濱北線松花江公鐵兩用橋主橋設(shè)計(jì)

薛憲政

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 北京 102600)

濱北線松花江公鐵兩用橋主橋設(shè)計(jì)

薛憲政

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 北京 102600)

既有濱北線鋼桁梁病害較多，且鐵路原設(shè)計(jì)荷載、限界及通航凈空標(biāo)準(zhǔn)低，加之公路交通量不斷增加和超載超限車輛劇增，既有橋已不再滿足使用功能，須盡快改建。結(jié)合改建工程的總體設(shè)計(jì)，經(jīng)過橋位位置、建設(shè)規(guī)模、主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及主橋橋式方案的比選，正橋采用(96+2×144+96)m四跨連續(xù)剛桁梁方案跨越松花江，公鐵合建，鐵路雙線，公路雙向8車道，荷載較大。改建橋與兩岸既有鐵路銜接，市政道路北岸與松北區(qū)規(guī)劃路相接，南岸與江南城區(qū)規(guī)劃街相接。工程實(shí)施后，將大大提高鐵路運(yùn)輸能力，并將在哈爾濱主城區(qū)和松北新區(qū)之間形成一條快速通道，對(duì)哈爾濱市松北新區(qū)的發(fā)展起到積極作用。文章對(duì)主橋桁式方案、主桁桿件選取、公路橋面、鐵路橋面、聯(lián)結(jié)系等構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行論述，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)介紹了主桁的預(yù)拱度設(shè)置及鋼桁梁結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果。

連續(xù)剛桁梁； 公鐵兩用橋； 優(yōu)化設(shè)計(jì)； 結(jié)構(gòu)靜力分析

1 工程概況

松花江公鐵兩用橋橋位位于既有濱北橋下游50 m，與既有橋平行布置。南岸位于哈爾濱市道外區(qū)，橋位處松花江兩岸堤距約2.2 km。為滿足松花江通航及泄洪要求，采用(2-96) m簡(jiǎn)支鋼桁梁+(96+2×144+96)m連續(xù)鋼桁梁+(6-96) m簡(jiǎn)支鋼桁梁孔跨布置。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級(jí)：Ⅰ級(jí)；

(2)正線數(shù)目：雙線；

(3)設(shè)計(jì)速度：120 km/h,無縫線路；

(4)線間距：5.0 m；

(5)設(shè)計(jì)活載：中-活載。

2.2 公路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)主線：城市快速路，行車速度60 km/h；

(2)車道數(shù)目：雙向6車道；車道寬度30 m;

(3)荷載標(biāo)準(zhǔn)：公路-Ⅰ級(jí)，人群荷載3.5 kN/m2。

2.3 設(shè)計(jì)洪水頻率

(1)橋梁設(shè)計(jì)洪水頻率：1/100；

(2)主橋校核洪水頻率：1/300；

(3)橋梁下航道等級(jí)：Ⅰ級(jí)；

(4)通航凈空：?jiǎn)慰讍蜗驅(qū)?15 m,高13 m。

3 連續(xù)鋼桁梁橋設(shè)計(jì)

3.1 概述

正橋鋼梁(96+2×144+96)m四跨連續(xù)剛桁梁，采用帶豎桿的三角形桁架，桁高14 m，節(jié)間距12 m，中墩處設(shè)下加勁弦，加勁弦高10 m，兩側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)節(jié)間范圍；其余孔跨主桁為平行弦桁架，鋼梁理論長480 m，全橋?qū)嶋H長度482 m。連續(xù)鋼桁梁立面如圖1所示。

圖1 1/2(96+2×144+96)m連續(xù)鋼桁梁立面圖(mm)

主桁為兩片桁，橫向中心距為14 m，上層公路橋面雙向六車道，橋面寬30 m，懸臂8 m,下層雙線鐵路橋面，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面及支點(diǎn)處橫斷面分別如圖2、圖3所示。

圖2 梁端橫斷面布置圖(mm)

圖3 中支點(diǎn)橫斷面布置圖(mm)

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵構(gòu)造

3.2.1 主桁

主桁上、下弦及加勁弦桿件均為箱形截面，腹桿采用H形和箱形。除桿力大的加勁弦桿件采用Q420qE材質(zhì)外，大部分主桁桿件和橋面系等其他構(gòu)件均采用Q370qE材質(zhì)。主桁拼接采用M30高強(qiáng)螺栓。主桁上、下弦桿均采用箱形帶肋截面，桿件內(nèi)寬 1 000 mm；上弦桿外伸翼緣板長800 mm，下弦桿外伸翼緣板長500 mm；桿件內(nèi)高 1 400 mm，板厚20～40 mm不等。主桁上、下弦弦桿件截面如圖4所示。

圖4 主桁上、下弦弦桿件截面圖(mm)

主桁腹桿采用箱形及H形截面，箱形桿件內(nèi)寬 1 100 mm，外高998 mm，板厚24～44 mm不等；H形桿件寬720 mm，外高998 mm，板厚28～32 mm不等。腹桿桿件截面如圖5所示。

圖5 腹桿桿件截面圖(mm)

主桁加勁弦桿采用箱形帶肋截面，桿件內(nèi)寬 1 000 mm，內(nèi)高 1 400 mm、1 600 mm，板厚36～50 mm不等。加勁弦豎桿采用箱形帶肋截面，桿件內(nèi)寬 1 000 mm，內(nèi)高 1 400 mm，板厚44 mm，加勁弦、豎桿桿件截面如圖6所示。

圖6 加勁弦、豎桿桿件截面圖(mm)

主桁桿件采用整體節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，斜桿及豎桿均采用插入形式。主桁節(jié)點(diǎn)為封閉的焊接整體節(jié)點(diǎn)，弦桿與整體節(jié)點(diǎn)對(duì)接栓焊連接，工地桿件間連接為節(jié)點(diǎn)外拼接。

主桁與橋面系的連接為本橋關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，也是重要的構(gòu)造細(xì)節(jié)和制造難點(diǎn)。設(shè)計(jì)中，將箱形的下弦桿上水平板加寬500 mm，伸過弦桿豎板與16 mm厚的橋面頂板以不等厚對(duì)接焊連，遇主桁節(jié)點(diǎn)，在弦桿的上水平板上開槽，讓節(jié)點(diǎn)板從槽中穿出，使節(jié)點(diǎn)板保持為一個(gè)整體。節(jié)點(diǎn)板與下弦桿上水平板處為圍焊縫，節(jié)點(diǎn)板兩側(cè)及開槽的端部以熔透焊縫與弦桿上水平板焊連，這樣能使橋面板更有效地和下弦桿、主桁節(jié)點(diǎn)板連接在一起，共同受力。

3.2.2 鐵路橋面系

鐵路橋面采用多橫梁小縱梁正交異性板鋼橋面，鋼橋面板厚16 mm，上鋪57.3 mm厚C55混凝土耐磨層和2.7 mm聚氨酯防水層。鋼橋面板下橫橋向設(shè)置多道U形縱肋，板厚8 mm，高260 mm，橫向間距600 mm，共計(jì)16道；兩側(cè)各設(shè)置1道I形板肋，中間設(shè)置2道I形板肋，板厚20 mm，高200 mm。

沿橋縱向每隔3m設(shè)置1道橫梁，橫梁采用倒T形截面，腹板厚16 mm，下翼緣板寬560 mm，厚32 mm。橫梁高 1 400～1 520 mm。鋼橋面板(兼橫梁上翼緣板)與下弦桿伸出肢焊接，橫梁腹板及下翼緣板與下弦桿伸出肢栓接。每線鐵路中心線下對(duì)稱設(shè)置2道縱梁，中心距1.5 m，共設(shè)置4道，對(duì)應(yīng)兩線鐵路4根鋼軌。縱梁采用倒T形截面，高790 mm，腹板厚12 mm，下翼緣板寬400 mm，厚20 mm。

3.2.3 公路橋面系

公路橋面采用正交異性板鋼橋面，鋼橋面板厚16 mm，上鋪10 cm厚混凝土+9 cm厚瀝青混凝土鋪裝層。鋼橋面板下橫橋向車行道范圍內(nèi)設(shè)置多道U形縱肋，板厚8 mm，高260 mm，橫向間距600 mm，共計(jì)32道；在人行道范圍內(nèi)設(shè)板肋加勁，板肋高200 mm，板厚20 mm。

沿橋縱向每隔3 m設(shè)置1道橫梁，橫梁采用倒T形截面，腹板厚16 mm，底板寬560 mm，厚24 mm。公路橋面橫梁長30 m，其中兩側(cè)懸臂部分長8 m，橫梁高800～1 400 mm；中間部分長14 m，橫梁高 1 400～1 514 mm。鋼橋面板(兼橫梁上翼緣板)與上弦桿伸出肢焊接，橫梁腹板及下翼緣板與上弦桿伸出肢栓接。為避免公路橫梁懸臂過大，長時(shí)間行車懸臂板處焊縫疲勞破壞，在每個(gè)大節(jié)點(diǎn)處設(shè)置一斜向支撐；為使正交異性板具有更好的受力狀態(tài)，在斜撐位置出設(shè)置一縱梁，有效優(yōu)化了公路懸臂橫梁的受力模式，縱梁腹板高 1 312 mm，厚16 mm,底板寬280 mm，厚24 mm。

3.2.4 聯(lián)結(jié)系

為保證主梁框架的橫向穩(wěn)定性，在平弦每個(gè)節(jié)點(diǎn)處均設(shè)置了橫向聯(lián)結(jié)系，主桁內(nèi)側(cè)為單交叉式三角形桁架結(jié)構(gòu)，主桁外側(cè)設(shè)置1道斜撐。聯(lián)結(jié)系桿件采用H形截面，桿件高400 mm，寬280 mm、400 mm，板厚12 mm、16 mm；橫向聯(lián)結(jié)系構(gòu)造如圖7所示。在加勁弦處設(shè)置了橫向聯(lián)接系，如圖8所示；縱向聯(lián)接系，如圖9所示；聯(lián)結(jié)系桿件采用H形截面，桿件高500 mm，寬420 mm、460 mm、500 mm，板厚16 mm、24 mm。

圖7 橫向聯(lián)結(jié)系構(gòu)造圖(mm)

圖8 加勁弦處橫向聯(lián)結(jié)系構(gòu)造圖(mm)

圖9 加勁弦處縱聯(lián)結(jié)系構(gòu)造圖(mm)

3.2.5 預(yù)拱度

主桁平弦的預(yù)拱度：恒載+1/2靜活載撓度曲線值反向設(shè)置。在上弦節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的伸縮值，迫使下弦節(jié)點(diǎn)起拱，如圖10所示。

為簡(jiǎn)化制造和安裝工作，下承式鋼桁梁設(shè)計(jì)時(shí)，下弦桿和腹桿的實(shí)際長度通常保持不變，而僅僅讓上弦桿的理論長度伸長或縮短，通過這種方法實(shí)現(xiàn)鋼梁的預(yù)拱度。預(yù)拱度值的確定，對(duì)于簡(jiǎn)支鋼桁梁，一般可采用幾何法；對(duì)于連續(xù)鋼桁梁一般采用升降溫方法計(jì)算弦桿變形量來確定。連續(xù)鋼桁梁幾何關(guān)系相對(duì)復(fù)雜，且往往為內(nèi)部超靜定結(jié)構(gòu)，使用幾何法求解上弦桿長度變化值較為困難。為求得預(yù)拱度曲線，一般可使用升降溫計(jì)算弦桿變形量確定上弦桿的長度變化。具體方法為對(duì)鋼桁梁上弦桿施加溫度荷載(升溫或降溫)，使其在特定的溫度荷載工況下產(chǎn)生和預(yù)拱度曲線基本相同的變形，然后根據(jù)施加的溫度變化求解上弦桿的長度變化值。此方法僅改變上弦桿長度，而腹桿和下弦桿長度保持不變，且腹桿均交于理論交點(diǎn)，橋面系以及橫聯(lián)尺寸均不受影響，優(yōu)點(diǎn)顯著。

圖10 預(yù)拱度設(shè)計(jì)圖(+表示伸長，-表示縮短)

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 荷載

4.1.1 恒載

公路一恒：公路橋面系考慮相應(yīng)的構(gòu)造系數(shù)，重量取90 kN/m。

鐵路一恒：鐵路橋面系考慮相應(yīng)的構(gòu)造系數(shù)，重量取48 kN/m。

公路二期：含橋面鋪裝、中間防撞墻、人行道及人行道欄桿，重量取200 kN/m。

鐵路二期：含鋼軌、道砟、擋砟墻、員工走道、橋面鋪裝等附屬設(shè)施，重量取200 kN/m。

4.1.2 活載

汽車活載：六線一級(jí)車道荷載，按規(guī)范考慮0.55的橫向折減系數(shù)，公鐵合建公路折減系數(shù)0.75，并考慮相應(yīng)的沖擊系數(shù)。

中活載：兩線中活載，按規(guī)范考慮0.9的折減系數(shù)，考慮相應(yīng)的沖擊系數(shù)。

列車搖擺力：橫向搖擺力取100 kN，作為一個(gè)集中荷載取最不利位置，以水平方向垂直線路中心線方向作用于鋼軌頂面(僅需考慮一線搖擺力)。

4.1.3 荷載組合

組合Ⅰ：恒載組合：自重+二期恒載+支座沉降；

組合Ⅱ：主力組合：恒載組合+支座沉降+活載+列車搖擺力；

組合Ⅲ：主+附組合：主力組合+制動(dòng)力+風(fēng)力+溫度；

組合Ⅳ：恒載組合+疲勞荷載；

組合Ⅴ：安裝工況：自重+安裝臨時(shí)荷載+風(fēng)力；

組合Ⅵ：橋梁檢定荷載：恒載+1.4×(鐵路活載)+1.2×(公路活載)。

4.2 計(jì)算模型

全橋空間結(jié)構(gòu)分析采用MIDAS/Civil 2012進(jìn)行。全橋共分為 16 379個(gè)節(jié)點(diǎn)，17 234個(gè)梁?jiǎn)卧?4 400個(gè)板單元。鋼桁架采用梁?jiǎn)卧M，公路、鐵路橋面系采用板單元，梁?jiǎn)卧c板單元采用彈性連接剛性連接，全橋計(jì)算模型，如圖11所示。

圖11 全橋計(jì)算模型

4.3 計(jì)算結(jié)果

各組合下支座反力如表1所示。

表1 各荷載組合下支座反力表(kN)

各組合下桿件內(nèi)力如表2所示。

表2 各荷載組合下桿件軸力表(表中受拉為正，受壓為負(fù))

運(yùn)營階段主要桿件應(yīng)力如表3所示。

表3 主要桿件應(yīng)力表

各控制桿件疲勞應(yīng)力幅如表4所示。

表4 主要桿件疲勞應(yīng)力幅

運(yùn)營階段結(jié)構(gòu)豎向剛度如表5所示。

表5 結(jié)構(gòu)豎向剛度

5 結(jié)束語

濱北線公鐵兩用橋設(shè)計(jì)荷載雙線鐵路和六線公路，橫向兩片桁，公路橋面寬30 m,鐵路橋面寬15 m,為同類橋梁中跨度最大，荷載加載最大的公鐵兩用橋，目前鋼梁已在零誤差，無應(yīng)力狀態(tài)下順利合龍。

濱北線松花江公鐵兩用橋是我國首次在高寒地區(qū)建造的現(xiàn)代化公鐵兩用橋，也是目前國內(nèi)跨度最大的板桁結(jié)合、雙層整體鋼橋面連續(xù)鋼桁梁橋，針對(duì)本項(xiàng)目開展了4個(gè)專題：①因恒載所占比重較大，疲勞桿件控制較少，進(jìn)一步研究公鐵兩用橋活載疲勞加載模式；②由于公路橋面較寬，通過架設(shè)過程及靜動(dòng)載試驗(yàn)進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，研究橋面板的有效分布寬度；③采用強(qiáng)度較高、能抵御超低溫零下43℃的Q420qE鋼材，研究低溫焊接工藝；④項(xiàng)目所在地，溫度變化幅度大，公路橋面凍融嚴(yán)重，對(duì)公路橋面鋪裝形式進(jìn)一步研究。對(duì)以上專題展開科研攻關(guān)，并取得突破，填補(bǔ)了國內(nèi)相關(guān)規(guī)范空白，也為以后在高寒地區(qū)建造同類形橋梁積累經(jīng)驗(yàn)，提供借鑒。

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Design of Songhua River Rail-cum-road Bridge on Bin Bei Railway

XUE Xianzheng

(China Railway Fifth Survey And Design Institute (Group) Co. Ltd.，Beijing 102600， China)

Considering the diseases of the existing steel truss girder of Bin Bei railway line ，and low standard of original design load, gauge and navigable clearance， in addition, the increase of traffic volume and the increase of overload vehicle, the existing bridge has not been suggested to use and must be rebuilt as soon as possible. Combined with the overall design of the reconstruction project，on the comparison of bridge position, construction scale, main technical standards and main bridge styles，(96+2×144+96)m 4-span continuous rigid truss girder is used for the main bridge，rail-cum-road bridge， double-track railway，eight lanes road in two directions， large load. The rebuilt bridge is connected with the existing railway both sides, the north shore of municipal road of is connected with the planning road of Songbei area，the south bank is connected with the planning street of Jiangnan area．After the execution of the project，the railway transport capacity is greatly improved. A fast channel will be formed between the main city of Harbin and the new district of Songbei area, which has played a positive role in the development of Songbei new district of Harbin.In this paper the main truss scheme, selection of main girder, the road deck and the railway deck, the coupling system and so on are optimal designed.Pre-camber setting and results of static analysis of steel truss girder are introduced.

Continuous rigid truss beam； rail-cum-road bridge； optimal design； structural static analysis

2016-02-02

薛憲政(1983-)，男，工程師。

1674—8247(2016)03—0074—05

U448.12+1

A