鋼板，而且鋼橋面板與主桁下弦桿栓接，參與鋼桁梁整體受力。鋼橋面板沒有混凝土橋面板的伸縮問題、而且溫度伸縮系數(shù)與主桁一致，橫梁面外彎曲效應有所減弱。鋼橋面板橫向與下弦桿栓接，可以分擔下弦桿的一部分拉力，一定程度上可以減小下弦桿的截面尺寸。

采用正交異性橋面板的主要優(yōu)點有:①受力合理，節(jié)約鋼材，正交異性板用于實腹梁橋時，正交異性板還可以充實腹梁的上翼緣，既增加了梁的剛度，使橋的建筑高度減小，又節(jié)約了鋼材(節(jié)省了專用于上翼緣的材料)。②重量輕，對軟弱地基和抗地震有利。③施工工期短。④維修養(yǎng)護方便。

正交異性橋面板的主要缺點也是明顯的，主要有:①噪聲大;②制造安裝麻煩;③正交異性板焊縫多，有可能出現(xiàn)疲勞開裂。

從以上的分析可以看出，各種結(jié)構(gòu)形式的鐵路鋼橋橋面構(gòu)造，具有各自的優(yōu)缺點。在實際橋梁設計中，對橋面系構(gòu)造進行選擇時，需要考慮的因素有①設計壽命，②橋?qū)挘鄢休d能力，④跨度，⑤養(yǎng)護維修，以進行綜合評價，得到最優(yōu)橋面結(jié)構(gòu)形式。

針對東新贛江特大橋，初期設計考慮結(jié)合梁和正交異性板兩種方案。由于本橋結(jié)構(gòu)跨度大，傳力途徑復雜，且下弦承受較大拉應力(不同于天興洲橋等斜拉橋的下弦桿受力特性)。若采用混凝土板，勢必拉應力過大，出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象，并且導致主桁用鋼量增加。分析研究表明，采用半結(jié)合梁或正交異性鋼橋面板的鋼桁連續(xù)梁豎向、橫向剛度均可滿足設計要求。半結(jié)合梁橋面板經(jīng)濟上具有一定的優(yōu)勢，但隨跨度的增加橋面板(縱梁)須設斷縫，構(gòu)造細節(jié)復雜，在大跨度鋼桁梁結(jié)構(gòu)上，正交異性鋼橋面板技術(shù)上更加成熟，同時正交異性板橋面系既能減小結(jié)構(gòu)自重，減少主桁用鋼梁，又具有良好的耐久性。因此，本橋采用正交異性鋼橋面板是合理可行的。

4 正交異性鋼橋面板方案的選擇

針對東新贛江特大橋四線雙桁的構(gòu)造特點，在采用正交異性鋼橋面板時，設計中擬定了“大縱梁、大橫梁體系”及“密橫梁體系”兩種正交異性板橋面結(jié)構(gòu)形式進行比較分析。

4.1 兩種方案介紹

1)方案一:大縱梁、大橫梁體系

僅在每節(jié)間主桁節(jié)點處設置一根大橫梁，每線鐵路下方設置兩根大縱梁，全橋設置八道，縱梁跨度與節(jié)間長度相同。正交異性鋼橋面板和主桁的下弦桿焊連，主桁的箱形弦桿的上水平板加寬400 mm，與厚16 mm的橋面板進行對焊(如圖4)。

2)方案二:密橫梁體系

每節(jié)間主桁節(jié)點處設置一根大橫梁，每節(jié)間范圍內(nèi)增設3根次橫梁，次橫梁間距3.5 m;每線鐵路下方設置兩根大縱梁，全橋設置八道。正交異性鋼橋面板厚16 mm，與箱形下弦桿的上水平板焊連(如圖5)。

圖4 方案一:縱橫梁示意

圖5 方案二:密橫梁示意

4.2 兩個方案比選

1)靜力性能比較

采用有限元分析軟件MIDAS，對兩個方案在主力組合作用下腹桿、上下弦桿的內(nèi)力、各桿件截面最大應力及變形進行了計算和對比分析，主要結(jié)果列出如表2～表5所示。

從表2～表5可以看出:

①腹桿為面內(nèi)及面外的拉彎或壓彎構(gòu)件，方案二支座附近腹桿的最大面外彎矩比方案一略小，但其他位置的腹桿，方案一的最大面外彎矩比方案二明顯偏小。

②上弦桿主要為面內(nèi)的拉彎或壓彎構(gòu)件，方案一的最大軸力及彎矩都比方案二略小。

③下弦桿面外彎矩比較小，主要為面內(nèi)的拉彎或壓彎構(gòu)件，方案一的面內(nèi)彎矩及扭矩明顯比方案二小，尤其是扭矩，方案二明顯增大。

表2 主力組合腹桿最大內(nèi)力

表3 主力組合弦桿最大內(nèi)力

表4 主力組合各構(gòu)件截面最大應力

表5 主力組合變形情況表

2)動力特性比較

采用有限元分析軟件MIDAS，對兩個方案的自振頻率及振型進行了計算分析，主要結(jié)果對比列出如表6所示。可以看出:兩個方案的自振頻率比較接近，相差不大。

3)用鋼量比較

兩個方案的用鋼量對比列出如表7所示?？梢钥闯?方案一的用鋼量比方案二的稍低。

表6 主力組合變形情況表

表7 用鋼量比較

通過以上分析可知，密橫梁體系由于橫梁承受的橋面荷載產(chǎn)生的內(nèi)力主要傳遞至主桁下弦桿，通過下弦桿傳遞至下弦桿節(jié)點，而不能發(fā)揮帶K撐的橫向受力體系的作用，使得主桁腹桿的面外彎矩及下弦桿的扭矩明顯增大，同時結(jié)構(gòu)的撓度、梁端轉(zhuǎn)角、主桁用鋼量等增大，因而不適用于四線雙桁體系。大縱梁、大橫梁橋面系能夠有效地解決此問題，雖然此方案的端橫梁也存在一定程度的共同作用，但是由于橋面較寬，且采用正交異性板結(jié)構(gòu)，因而不增加用鋼量。因此，正交異性板鋼整體橋面結(jié)構(gòu)方案一(即“大縱梁、大橫梁方案”)是四線雙桁鋼桁連續(xù)梁合理橋面系方案。

5 結(jié)語

由于正交異性鋼橋面板橋面系既能有效減小結(jié)構(gòu)自重，減少主桁用鋼梁，避免了混凝土橋面板易開裂的問題，具有良好的耐久性。針對四線雙桁鋼桁梁的受力特點，正交異性鋼橋面板采用“大縱梁、大橫梁”方案能有效降低主桁腹桿的面外彎矩及下弦桿的扭矩，從而降低主桁用鋼量。因此，“大縱梁、大橫梁”的正交異性鋼橋面板是客運專線四線雙桁大跨鋼桁梁橋面系合理可行的選擇。

［1］劉桂紅，易倫雄.采用正交異性鋼橋面板的鐵路鋼桁梁設計［J］.橋梁建設，2007(2):8-10.

［2］彭月焱.下弦桿和鋼橋面板結(jié)合的低高度橋面系鐵路桁梁橋［J］.國外橋梁，1995(2):105-107.