96 m鋼－混組合桁架梁設(shè)計(jì)

孫昆鵬 薛憲政

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

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展，路網(wǎng)不斷加密，不可避免地出現(xiàn)了大量的鐵路立體交叉工程，受線路平縱、橋下凈空等條件控制，需要采用大跨度、低高度結(jié)構(gòu)。常用的大跨度、低高度結(jié)構(gòu)主要有系桿拱和下承式鋼桁梁，但系桿拱自重大、施工周期長(zhǎng)、施工支架數(shù)量大，在跨越既有鐵路時(shí)適用性差，故下承式鋼桁梁結(jié)構(gòu)成為跨越既有鐵路首選橋式。鋼桁梁常用橋面系結(jié)構(gòu)主要有三種:(1)縱橫梁混凝土橋面系；(2)密橫梁混凝土橋面系；(3)密橫梁鋼橋面系[1－3]。但以上三種橋面系存在運(yùn)營(yíng)噪聲大、結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較弱、與無(wú)砟軌道板結(jié)合較差、后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)。鋼－混組合桁架梁做為一種新型結(jié)構(gòu)形式，采用預(yù)應(yīng)力混凝土槽型梁做為橋面系，則較好地克服了以上缺點(diǎn)。

2 工程背景

新建安九鐵路廬山特大橋右單線橋在廬山地區(qū)跨越武九客專正線，與武九客專正線夾角為16°。廬山特大橋右單線橋受線路縱坡、線路平面夾角及橋下武九客專凈空需求等條件限制，同時(shí)盡可能減少運(yùn)營(yíng)后既有線上方的維修保養(yǎng)工作量，選用1－96 m鋼－混組合桁架梁結(jié)構(gòu)跨越武九客專正線。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，考慮到原位拼裝、現(xiàn)澆對(duì)武九客專影響較大，不具備相應(yīng)施工條件，經(jīng)研究施工方案采用在線路一側(cè)澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土槽型梁并拼裝完畢鋼桁梁，以安慶側(cè)Y197號(hào)墩為轉(zhuǎn)動(dòng)軸、廬山側(cè)Y198號(hào)墩架設(shè)橫梁轉(zhuǎn)體架設(shè)方案。轉(zhuǎn)體就位后的鋼－混組合桁架梁如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)體就位后1－96 m鋼－混組合桁架梁

3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級(jí):客運(yùn)專線；

(2)正線數(shù)目:單線；

(3)設(shè)計(jì)行車(chē)速度:350 km/h；

(4)線路情況:位于－26.7‰的直線坡道上，部分位于緩和曲線上；

(5)軌道形式:無(wú)砟軌道；

(6)設(shè)計(jì)活載:ZK活載；

(7)地震烈度:橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.05 g，相當(dāng)于地震基本烈度6度。

4 組合桁架梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本桁架梁全長(zhǎng)98 m(含兩側(cè)梁端至支座中心各1.0 m)，主梁上部為鋼桁梁結(jié)構(gòu)，下部采用預(yù)應(yīng)力混凝土槽型梁結(jié)構(gòu)作為橋面系。梁部分位于緩和曲線上，曲梁直做。主桁桁高12.6 m，節(jié)間長(zhǎng)度12 m，兩片桁中心距離6.7 m[4]，如圖2所示。

圖2 桁架梁總體布置(單位:mm)

4.1 槽型梁結(jié)構(gòu)

槽型梁標(biāo)準(zhǔn)段梁高1.8 m，支點(diǎn)部分加厚至2.3 m；槽型梁外底板寬7.9 m，內(nèi)側(cè)凈寬5.5 m，腹板厚1.2 m；道床板跨中厚0.45 m，支點(diǎn)處加厚至0.95 m；人行道懸臂長(zhǎng)1.0 m，懸臂根部板厚0.2 m，梗肋位置厚0.35 m。槽型梁斷面如圖3所示。

圖3 槽型梁橫斷面(單位:cm)

4.2 主桁及聯(lián)結(jié)系

加勁鋼桁為無(wú)豎桿三角形鋼桁，上弦為整體節(jié)點(diǎn)。上弦桿采用箱形截面，弦桿內(nèi)寬600 mm，內(nèi)高800 mm，板厚28～40 mm；腹桿采用箱形和工形截面，箱形桿件內(nèi)高600 mm、外高800 mm，板厚為24～36 mm，與整體節(jié)點(diǎn)對(duì)拼連接。工形桿件外高600 mm，翼緣板寬520 mm，板厚16～24 mm，與整體節(jié)點(diǎn)內(nèi)插連接。主桁弦桿及腹桿的連接采用M30的高強(qiáng)螺栓。

上弦設(shè)上平縱聯(lián)，橫向設(shè)橋門(mén)架及中間橫聯(lián)。上平縱聯(lián)為交叉式結(jié)構(gòu)，橫聯(lián)為桁式結(jié)構(gòu)，聯(lián)結(jié)系截面均為工形截面，上平縱聯(lián)撐桿截面高420 mm、斜桿高380 mm，板厚16～20 mm；橫聯(lián)高440 mm，板厚12～16 mm；與整體節(jié)點(diǎn)連接采用M24的高強(qiáng)螺栓栓接。

腹桿與槽型梁采用外接式節(jié)點(diǎn)連接，腹桿與預(yù)埋在槽型梁內(nèi)的節(jié)點(diǎn)板對(duì)拼連接，節(jié)點(diǎn)板通過(guò)剪力釘、PBL剪力鍵與槽型梁連接[5－7]。主桁下弦節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算

結(jié)構(gòu)采用空間梁?jiǎn)卧Ｐ蚆IDAS Civil建模計(jì)算，共分215個(gè)節(jié)點(diǎn)、184個(gè)單元，其中混凝土梁78個(gè)單元、鋼桁106個(gè)單元。鋼桁和混凝土采用剛臂連接[8－9]。

所建立的模型按施工階段進(jìn)行劃分，計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

圖5 計(jì)算模型

(1)搭設(shè)支架，拼裝鋼桁架；

(2)立模，澆筑混凝土槽型梁；

(3)張拉槽型梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束；

(4)橋面鋪裝施工，加二恒；

(5)成橋運(yùn)營(yíng)。

5.1 計(jì)算結(jié)果

運(yùn)營(yíng)階段各荷載工況組合反力值見(jiàn)表1。

表1 運(yùn)營(yíng)階段各荷載工況支座反力(單墩) kN

運(yùn)營(yíng)階段下弦槽型梁控制截面應(yīng)力見(jiàn)表2。

表2 運(yùn)營(yíng)階段下弦槽型梁截面應(yīng)力值 MPa

?鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范?(TB 10002—2017)第5.2.6條規(guī)定:梁端懸出長(zhǎng)度大于0.55 m且小于0.75 m時(shí)，梁端轉(zhuǎn)角容許值為1.0‰弧度。本梁梁端懸出長(zhǎng)度為1.0 m，等效梁端轉(zhuǎn)角容許值按0.75‰弧度考慮。靜活載和溫度作用下梁體豎向撓度和轉(zhuǎn)角見(jiàn)表3。

表3 活載作用下組合梁位移值

?鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范?(TB 10002—2017)第5.2.2條規(guī)定:設(shè)計(jì)時(shí)速200 km及以上鐵路無(wú)砟軌道橋面預(yù)應(yīng)力混凝土梁，軌道鋪設(shè)完成后，當(dāng)跨度大于50 m時(shí)，豎向殘余徐變變形不應(yīng)大于L/5 000且不大于20 mm，本梁豎向殘余徐變變形限值為19.2 mm。為保證武九客專正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)前本梁正式轉(zhuǎn)體到位，工期較緊張，如按預(yù)應(yīng)力張拉完畢后60 d鋪設(shè)軌道，梁體殘余徐變上拱值為20.4 mm，超過(guò)規(guī)范限值，故本梁軌道鋪設(shè)待梁體轉(zhuǎn)體到位后進(jìn)行；根據(jù)全線運(yùn)架梁需要，本梁軌道鋪設(shè)在梁體預(yù)應(yīng)力張拉完700 d后進(jìn)行，梁體殘余徐變上拱值10.5 mm，滿足規(guī)范限值要求。殘余徐變上拱值見(jiàn)表4。

表4 殘余徐變上拱位移值 mm

5.2 計(jì)算結(jié)論

通過(guò)空間模型計(jì)算模擬，本梁各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，并有一定的富裕度。

6 施工方案

廬山特大橋右單線橋采用1－96 m鋼－混組合桁架梁跨越武九客專，兩線夾角16°。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形條件，經(jīng)過(guò)多次方案比選，最終采用側(cè)位拼裝、現(xiàn)澆，轉(zhuǎn)體架設(shè)的施工方案[10－13]。

(1)鋼－混組合桁架梁在Y197墩側(cè)搭設(shè)與組合梁架設(shè)中心線成16°夾角的超高支撐體系(與武九客專鐵路平行)，在Y197墩頂墊石連線及架設(shè)中心線交點(diǎn)設(shè)置轉(zhuǎn)軸作為拼裝及轉(zhuǎn)體架設(shè)固定圓心，拼裝支撐體系通過(guò)滑道梁與Y198主墩連接。

(2)完成鋼桁架拼裝，施工現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土槽型梁，進(jìn)行橋梁附屬工程施工。

(3)在鋼混組合梁四個(gè)支座墊板下方設(shè)置滑塊，通過(guò)設(shè)置在Y198墩前端的一臺(tái)水平連續(xù)千斤頂拖拉鋼混組合梁繞Y197墩頂轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)體到位，到位后拆除兩主墩墩頂滑道，并在最后一步落梁施工前完成支座安裝，如圖6所示。

圖6 鋼－混組合桁架梁施工總體布置

6.1 鋼－混組合桁架梁轉(zhuǎn)體系統(tǒng)

鋼－混組合桁架梁轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由轉(zhuǎn)軸、跨線滑道梁、牽引設(shè)備組成。

(1)轉(zhuǎn)軸:由定位軸、轉(zhuǎn)動(dòng)軸和橫梁三部分組成，整套系統(tǒng)設(shè)置在Y197號(hào)墩墩頂。

(2)跨線滑道梁:跨線滑道梁長(zhǎng)度16.2 m，采用鋼箱焊接結(jié)構(gòu)，分段模塊化設(shè)計(jì)，每段長(zhǎng)度8.1 m，重約40 t。拼裝時(shí)采用汽車(chē)吊提前將滑道梁吊裝至Y198號(hào)墩端臨時(shí)墩上方，現(xiàn)場(chǎng)完成4段32 m滑道梁連接。

(3)牽引設(shè)備:布置在Y198號(hào)墩墩頂，由2臺(tái)100 t水平連續(xù)千斤頂、反力支座、水平頂作業(yè)平臺(tái)及起落梁平臺(tái)組成。

6.2 施工步驟

(1)輔助工程施工:①場(chǎng)地平整；②支架基礎(chǔ)施工及支架、滑道梁制作；③支架、滑道梁安裝；④分配梁及貝雷片搭設(shè)。

(2)鋼混組合梁高位拼裝:鋼桁架由一端向另一端進(jìn)行安裝，先安裝第一節(jié)間，按下弦節(jié)點(diǎn)、下弦桿縱、橫向連接件、腹桿、上弦節(jié)點(diǎn)，再拼裝門(mén)架(橫聯(lián))、上弦桿(上平縱聯(lián))的順序進(jìn)行拼裝，盡快形成閉合框架，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。之后以第一節(jié)間為母段進(jìn)行下一節(jié)間拼裝，依次向前推進(jìn)，直至全橋拼裝結(jié)束。

(3)預(yù)應(yīng)力混凝土槽型梁施工:在鋼桁架拼裝完成后，線下分步進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土的施工，按盤(pán)扣式腳手架搭設(shè)→主、次楞安裝→模板安裝→鋼筋綁扎、連接→套管安裝→混凝土澆筑→穿預(yù)應(yīng)力筋→安裝錨具和張拉塊→張拉→管道壓漿的順序進(jìn)行施工。

(4)鋼混組合梁轉(zhuǎn)體架設(shè):鋼混組合梁施工完成后，在不影響武九客專鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試的條件下轉(zhuǎn)體就位，再拆除跨線滑道梁，最后一步落梁前完成永久支座安裝。

7 結(jié)束語(yǔ)

作為國(guó)內(nèi)第一座應(yīng)用于時(shí)速350 km高速鐵路的最大孔徑鋼－混組合桁架梁結(jié)構(gòu)，安九鐵路廬山特大橋96 m鋼－混組合桁架梁已于2017年8月30日順利轉(zhuǎn)體、落梁到位。

(1)在聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，軌道平順性、運(yùn)營(yíng)舒適性得到了充分證明，從而也驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的合理性和正確性。

(2)該結(jié)構(gòu)外觀簡(jiǎn)潔美觀、建筑結(jié)構(gòu)低、自重輕、跨越能力強(qiáng)、與無(wú)砟軌道板結(jié)合性能好、易于養(yǎng)護(hù)維修的特點(diǎn)在工程中得到了充分展示。

(3)側(cè)位拼裝、現(xiàn)澆，轉(zhuǎn)體架設(shè)施工技術(shù)的成功應(yīng)用，進(jìn)一步豐富了該類(lèi)型結(jié)構(gòu)的施工方法，拓展了其適用范圍。