哈大鐵路客運(yùn)專線變跨結(jié)合梁設(shè)計

孫宗磊

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

1 概述

新建哈爾濱至大連客運(yùn)專線沈大段線路長度425.536 km，其中橋梁長度293 172.2 km，占線路長度的68.9%。沈大段沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，新建道路縱橫，管線密布，地方對鐵路預(yù)留道路、管線規(guī)劃條件提出了更高的要求，為滿足地方的要求，部分橋梁需要調(diào)整跨度。沈大段橋梁以標(biāo)準(zhǔn)跨度的雙線預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁為主，梁場預(yù)制架設(shè)。橋梁跨度調(diào)整后，不可避免部分工點(diǎn)出現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)跨度，考慮施工工期、施工方案和施工方法難易等綜合因素，經(jīng)比選，采用鋼混結(jié)合梁進(jìn)行變跨調(diào)整。沈大段共有調(diào)跨11處，跨度變化范圍為17.22～24.6 m。施工方法采用架橋機(jī)架設(shè)或整體吊裝。

鋼混結(jié)合梁亦稱組合梁，由鋼梁和混凝土板組合在一起共同受力。鋼混結(jié)合梁具有剛度大、抗震性能好、節(jié)約鋼材、施工周期短、施工方便以及噪聲小等優(yōu)勢，同時鋼混結(jié)合梁在秦沈客運(yùn)專線［1］、京津城際［2］等客運(yùn)專線鐵路得到應(yīng)用。

2 結(jié)構(gòu)形式及材質(zhì)選擇

鋼混結(jié)合梁分兩階段施工，第一階段架設(shè)鋼梁。為節(jié)省鋼材，鋼梁結(jié)構(gòu)一般為敞口結(jié)構(gòu)形式。雙線鐵路橋梁一般采用雙箱單室結(jié)構(gòu)，雙箱采用橫隔板連接。輕軌和公路橋梁采用單箱單室或雙室居多。

哈大客運(yùn)專線梁部以32 m雙箱簡支箱梁為主，箱梁外輪廓采用斜腹板，橋墩采用流線形，橋梁成為哈大客運(yùn)專線的一道靚麗風(fēng)景線。局部變跨鋼混結(jié)合梁如采用雙箱單室結(jié)構(gòu)形式，梁部線形從視覺上出現(xiàn)局部突變，同時鋼箱梁底部跨度大，橋墩輪廓與相鄰橋墩不一致，景觀上不協(xié)調(diào)，經(jīng)比選，變跨鋼混結(jié)合梁采用外輪廓與混凝土簡支箱梁一致的單箱雙室結(jié)構(gòu)。

設(shè)計中就鋼梁材質(zhì)進(jìn)行了比選。Q370qE鋼材板厚引起的承載力折減效應(yīng)不明顯，同時其韌性指標(biāo)和焊接性能比較好，同時哈大客運(yùn)專線地處寒冷地區(qū)，對鋼結(jié)構(gòu)性能要求高，根據(jù)計算結(jié)果，經(jīng)比選采用了Q370qE鋼材，橋面板采用C50鋼筋混凝土。結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 哈大客運(yùn)專線變跨結(jié)合梁(橫隔板未示)(單位:mm)

鋼梁采用單箱雙室截面，邊腹板傾斜設(shè)置，傾斜度1∶5，中腹板垂直設(shè)置，截面外形呈倒梯形，全橋每隔4 m左右設(shè)置橫隔板。

上翼緣厚度30 mm，寬600 mm;下翼緣厚度30 mm，寬5 820 mm(腹板間5 740 mm);腹板高(垂直)2 540 mm，厚度16 mm;鋼梁高度2 600 mm。

端橫隔板板厚30 mm，中間橫隔板板厚25 mm。

本設(shè)計橋面板寬12.0 m，橋面板橫向水平設(shè)置。鋼梁及橋面板均按直線設(shè)計，曲線上按平分中矢進(jìn)行布置。

混凝土板中間部分厚400 mm，懸臂部分采用直線漸變，懸臂端厚300 mm。

支座橫向間距4 500 mm，縱向距離梁端500 mm。

傳剪器采用直徑22 mm圓柱頭焊釘，焊釘材料ML15;承載力設(shè)計值及疲勞剪力幅分別采用50 kN及25 kN。

為降低結(jié)構(gòu)重心，減小鋼梁噪聲，底板鋪設(shè)纖維混凝土。鋼梁底板每隔4 m左右設(shè)置直徑為80 mm的泄水孔。

3 橋梁設(shè)計荷載及相關(guān)規(guī)定

3.1 恒載

一期恒載包括鋼梁自重，模板、鋼筋混凝土橋面板重，該荷載由鋼梁承擔(dān)。二期恒載無砟直(曲)線按184 kN/m，有砟直線按185 kN/m，曲線按201 kN/m計，由鋼梁與鋼筋混凝土橋面板形成的組合截面承擔(dān)。

3.2 活載

ZK標(biāo)準(zhǔn)活載及ZK特種活載［3］。

3.3 溫度力

按鋼梁與鋼筋混凝土橋面板溫度差等于±15℃考慮。

3.4 混凝土收縮徐變影響

混凝土收縮按現(xiàn)澆混凝土降溫15℃，并考慮混凝土徐變影響。

3.5 剪力傳剪器

采用φ22 mm柔性栓釘，承載力及疲勞剪力幅分別采用50 kN和25 kN。

4 鋼混結(jié)合梁設(shè)計

設(shè)計上分2個施工階段:第一施工階段鋼梁施工就位，以鋼梁為模架進(jìn)行鋼筋混凝土橋面板澆筑。此時一期恒載由鋼梁承擔(dān)。第二施工階段，橋面設(shè)備施工。二期恒載及活載由鋼梁與鋼筋混凝土橋面板形成的組合截面承擔(dān)。位于曲線上的鋼梁，在設(shè)計中同時考慮組合梁扭矩效應(yīng)和畸變效應(yīng)。

4.1 換算截面的合理計算方法

4.1.1 混凝土有效寬度計算〔4〕

混凝土板的有效寬度按以下各項中之最小值。

(1)主梁間的板W

①兩主梁中心距之半;

②主梁跨度的1/6;

③如板有梗脅時，取b/2+c+6h。

(2)主梁外側(cè)的懸臂板W1

①主梁中心至板的懸臂端之間的距離;

②主梁跨度的1/12;

③如板有梗脅時，取b/2+c+6h。

以上符號代表意義見圖2。

圖2 混凝土有效寬度示意

4.1.2 結(jié)合梁截面特性計算〔5〕

采用面積換算求相關(guān)截面特性?；炷涟濉摿杭敖Y(jié)合梁關(guān)系見圖3。

圖3 重心位置關(guān)系

具體計算公式如下:

式中 Fh，F(xiàn)g，F(xiàn)z——混凝土板、鋼梁、結(jié)合梁的橫截面面積，m2;

αh——結(jié)合梁換算截面重心與混凝土板重心的距離，m;

αg——結(jié)合梁換算截面重心與鋼梁重心的距離，m;

α——混凝土板與鋼梁重心間的距離，m;

Ih，Ig，Iz——混凝土板、鋼梁、結(jié)合梁對各自中性軸的截面慣性矩，m4。

4.2 鋼與混凝土彈性模量比值

設(shè)計中，在不同階段、不同工況受力分析時，鋼與混凝土的彈性模量比n值按表1所列之值采用。

表1 鋼與混凝土的彈性模量比n

4.3 荷載的偏載計算

3片主梁在恒載和活載分別作用工況下，分擔(dān)的荷載是不均勻的。因此，采用上述計算方法時，應(yīng)分別考慮偏載系數(shù)［6］，活載偏載計算時應(yīng)同時考慮曲線影響。

4.4 穩(wěn)定計算

鋼混結(jié)合梁的穩(wěn)定在第二階段由于混凝土板與鋼梁形成整體截面，因此穩(wěn)定一般不會存在問題。在第一施工階段，由于鋼梁為敞口截面，穩(wěn)定性很差。因此第一施工階段的穩(wěn)定問題非常重要。本橋使用空間有限元程序進(jìn)行了空間分析，空間模型見圖4。通過分析，設(shè)置合理間隔的橫梁、橫隔板和加勁肋能夠很好的防止結(jié)構(gòu)局部屈曲，滿足施工及運(yùn)營階段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定要求［7］。

4.5 鋼梁架設(shè)

設(shè)計中考慮了2種鋼梁架設(shè)方案，一是可利用梁場運(yùn)架設(shè)備進(jìn)行架設(shè)，二是也可采用汽車吊裝的方法進(jìn)行架設(shè)。設(shè)計給出了詳細(xì)的吊點(diǎn)設(shè)計和要求(圖5)。

圖5 鋼梁吊點(diǎn)設(shè)計(單位:mm)

5 結(jié)語

哈大客運(yùn)專線變跨結(jié)合梁滿足了長大橋梁局部跨度調(diào)整的要求，同時結(jié)構(gòu)的外形與相鄰混凝土簡支梁輪廓相協(xié)調(diào)，施工簡單，滿足了景觀和工期的要求。變跨結(jié)合梁的應(yīng)用，為解決長大橋梁施工過程中的局部孔跨調(diào)跨，滿足地方要求，提供了成功經(jīng)驗。

［1］彭嵐平.秦沈客運(yùn)專線連續(xù)結(jié)合梁設(shè)計［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2001(9):18-21.

［2］劉敬棉.京津城際軌道交通跨京山鐵路小三線結(jié)合梁設(shè)計［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007(2):24-26.

［3］中華人民共和國鐵道部.鐵建設(shè)［2007］47號 新建時速300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［4］中華人民共和國鐵道部.TBJ24—89 鐵路結(jié)合梁設(shè)計規(guī)定［S］.北京:中國鐵道出版社，1989.

［5］項海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［7］中華人民共和國鐵道部.TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.