廣珠鐵路跨廣清高速公路80 m結(jié)合鋼桁梁設(shè)計

高文軍

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063)

1 本橋工程概況

廣珠鐵路在DK2+834.41處上跨廣清高速公路及田南路，采用1-80 m下承式栓焊鋼桁結(jié)合梁，設(shè)計行車速度均為200 km/h，設(shè)計荷載為中-活載。

結(jié)構(gòu)采用兩片主桁，主桁中心距為11.8 m，節(jié)間長度10 m，桁高11.6 m，主桁采用無豎桿整體節(jié)點平行弦三角桁架，鋼桁梁立面見圖1。

圖1 鋼桁梁立面布置(單位:m)

橋面采用密橫梁的縱橫梁結(jié)合梁體系，在縱橫梁及下弦桿上澆筑混凝土板，并通過剪力釘連接，共同參與受力。線間距為5 m，道砟槽內(nèi)寬9.5 m，為減小主桁中心距，將人行道設(shè)置于主桁外側(cè)，凈寬為1.15 m。橋面布置見圖2。

圖2 橋面布置(單位:m)

2 主橋方案構(gòu)思

根據(jù)平面位置關(guān)系，上跨廣清高速公路及田南路需采用不小于80 m跨徑的結(jié)構(gòu);同時受線路高程控制因素，軌面至廣清高速路面凈空僅為7.8 m，上跨結(jié)構(gòu)梁高需控制在2.8 m內(nèi)。

由于上述2個關(guān)鍵控制因素，常用的連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)不適用于本工點，鋼箱梁系桿拱、鋼桁梁等建筑高度較小的結(jié)構(gòu)是首選方案。考慮到鋼桁梁可工廠化制作、現(xiàn)場拼接可加快施工進度，同時可采用托拉法架設(shè)避免對高速公路交通產(chǎn)生影響，經(jīng)綜合比較分析，采用1-80 m鋼桁梁上跨廣清高速公路及田南路。

3 主橋構(gòu)造研究

3.1 橋面構(gòu)造研究

國內(nèi)外已建或在建的有砟軌道鋼桁梁橋面系主要有正交異性板整體橋面、縱橫梁混凝土道砟橋面、縱橫梁結(jié)合梁橋面及密布橫梁結(jié)合橋面［1］。

(1)正交異性板整體橋面主要用于大跨度鋼桁梁斜拉橋、鋼桁拱橋，其優(yōu)點是鋼橋面板直接參與主結(jié)構(gòu)受力，解決長大跨度鋼桁梁橋橫梁因面外彎矩過大應(yīng)力較難控制的問題，其缺點是縱橫肋加勁鋼橋面制作和安裝較為困難，需縱橫向分塊運至橋位處后現(xiàn)場焊接。正交異性鋼橋面板上鋪設(shè)15～20 cm厚混凝土道砟槽板，混凝土板用剪力釘與鋼橋面板連接，如主跨336 m南京大勝關(guān)鋼桁拱、主跨630 m銅陵鋼桁梁斜拉橋等大跨度鋼桁梁均采用此橋面體系［2］。

(2)縱橫梁混凝土道砟橋面是我國簡支鋼桁梁比較常用的橋面形式［3］，該體系中混凝土道砟僅作為荷載，不參與主結(jié)構(gòu)受力，對橫向剛度沒有貢獻，需要在橋面系下設(shè)置下平聯(lián)及制動聯(lián)結(jié)系［4］。

(3)縱橫梁結(jié)合橋面根據(jù)橫梁的間距又分為縱橫梁及密橫梁2種體系［5］，臺灣高速鐵路鋼桁梁采用密橫梁結(jié)合橋面，密布橫梁體系能解決橫梁面外彎矩過大的問題。加密的橫梁及混凝土橋面板提供了較大的橫向剛度，橋面系下可取消設(shè)置下平縱聯(lián)，結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，建筑高度低，鋼桁梁制作和安裝較為方便，且用鋼量較正交異性板橋面板少［6］。

上述3種橋面適用性均較廣，但本橋80 m下承式簡支鋼桁梁，從結(jié)構(gòu)建筑高度、整體橋面剛度、用鋼量及安裝制造困難等因素考慮，采用密橫梁結(jié)合橋面，同時考慮將下弦桿也結(jié)合，將人行道置于主桁外側(cè)，結(jié)構(gòu)建筑高度可控制在2.8 m以內(nèi)，滿足要求。

3.2 主桁構(gòu)造研究［7］

3.2.1 主桁中心距

主桁中心距由如下因素確定:

(1)滿足時速200 km客貨共線鐵路建筑限界要求;

(2)主桁中心距不小于主跨的1/20，滿足車橋耦合動力響應(yīng)各項指標(biāo)要求;

(3)人行道是否設(shè)置于主桁內(nèi)側(cè)。

根據(jù)上述因素綜合考慮，并參考已建鋼桁梁相關(guān)設(shè)計參數(shù)，主桁中心距采用11.8 m，將人行道設(shè)置于主桁外側(cè)。

3.2.2 桁高

主桁的桁高由如下因素確定:

(1)行車凈空要求，按《200 km/h客貨共線鐵路雙層集裝箱運輸建筑限界(暫行)》中電力牽引的雙層集裝箱運輸橋梁建筑限界SJX-QD圖執(zhí)行，軌面以上凈高不小于7.96 m;

(2)橫聯(lián)或橋門架布置需要，簡支鋼桁梁橫聯(lián)或橋門架一般采用板式橫聯(lián)，高度約為1.55 m;

(3)主桁受力需要。

綜合考慮上述因素，主桁桁高采用11.6 m。

3.2.3 主桁節(jié)間長度

主桁節(jié)間長度主要由如下因素控制:

(1)主跨的跨度;

(2)桿件最大吊重，節(jié)間長度越長，桿件吊重越大;

(3)桿件次應(yīng)力，節(jié)間長度越長，桿件線剛度越小，由節(jié)點剛性引起的次應(yīng)力越小;

(4)斜桿的水平傾角控制在45°～55°，便于桿件制造及安裝。

綜合考慮上述因素，主桁節(jié)間長度采用10 m，全橋共8個節(jié)間。

3.2.4 截面形式

主桁上、下弦桿均采用焊接箱形截面，端部斜腹桿形式采用箱形截面，中部斜腹桿采用H形截面。主桁節(jié)點采用整體節(jié)點，上弦桿內(nèi)寬700 mm，內(nèi)高700 mm，板厚 32～44 mm;下弦桿內(nèi)寬 700 mm，外高1 056 mm，板厚16～28 mm。除最外端斜腹桿內(nèi)寬為760 mm，其余箱形斜腹桿內(nèi)寬及內(nèi)高均為700 mm，板厚24～32 mm，H形斜腹桿外高為698 mm，翼板寬為700 m，腹板厚16～20 mm，翼板厚24～28 mm。

3.2.5 主桁連接

采用焊接整體節(jié)點，箱形截面桿件均在節(jié)點外四面拼接，H形截面桿件與節(jié)點采用插入式連接。主桁桿件與節(jié)點之間采用M30高強螺栓連接，箱形桿件下水平板需設(shè)置手孔，手孔位于拼接縫中心處，寬200 mm。主桁橫斷面見圖3。

圖3 主桁橫斷面(單位:mm)

3.3 縱橫梁構(gòu)造

對于雙線橋梁，縱梁一般設(shè)置為2～4根，為減小縱梁高度，本次計算采用4根，外縱梁與主桁中心距為2.45 m，外縱梁與內(nèi)縱梁間距為2.3 m，內(nèi)縱梁間距為2.3 m。

1個節(jié)間10 m范圍內(nèi)為2根或3根次橫梁，需經(jīng)過詳細(xì)計算比較，見表1。

表1 次橫梁應(yīng)力對比 MPa

在設(shè)計前期，將混凝土板當(dāng)外荷載分析比較，合理確定縱橫梁根數(shù)。

由于本橋沒有考慮混凝土對縱橫梁的剛度貢獻，縱橫梁應(yīng)力實際應(yīng)力比表1應(yīng)力要小，從以上計算結(jié)果看，選擇2根次橫梁比較合理。

4 主橋計算

4.1 主要設(shè)計參數(shù)

4.1.1 恒載

(1)結(jié)構(gòu)自重:鋼結(jié)構(gòu)122 kN/m，混凝土橋面板116.8 kN/m。

(2)二期恒載:雙線橋二期恒載包括混凝土道砟槽、道砟、軌道結(jié)構(gòu)、人行道懸臂板及蓋板、電纜槽及檢修通道等，共計143 kN/m。

(3)混凝土收縮及徐變按《鐵路結(jié)合梁設(shè)計規(guī)定》(TBJ24—89)中相關(guān)條文辦理。

4.1.2 活載

中活載，雙線，計算動力系數(shù)、制動力、搖擺力分別按照《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》第4.3.5條至第4.3.8條辦理，疲勞驗算按《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第4.3.1 條辦理［8］。

4.1.3 風(fēng)荷載

按照《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)第4.4.1條辦理，基本風(fēng)壓值取W0=800 Pa。

4.1.4 溫度荷載

(1)體系升降溫:體系升溫為+40℃，體系降溫為-30℃。

(2)日照溫度:混凝土板頂面、上平聯(lián)、上弦桿、腹桿的溫度為20℃，混凝土板底面、下弦桿和縱橫梁的溫度為0℃。

(3)驟然降溫:混凝土板的溫度為0℃，鋼構(gòu)件(上平聯(lián)、上弦桿、下弦桿、腹桿和縱橫梁)的溫度為-15℃。

(4)驟然升溫:混凝土板的溫度為0℃，鋼構(gòu)件(上平聯(lián)、上弦桿、下弦桿、腹桿和縱橫梁)的溫度為15℃。

4.1.5 混凝土收縮及徐變計算

混凝土收縮及徐變按《鐵路結(jié)合梁設(shè)計規(guī)定》(TBJ24—89)中相關(guān)條文辦理:混凝土收縮按降溫15°考慮，徐變按混凝土彈性模量進行折減考慮［9］。

4.1.6 特殊荷載

列車脫軌荷載，根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》第4.3.11條辦理。

4.1.7 地震烈度

地震動峰值加速度為0.1g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

4.2 計算模型

本鋼梁的特點在于混凝土與弦桿、縱梁結(jié)合參與整體受力，由于混凝土參與受力程度復(fù)雜性及混凝土板后期開裂的不可預(yù)見性，對混凝土板的模擬相當(dāng)重要。混凝土與鋼梁之間通過節(jié)點剛臂連接模似剪力釘?shù)淖饔?，根?jù)設(shè)剛臂處節(jié)點內(nèi)力按相關(guān)規(guī)范檢算剪力釘。

本橋計算采用2個模型進行相互校核及比較分析。

模型一:板梁模型(圖4)

圖4 板梁模型

混凝土板采用板單元，主桁及縱橫梁均采用空間梁單元模型。

模型二:梁格模型(圖5)

鋼混全結(jié)合橋面中，主桁橋面混凝土板與縱橫梁及下弦桿共同參與受力?；炷涟宓挠行挾葲Q定了縱橫梁及弦桿承受內(nèi)力的大小，根據(jù)我國相關(guān)規(guī)范及日本道橋示方書，計算混凝土板的有效寬度［7］?？v橫梁采用疊合梁空間梁單元，主桁采用空間梁單元。

圖5 梁格模型

4.3 主要計算結(jié)果

4.3.1 支反力(表2)

表2 支反力匯總 kN

4.3.2 位移

豎向靜活載位移為32.1 mm，撓跨比為1/2 492，梁端轉(zhuǎn)角為1.6‰，均滿足規(guī)范要求。

4.3.3 主桁檢算［10］(表3)

表3 主桁強度及穩(wěn)定應(yīng)力 MPa

主桁強度及穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。

4.3.4 混凝土板檢算

由于混凝土板與縱梁、橫梁及下弦桿結(jié)合，混凝土板受拉，如何控制混凝土板裂縫寬度而不影響結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性［11-12］，是鋼桁結(jié)合梁設(shè)計的關(guān)鍵。

混凝土板縱向配筋采用間距為10 cm雙φ22 mm HRB335鋼筋，橫向配筋采用間距10 cm的φ20 mm HRB335鋼筋，通過高配筋來控制混凝土板受力，其檢算結(jié)果見表4。

表4 混凝土板鋼筋應(yīng)力及裂縫寬度

為減小混凝土板收縮產(chǎn)生的應(yīng)力，混凝土板分段澆筑且采用無收縮混凝土［12］。

4.3.5 預(yù)拱度設(shè)置［10］

預(yù)拱度通過保持下弦及橋面系長度不變，改變上弦拼接縫寬度來實現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 上弦桿伸長及上平聯(lián)伸長示意(單位:mm)

5 經(jīng)濟指標(biāo)分析

時速250 km客運專線雙線有砟軌道簡支鋼桁梁(圖號:通專橋(2004)0234-Ⅱ)采用傳統(tǒng)的縱橫梁體系(混凝土板不結(jié)合)，現(xiàn)將相關(guān)設(shè)計參數(shù)與本橋?qū)Ρ热绫?所示。

表5 同類型橋梁設(shè)計參數(shù)對比

從表5可知，采用結(jié)合梁橋面，結(jié)構(gòu)高度會較大降低，且節(jié)省鋼材用量，具有顯著的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)語

廣珠鐵路跨廣清高速公路80 m結(jié)合鋼桁梁方案構(gòu)思巧妙，從凈空要求、制造安裝方便及經(jīng)濟性綜合考慮，具有如下特點。

(1)采用結(jié)合橋面鋼桁梁，軌頂至梁底高度僅為2.212 m，有效解決橋下行車凈空要求，無需抬高線路高程，降低了整個橋梁工程造價。

(2)混凝土橋面板與鋼桁梁共同受力，不僅與縱橫梁，而且與下弦桿結(jié)合，在國內(nèi)比較少見，增加結(jié)構(gòu)整體剛度，降低了噪聲。

(3)混凝土板與縱橫梁及下弦桿全結(jié)合，取消了下平縱聯(lián)、制動聯(lián)，考慮混凝土板參與受力，節(jié)省了鋼材，本橋所需鋼材約為12.0 t/m，比傳統(tǒng)縱橫梁體系鋼桁梁節(jié)約鋼材1.6 t/m。

廣珠鐵路跨廣清高速公路80 m結(jié)合鋼桁梁于2010年11月完成架設(shè)施工，對今后類似工程有一定的參考價值。

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