穗莞深城際東江南特大橋主橋設(shè)計

黃納新

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,湖北武漢 430063)

1 工程概況

穗莞深城際軌道交通東江南特大橋位于東莞市石龍鎮(zhèn)境內(nèi),主橋跨越東江南支流。橋位處東江南支流河道順直,河面寬約720 m,常水位最大水深約16.0 m,通航5 000 t級海輪,要求通航凈寬230 m,凈高34 m。橋位下游約60 m處正在修建廣深沿江高速公路大橋,其主橋為(146+256+146) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)。為減小橋墩對水流的影響和滿足通航凈空要求,經(jīng)多方案比較后,穗莞深城際軌道交通東江南特大橋主橋采用了(143+264+143) m加勁連續(xù)鋼桁梁,在傳統(tǒng)鋼桁梁上增設(shè)了剛性上加勁弦,加勁弦呈圓曲線形,在跨中和邊支點附近與上弦合在一起,加勁弦與上弦間設(shè)剛性吊桿連接,外觀如自錨式懸索橋。主橋橋長553 m,立面布置如圖1。

圖1 東江南特大橋主橋立面布置(單位：m)

1.1 氣象與地質(zhì)條件

橋址所在區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候,平均氣溫21～22.2 ℃,最高氣溫37.9 ℃,最低氣溫-0.5 ℃。根據(jù)全國基本風壓分布圖,橋位水面20 m高度處設(shè)計基本風速為40 m/s。

河床上表覆蓋層為淤泥和粗砂,厚2.0～20 m,下伏基巖為含礫砂巖,中風化,基本承載力600 kPa。場地地震基本烈度7度,地震動峰值加速度值0.1g,地震動反應(yīng)譜特征周期值0.35 s。

1.2 技術(shù)標準

(1)鐵路等級：城際軌道交通；雙線；有砟軌道。

(2)設(shè)計活載：0.6UIC活載。

(3)行車速度：設(shè)計時速140 km。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 主桁總體布置

鋼桁梁橫向采用兩片主桁,桁間距13 m,主桁平弦采用N形桁式,節(jié)間長度有13.2 m和12.65 m兩種。中跨由20個13.2 m節(jié)間組成,邊跨由7個13.2 m節(jié)間和4個12.65 m節(jié)間組成,平弦桁高18 m。加勁弦呈圓曲線形,中支點處加勁弦桁高36 m,總桁高54 m。加勁弦與上弦之間吊桿平行布置,順橋向間距13.2 m。主桁采用焊接整體節(jié)點,主桁桿件與節(jié)點之間采用高強度螺栓連接。

2.2 主桁弦桿

主桁下弦、上弦和加勁弦均采用箱形截面,兩塊豎板在節(jié)點范圍內(nèi)伸出成為節(jié)點板。下弦桿件內(nèi)寬1 000 mm,內(nèi)高1 400 mm；與加勁弦結(jié)合處異形桿件除外,上弦桿件內(nèi)寬1 000 mm,內(nèi)高1 200 mm；加勁弦桿件內(nèi)寬1 000 mm,內(nèi)高1 200 mm。下弦、上弦和加勁弦在主桁節(jié)點外均采用四面對接方式連接,其中加勁弦是以受拉為主的桿件,由于吊桿的影響,加勁弦同時存在較大的桿端彎矩,強度檢算控制設(shè)計,考慮螺栓孔對截面的減弱,加勁弦接頭選擇在節(jié)點外彎矩和應(yīng)力相對較小的部位。

2.3 主桁腹桿

斜腹桿以受壓為主,因桁高較高,桿件長,為了控制桿件長細比,滿足總穩(wěn)定性要求,斜腹桿全部采用箱形截面,與主桁節(jié)點采用插入式連接。

直腹桿根據(jù)內(nèi)力的大小,采用H形截面和箱形截面,H形截面直腹桿與主桁節(jié)點采用插入式連接,箱形截面直腹桿采用四面對接方式連接。直腹桿以受拉為主,與面內(nèi)、面外彎矩疊加后,其下端強度檢算控制設(shè)計。為節(jié)省鋼材,直腹桿下端接頭均局部擴充了截面,以補償螺栓孔對截面的損失,H形截面通過加寬翼板的方式擴充,箱形截面通過加厚板厚的方式擴充(見圖2)。

圖4 橋面橫截面(單位：mm)

圖2 直腹桿下端截面擴充形式

2.4 主桁吊桿及立柱

為了加強抗風、抗震能力,同時使鋼桁梁具有良好的動力性能,本橋采用了剛性吊桿,并與上弦和加勁弦剛性連接。在加勁弦與上弦分叉處,由于吊桿短和節(jié)點的剛性,3根長度較短的吊桿面內(nèi)彎矩較大,是以受彎為主的拉彎桿件,其截面形式和連接措施極為關(guān)鍵。設(shè)計中選取H形截面和箱形截面進行了計算比較,采用H形截面時,彎矩略有減小,但因抗彎剛度小,應(yīng)力遠不滿足強度要求；采用箱形截面時,彎矩略大,隨著抗彎剛度的加大,可將應(yīng)力降低到容許值內(nèi)。經(jīng)過比較,吊桿全部采用箱形截面,一般吊桿內(nèi)寬1 000 mm,內(nèi)高1 000 mm；短吊桿內(nèi)寬1 000 mm,內(nèi)高1 200～1 600 mm。短吊桿與主桁節(jié)點采用四面對接方式連接,在加勁弦和上弦節(jié)點內(nèi),對應(yīng)短吊桿頂?shù)装逶O(shè)置接頭隔板,該接頭隔板與短吊桿頂?shù)装宓群?周邊以熔透焊縫焊接(見圖3)。

圖3 短吊桿與上弦、加勁弦連接立面

中支點處立柱是全橋承受軸向壓力最大的桿件之一,其中上立柱高36 m,總穩(wěn)定性控制設(shè)計。立柱采用箱形截面,與主桁節(jié)點采用四面對接方式連接。

2.5 橋面系

橋面采用密橫梁形式整體鋼橋面結(jié)構(gòu),由橫梁、橫肋、橋面板、縱肋組成。橫梁與主桁節(jié)點對應(yīng),兩道橫梁之間設(shè)3道橫肋,間距3.3 m或3.15 m,橫梁、橫肋采用倒T形截面,采用高強度螺栓連接。鋼橋面板在道砟槽范圍設(shè)U肋縱肋,在人形道范圍設(shè)I肋縱肋,縱肋全橋連續(xù),遇橫梁、橫肋則開孔穿過,橋面橫截面如圖4。鋼橋面板與主桁下弦桿通長焊接,與主桁共同受力。

2.6 聯(lián)結(jié)系

上弦平面和加勁弦平面均設(shè)縱向平聯(lián),平聯(lián)采用交叉式結(jié)構(gòu),除梁端和中支點處橫撐采用箱形截面外,其余橫撐和斜桿均采用工字形截面,平聯(lián)桿件與焊接在主桁上的連接板均采用對接式連接。

主桁每一節(jié)間在直腹桿和吊桿上設(shè)置橫聯(lián),邊支點處斜腹桿上設(shè)1道橋門架,中支點處斜腹桿和立柱上設(shè)3道橋門架,橫聯(lián)及橋門架均采用交叉式結(jié)構(gòu)、H形截面,與焊接在主桁上的連接板采用插入式連接。

3 結(jié)構(gòu)計算

3.1 主桁節(jié)點剛性的影響

主桁采用焊接整體節(jié)點,主桁桿件與節(jié)點之間采用高強度螺栓連接,主桁節(jié)點實際上是剛性連接,在外荷載作用下,桿件內(nèi)將產(chǎn)生附加彎矩和應(yīng)力。本橋主桁平面分析時,按節(jié)點鉸接和節(jié)點剛接兩種模型進行了計算比較,兩者恒載內(nèi)力和應(yīng)力對比情況見表1。

表1 主桁節(jié)點鉸接與剛接恒載內(nèi)力和應(yīng)力對比 kN·m、MPa

節(jié)點剛接時,短吊桿及與其連接的上弦和加勁弦內(nèi)存在較大的桿端彎矩,其軸力和應(yīng)力差異均很大；與短吊桿連接的腹桿,軸力差異也較大；其他部位的軸力和應(yīng)力差異相對較小。本橋受節(jié)點剛性的影響大,按節(jié)點剛接設(shè)計。

3.2 橋面板參與受力分析

鋼橋面板與下弦桿通長焊接后,形成一個寬翼緣肋板式整體截面,參與主桁受力,由于橋面較寬和剪力滯的影響,橋面板縱向應(yīng)力沿橫橋向分布不均勻,按平面結(jié)構(gòu)分析主桁受力時,需考慮橋面板的有效寬度。橋面板的有效寬度與各橋的跨度、寬度和結(jié)構(gòu)形式有關(guān),且沿橋各部位均有差異,難以準確計算。本橋設(shè)計中按不計橋面板、計入50%橋面板、計入100%橋面板三種情況對主桁的應(yīng)力進行了比較(見表2)。

表2 橋面板參與受力主桁應(yīng)力對比(主力組合,應(yīng)力MPa)

結(jié)論如下：橋面板參與受力程度對上弦、加勁弦、吊桿和立柱的應(yīng)力幾乎沒有影響,在4%以內(nèi)；對腹桿應(yīng)力的影響較小,在7%以內(nèi)；對下弦應(yīng)力的影響較大,達29%,隨著橋面板有效寬度的加寬,下弦應(yīng)力逐步減小。

本橋結(jié)構(gòu)計算采取了以平面分析為主、空間分析輔助驗證的方法,空間分析結(jié)果的下弦應(yīng)力界于平面分析計入50%橋面板和計入100%橋面板之間,因此本橋平面分析時取50%橋面板寬作為有效寬度是偏安全的。

3.3 結(jié)構(gòu)變形

在雙線0.6倍UIC靜活載作用下,鋼桁梁邊跨最大豎向撓度-54 mm,撓跨比為1/2 650；中跨最大豎向撓度-162 mm,撓跨比為1/1 630；梁體下?lián)系淖畲罅憾宿D(zhuǎn)角1.6‰,梁體反彎的最大梁端轉(zhuǎn)角0.8‰,鋼桁梁變形滿足規(guī)范要求。

3.4 車橋動力分析

通過建立全橋動力分析模型,對自振特性和車橋空間耦合振動進行了計算分析,結(jié)果表明本橋具有足夠的豎向、橫向剛度和良好的列車走行性。當國產(chǎn)CRH2和德國ICE3動車組以速度80～160 km/h通過時,橋梁跨中和墩頂?shù)呢Q向、橫向位移及加速度均滿足限值要求；列車脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內(nèi),列車行車安全性有保障；列車豎向和橫向舒適性均達到“良好”標準以上。

4 施工方案

鋼桁梁在工廠制造,運至現(xiàn)場拼裝。本橋采取了邊跨在支架上拼裝，中跨懸臂拼裝，先合龍加勁弦，后合龍平弦的施工方案。

中跨懸拼過程中,加勁弦未合龍前,加勁弦尚未發(fā)揮有效作用,如果沒有臨時設(shè)施輔助,鋼桁梁將產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形,加勁弦合龍十分困難。為了解決這一問題,本橋在中墩頂設(shè)置了臨時塔架和2組臨時吊索,并把加勁弦合龍段選擇在吊桿長度和截面剛度相對適中處,既便于吊機架設(shè),又便于合龍段兩端位移差調(diào)節(jié)(見圖5)。通過施工過程模擬計算,臨時吊索初張力采用5 000 kN,索力調(diào)至9 720 kN時,可實現(xiàn)加勁弦合龍。

圖5 鋼桁梁架設(shè)布置

中跨平弦合龍采取預(yù)設(shè)偏距、高差和轉(zhuǎn)角的方法,根據(jù)通常狀態(tài)下合龍口兩端的位移情況,本橋175號、176號墩處預(yù)設(shè)縱向偏距44 mm,175號、176號、177號墩處分別預(yù)抬高70 mm、296 mm、280 mm,鋼桁梁懸拼至跨中時,合龍口兩端的水平、豎向和轉(zhuǎn)角位移差為零,滿足平弦合龍要求。平弦合龍后,落梁至設(shè)計高程,鋼桁梁架設(shè)完成。

5 結(jié)論

剛性短吊桿剛性連接是東江南特大橋主橋的關(guān)鍵之處,在我國鐵路橋梁中為首次應(yīng)用,該部位通過模型實驗驗證,結(jié)構(gòu)安全可靠。

加勁連續(xù)鋼桁梁具有建筑高度小、跨越能力強、豎向剛度大、梁端轉(zhuǎn)角小等優(yōu)點,同時具有良好的動力性能,適合通航河流大跨度鐵路橋梁建設(shè)的需要。

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