新建鐵伊線跨綏佳鐵路特大橋鋼橫梁門式墩設(shè)計

王璐琳

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計院，山東 濟(jì)南 250022)

截止至2021年12月31日，我國高速鐵路運(yùn)營里程突破4萬km。隨著我國高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，小角度斜交跨越既有鐵路的情況越來越多，常用的方式有兩種：一是小跨度結(jié)構(gòu)、門式墩，二是采用大跨橋梁跨越。方案的選擇需要考慮兩線夾角、既有線運(yùn)營安全、橋下凈空等因素。門式墩不僅結(jié)構(gòu)形式簡單、施工周期短、投資低，且可以采用標(biāo)準(zhǔn)上部結(jié)構(gòu)，被廣泛使用[1]。本文以新建鐵路鐵力至伊春線跨綏佳鐵路特大橋為例，對新建高速鐵路與既有鐵路小角度交叉采用大跨度鋼橫梁門式墩進(jìn)行設(shè)計研究。

1 工程概況

新建鐵路鐵力至伊春線位于黑龍江省中部，是我國目前在建的最北部高速鐵路，起點(diǎn)位于鐵力站，終點(diǎn)位于伊春西站，全長111.4 km，其中橋梁長29.152 km，占比26.9%。

跨綏佳鐵路特大橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：設(shè)計速度，250 km/h；線路情況，雙線，線間距4.6 m，直線、曲線R=3 500 m、R=11 000 m，無縫線路；軌道形式，有砟軌道，鋪設(shè)無縫線路，鋼軌60 km/h；地震基本烈度6度，地震動峰值加速度a=0.05g；設(shè)計使用年限，正常條件下梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為100 a。

橋址區(qū)位于沖洪積平原區(qū)，地勢平坦開闊，稍有起伏，橋址區(qū)范圍地層主要為：人工填土層、粉質(zhì)黏土、細(xì)中砂、細(xì)圓礫土、泥巖、泥質(zhì)砂巖。線路在K4+079.18處與既有綏佳鐵路交叉，交叉角度為14°，橋梁在第40～42號橋墩采用門式墩跨越綏佳鐵路，跨度28 m，上部結(jié)構(gòu)采用32 m雙線簡支箱梁，配套梁圖“通橋(2016)2229-Ⅰ”。新建鐵伊線上跨綏佳鐵路平面見圖1。

圖1 新建鐵伊線上跨綏佳鐵路平面(單位：cm)

2 方案比選

2.1 橫梁方案比選

從橫梁結(jié)構(gòu)形式上可分為普通鋼筋混凝土橫梁、預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁、鋼橫梁、鋼混結(jié)合橫梁等[2]。鐵路中常見的橫梁結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁、鋼橫梁兩種形式[2]。

通過初步計算，本工程若采用預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁，截面尺寸為5.0 m×3.2 m；采用鋼橫梁，截面尺寸為3.3 m×3.0 m。預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁、鋼橫梁優(yōu)缺點(diǎn)分析見表1。

經(jīng)比較，采用預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁截面尺寸大、結(jié)構(gòu)受力不利，施工時需要在既有鐵路上方搭設(shè)支架現(xiàn)澆，不僅工期長，對既有線路運(yùn)營影響大，還控制線路縱斷面高度，影響橋梁長度。鋼橫梁尺寸小，結(jié)構(gòu)受力有利，還能工廠預(yù)制、吊裝施工、工期短，對既有線路運(yùn)營影響較小，故本橋采用鋼橫梁方案。

表1 門式墩橫梁方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.2 鋼橫梁與墩柱連接方式比選

鋼橫梁與混凝土墩柱連接方式分為鉸接和固結(jié)兩種形式。設(shè)計中需根據(jù)荷載、施工條件等綜合考慮[3]。兩種連接方式的內(nèi)力比較見表2。

表2 鋼橫梁與墩柱不同連接方式的內(nèi)力比較

2.2.1 鋼橫梁與混凝土墩柱鉸接

需在墩柱頂、鋼橫梁下設(shè)置支座，此時鋼橫梁為簡支結(jié)構(gòu)，受力明確，僅能將豎向力和水平力傳遞給墩柱，橫梁彎矩較大但墩柱無法分擔(dān)，會造成橫梁截面較大。此外，鋼橫梁上梁體與鋼橫梁鉸接，鋼橫梁與墩柱鉸接，整體穩(wěn)定性較差。

2.2.2 鋼橫梁與混凝土墩柱固結(jié)

墩梁固結(jié)分一次固結(jié)和先鉸接后固結(jié)兩種方式：一次固結(jié)是橫梁架設(shè)完成后直接澆筑墩頂連接段混凝土，然后架梁、施工橋上二期恒載；先鉸接后固結(jié)是橫梁架設(shè)完成后，先架梁施工二期恒載，再澆筑墩頂連接段，實現(xiàn)鉸接到固結(jié)的體系轉(zhuǎn)換。一次固結(jié)由于其簡單方便，是實際工程中最常用的方法。鋼橫梁與混凝土墩柱固結(jié)后形成一個整體，墩柱能分擔(dān)鋼橫梁的彎矩，從而可以減小鋼橫梁截面尺寸。

經(jīng)比較，固結(jié)與鉸接相比雖然墩頂彎矩較大，但橫梁彎矩卻要小7%，這有利于減小橫梁截面尺寸、控制結(jié)構(gòu)高度，故本橋采用鋼橫梁與混凝土墩柱固結(jié)的連接方式。

3 鋼橫梁門式墩設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

本工程采用鋼橫梁與混凝土墩柱插入式固結(jié)方案，門式墩立面布置見圖2。

圖2 門式墩立面布置(單位：cm)

3.1.1 鋼橫梁

鋼橫梁采用單箱單室箱型截面，梁高為3.0 m，梁寬3.3 m。40號門式墩鋼橫梁頂?shù)装搴穸热?0 mm，腹板厚度取20(36) mm(本文計算結(jié)果均以40號墩為例)。鋼橫梁腹板內(nèi)設(shè)豎向加勁肋及縱向加勁肋，頂?shù)装鍍?nèi)側(cè)設(shè)縱向加勁肋，橫梁內(nèi)每隔2 m左右設(shè)1道橫隔板，并于支座位置設(shè)橫隔板，橫隔板間設(shè)豎向加勁肋。鋼橫梁標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖3。

圖3 鋼橫梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：cm)

橋位處歷年極端最低氣溫為-39.7～-39.8 ℃，為保證鋼材低溫性能，鋼橫梁選用Q345qE鋼板。Q345qE鋼材低溫時效性能的主要工藝重點(diǎn)是在鋼中添加Nb、V、AI微合金元素可細(xì)化晶粒、固定鋼中自由氮并有良好的析出強(qiáng)化效果，能在保證最終強(qiáng)度的前提下大幅度提高低溫時效性能。

為減小低溫對結(jié)構(gòu)影響，優(yōu)化鋼橫梁節(jié)段，在滿足運(yùn)輸前提下，僅在中間預(yù)留一道焊縫，其余均為廠制，焊縫須焊透，保證焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)受力滿足設(shè)計要求。

3.1.2 墩柱

墩柱采用矩形截面，縱向?qū)挾葹?.9 m，橫向?qū)挾葹?.4 m，柱周采用R=25 cm的圓倒角。鋼立柱內(nèi)側(cè)設(shè)置的豎向加勁肋，不僅可以加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)和混凝土的連接，還能防止在灌注微膨脹混凝土的時候發(fā)生變形。鋼立柱外側(cè)設(shè)置焊釘，與外包鋼筋混凝土連接，形成整體受力。墩柱截面見圖4。

圖4 鋼立柱插入混凝土墩柱截面(單位：cm)

3.2 設(shè)計荷載

3.2.1 恒載

(1)結(jié)構(gòu)自重：按照《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》(TB10002-2017)采用。

(2)梁部恒載：按“通橋(2016)2229-Ⅰ”采用。

(3)基礎(chǔ)不均勻沉降：兩墩柱底不均勻沉降按不大于0.5 cm考慮。

(4)混凝土收縮徐變：根據(jù)《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10092-2017)計算混凝土的收縮徐變。

3.2.2 活載

(1)列車荷載采用ZK活載。

(2)列車活載動力系數(shù)：按照《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》(TB10002-2017)中4.3.8條計算。

(3)橫向搖擺力為130 kN，作為集中荷載取最不利的位置，以水平方向垂直于線路中心線作用于鋼軌的頂面。

(4)長鋼軌縱向水平力(伸縮力和撓曲力)：一股鋼軌伸縮力暫取15 kN。

3.2.3 附加力

(1)制動力或牽引力：按照列車豎向靜活載的10%計算，但當(dāng)與離心力或者列車豎向動力作用同時計算時，制動力或牽引力按照列車豎向靜活載的7%計算。

(2)結(jié)構(gòu)溫度變化:門式墩體系均勻溫度變化按±50 ℃計算，鋼橫梁與混凝土墩柱溫度差按±10 ℃計算。

(3)風(fēng)力：按《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》(TB10002-2017)第4.4.1條計算。

3.2.4 特殊荷載

一股鋼軌斷軌力暫取248 kN。

3.2.5 特殊荷載運(yùn)架梁荷載

待施工單位確定運(yùn)架梁設(shè)備后，根據(jù)運(yùn)架梁工況及荷載，分別驗算鋼橫梁、立柱、承臺、樁基。

3.3 荷載組合

荷載組合為：主力組合，恒載+活載+離心力+橫向搖擺力+鋼軌伸縮力或撓曲力；主+附組合，恒載+活載+離心力+橫向搖擺力+鋼軌伸縮力或撓曲力+風(fēng)力+整體溫度+制動力；主+特組合，恒載+一股鋼軌斷軌力+另一股鋼軌伸縮力+活載+離心力+橫向搖擺力。

4 計算結(jié)果

采用Midas軟件建模進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，鋼橫梁及墩柱共離散為61個單元、54個節(jié)點(diǎn)，分別對鋼橫梁強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定、疲勞進(jìn)行檢算。所建立模型如圖5所示。

圖5 計算模型

4.1 強(qiáng)度計算

根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10091-2017)對鋼橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，通過Midas計算軟件模型得知鋼橫梁的最大彎矩為29 605.7 kN·m，最大剪力為18 969.0 kN。鋼橫梁強(qiáng)度計算結(jié)果如表3所示。

由計算結(jié)果可知，主力作用下正應(yīng)力均小于

表3 鋼橫梁強(qiáng)度計算結(jié)果 MPa

Q345qE鋼的軸向基本容許應(yīng)力200 MPa，主+附作用下正應(yīng)力均小于260 MPa(主+附組合下容許應(yīng)力提高1.3倍)，兩種荷載下剪應(yīng)力均小于Q345qE鋼的剪應(yīng)力基本容許值120 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.2 鋼橫梁穩(wěn)定驗算

4.2.1 整體穩(wěn)定性

由于鋼橫梁為箱形截面桿件，根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10091-2017)4.2.2條，計算公式：

式中：N為計算軸向力；Am為毛截面面積；M為構(gòu)件中部1/3長度范圍內(nèi)最大計算彎矩；Wm為毛截面抵抗矩，中心受壓桿件的容許應(yīng)力折減系數(shù)φ1取0.9，容許應(yīng)力折減系數(shù)φ2取1.0，考慮彎矩因構(gòu)件受壓而增大所引用的值μ1取1.0。經(jīng)計算鋼橫梁最大應(yīng)力σ=167.5 MPa<0.9[σ]=180 MPa，在滿足強(qiáng)度要求的同時滿足整體穩(wěn)定。

4.2.2 鋼橫梁腹板局部穩(wěn)定性

4.2.3 鋼橫梁頂板受壓穩(wěn)定性

鋼橫梁受壓翼緣承載力受加勁板的剛度和局部穩(wěn)定的影響較大，應(yīng)力驗算時必須加以考慮。受壓加勁板的強(qiáng)度計算主要有容許應(yīng)力法、換算壓柱法、彈塑性有限元法和正交異形板法等。采用換算壓柱法[4]計算鋼橫梁頂板的受壓穩(wěn)定性。經(jīng)計算鋼橫梁頂板控制應(yīng)力為182.0 MPa<200 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.3 局部承壓計算

4.3.1 鋼橫梁吊裝時鋼柱

鋼橫梁吊裝后鋼柱底部承受鋼橫梁自重荷載，需檢算其局部承壓。經(jīng)計算σ=3.14 MPa<200 MPa，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值。

4.3.2 鋼橫梁支座處

橫梁與豎向加勁肋均在支座墊板范圍內(nèi)，計算如下：局部承壓應(yīng)力σ=65.46 MPa<200 MPa，滿足規(guī)范要求；豎向應(yīng)力σ=166.11 MPa<200 MPa，滿足規(guī)范要求；豎向加勁肋寬厚比a=10.72≤12(《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中8.0.5條規(guī)定支承加勁肋的伸出肢寬厚比不應(yīng)大于12)，滿足要求。

4.4 墩頂剛度

40號門式墩縱向水平剛度為1547 kN/cm>350 kN/cm(高速鐵路墩臺頂縱向水平線剛度限值)，滿足規(guī)范要求。

4.5 疲勞計算

根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》 (TB10091-2017)4.3條的規(guī)定，凡承受動荷載重復(fù)作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件活連接應(yīng)進(jìn)行疲勞檢算。鋼橫梁承受列車活載，按規(guī)范對其進(jìn)行驗算，γdγn(σmax-σmin)=47.6 MPa≤γt[σ0]=103.7 MPa，滿足規(guī)范要求。式中：γd為多線橋的多線系數(shù)；γn為以受拉為主的構(gòu)件的損傷修正系數(shù)；σmax、σmin為最大、最小應(yīng)力；γt為板厚修正系數(shù)；[σ0]為疲勞容許應(yīng)力幅。

5 新型防腐涂裝體系

鋼材具有自重輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但易銹蝕，鐵路鋼橋一旦出現(xiàn)銹蝕，會加速結(jié)構(gòu)退化，影響結(jié)構(gòu)使用年限。目前鐵路鋼橋防腐涂裝一般采用第七套涂裝體系，設(shè)計防護(hù)年限可達(dá)到25 a左右，而橋梁設(shè)計使用年限一般為100 a。在鋼梁整個設(shè)計使用年限內(nèi)，至少再需要進(jìn)行3～4次大修維護(hù)涂裝[5]。

嚴(yán)寒地區(qū)冬季極端負(fù)溫、凍融、干濕循環(huán)，具有特殊的腐蝕環(huán)境，嚴(yán)重威脅鋼橋的防腐涂層。綜合考慮全壽命周期內(nèi)的養(yǎng)護(hù)和維修成本，在設(shè)計階段應(yīng)多考慮一些措施和新材料、新工藝以提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

本工程對鋼橫梁外表面采用新型石墨烯氟碳超耐久防腐涂裝體系，利用石墨烯對第七套防腐體系(環(huán)氧富鋅防銹底漆+云鐵環(huán)氧中間漆+氟碳漆面)的涂層材料和涂層結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性，設(shè)計防護(hù)年限可以達(dá)到30～50 a，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，可達(dá)到長久保護(hù)橋梁鋼結(jié)構(gòu)的目的，大大降低了鋼橋涂裝后期維護(hù)成本[6]。

6 結(jié)論

(1)通過比較得出，新建高速鐵路橋梁與既有鐵路小角度斜交時宜采用大跨度鋼橫梁門式墩，大跨度鋼橫梁門式墩具有結(jié)構(gòu)形式簡單、施工周期短、對鐵路影響小等特點(diǎn)。

(2)以新建鐵路鐵力至伊春線跨綏佳鐵路特大橋為例，利用有限元軟件建模計算分析，鋼橫梁及墩柱各項計算結(jié)果均符合規(guī)范要求。

(3)本橋位于嚴(yán)寒地區(qū)，鋼橫梁采用Q345qE鋼材及石墨烯氟碳超耐久防腐涂裝體系，設(shè)計防護(hù)年限可以達(dá)到30～50 a，降低了鋼橋涂裝后期維護(hù)成本。