昌九高鐵揚(yáng)子洲贛江公鐵合建連續(xù)鋼桁梁橋設(shè)計(jì)研究

黃 振

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063; 2.中國鐵建股份有限公司橋梁工程實(shí)驗(yàn)室,武漢 430063)

1 概述

隨著我國對(duì)基建投入的繼續(xù)加大,高速鐵路公鐵合建的橋梁勢(shì)必會(huì)增加[1-2]。連續(xù)鋼桁梁橋具有剛度大[3-5]、通行能力強(qiáng)、構(gòu)造簡(jiǎn)單及施工快速等諸多優(yōu)點(diǎn),是國內(nèi)外中小跨徑公鐵合建橋梁的常用橋型[6-9]。南昌揚(yáng)子洲贛江公鐵大橋跨贛江中支主橋(以下簡(jiǎn)稱“贛江中支主橋”)采用上、下層帶挑臂的大跨度平行弦連續(xù)鋼桁梁橋,高速鐵路與公路雙層合建,為國內(nèi)外首次。以該橋?yàn)檠芯繉?duì)象,總結(jié)本橋的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),為類似工程提供參考。

2 工程概況

南昌揚(yáng)子洲贛江公鐵大橋全長18.9 km,跨贛江西支水道、贛江中支水道與北二環(huán)共建,采用公鐵分層合建方案。其中,贛江中支主橋采用(78+134+152+134+78) m連續(xù)鋼桁梁橋方案,全長577.7 m(梁端0.85 m),立面位于3.5‰縱坡上,小里程側(cè)113.2 m范圍平面位于曲線上。

橋面上層布置雙向8車道城市快速路,設(shè)計(jì)速度為80 km/h,荷載等級(jí)為城—A級(jí)。橋面下層布置雙向4車道城市主干路+雙線高速鐵路,其中城市主干路設(shè)計(jì)速度為60 km/h,荷載等級(jí)為城—A級(jí);昌九高鐵設(shè)計(jì)速度為350 km/h,線間距5 m,軌道形式為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道,荷載等級(jí)為ZK活載。

3 總體設(shè)計(jì)

贛江中支水道為規(guī)劃的Ⅲ級(jí)航道,根據(jù)通航要求,跨贛江中支采用單孔雙向通航,通航孔跨度≮152 m,根據(jù)防洪要求橋墩阻水比≯5%。針對(duì)主跨152 m公鐵合建橋梁,適用的橋型有矮塔斜拉橋、拱橋及連續(xù)鋼桁梁橋,其中連續(xù)鋼桁梁橋具有剛度大、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),推薦采用連續(xù)鋼桁梁橋。

結(jié)合堤防安全、通航、防洪及結(jié)構(gòu)受力需要,贛江中支主橋孔跨布置為(78+134+152+134+78) m,小里程側(cè)水中引橋孔跨布置為(50+56+50) m+3×49 m,大里程側(cè)水中引橋孔跨布置為(3×60) m+(48+60+48) m,主橋采用連續(xù)鋼桁梁,引橋采用雙層連續(xù)梁,經(jīng)濟(jì)性較好。贛江中支主橋橋式方案立面如圖1所示。

圖1 贛江中支主橋橋式方案立面(單位:m)Fig.1 Elevation of the main bridge type scheme for Ganjiang middle branch (Unit: m)

大跨徑連續(xù)鋼桁梁橋可采用增設(shè)上部或者下部加勁結(jié)構(gòu)以提高跨越能力[10-11]。根據(jù)以上橋跨布置,針對(duì)主梁形式研究比選了斜拉索加勁鋼桁連續(xù)梁、剛性懸索加勁鋼桁連續(xù)梁、上變高加勁鋼桁連續(xù)梁、下變高加勁鋼桁連續(xù)梁及平行弦鋼桁連續(xù)梁,見表1。其中,平行弦鋼桁連續(xù)梁造型簡(jiǎn)潔美觀、行車視野好、構(gòu)造簡(jiǎn)單及施工快速,最終推薦采用(78+134+152+134+78) m平行弦鋼桁連續(xù)梁。

表1 贛江中支主橋橋型比選Tab.1 Comparison and selection of bridge types for Ganjiang middle branch main bridge

4 橋梁橫斷面形式研究

根據(jù)以上橋面布置要求,研究了4種橋梁橫斷面形式:帶雙層挑臂鋼桁梁斷面、帶雙層挑臂箱桁組合截面、矩形鋼桁梁斷面、矩形箱桁組合斷面。4種方案的上橋面系均采用密橫梁形式的正交異性板體系;下橋面系分為鋼箱桁組合體系及正交異性板體系,其中,帶雙層挑臂箱桁組合截面為主桁之間采用鋼箱體系,挑臂處采用正交異性板體系。贛江中支主橋橫斷面方案見圖2。

圖2 贛江中支主橋橫斷面方案(單位:m)Fig.2 Cross section scheme of Ganjiang middle branch main bridge (unit: m)

研究表明,采用矩形鋼桁梁斷面或矩形箱桁組合斷面時(shí),由于橫梁跨度大,下層列車活載作用下存在較大的豎向變形,難以適應(yīng)梁端部軌道形位要求,需要在梁端部橫梁中間位置設(shè)置豎向支座,如圖3所示。同時(shí),由于設(shè)置豎向支座,將導(dǎo)致梁端部活載轉(zhuǎn)角進(jìn)一步增大而超過限值,進(jìn)而需要將端部局部區(qū)域范圍橫梁及軌道下小縱梁加強(qiáng)以降低活載轉(zhuǎn)角。矩形斷面由于橫向跨度大,腹桿面外彎矩、橫梁彎矩等受力均較大,從而增加了此部分的用鋼量。相比矩形斷面,帯挑臂的鋼桁梁斷面結(jié)構(gòu)整體性更好,主桁對(duì)軌道處橋面系的約束強(qiáng),因此無需另設(shè)其他措施以解決梁端轉(zhuǎn)角等問題。

圖3 矩形斷面梁端豎向限位支座(單位:m)Fig.3 Vertical limit support at the end of rectangular cross-section beam (unit: m)

圖4、圖5分別為矩形鋼桁梁斷面、帶雙層挑臂鋼桁梁斷面墩頂處上層橋面縱向正應(yīng)力橫向分布曲線。

圖4 矩形鋼桁梁斷面墩頂處上層橋面縱向正應(yīng)力橫向分布曲線Fig.4 Horizontal distribution curve of longitudinal normal stress on the upper deck of a rectangular steel truss beam at the top of the pier section

圖5 帶雙層挑臂鋼桁梁斷面墩頂處上層橋面縱向正應(yīng)力橫向分布曲線Fig.5 Horizontal distribution curve of longitudinal normal stress on the upper bridge deck at the top of the pier section of a double decker cantilever steel truss beam

根據(jù)剪力滯系數(shù)定義式[12-13]:λ=σ/σ0。墩頂位置上層橋面,矩形鋼桁梁斷面滯系數(shù)λ=2.02,帶雙層挑臂鋼桁梁斷面滯系數(shù)λ=1.49。可知,帶雙層挑臂鋼桁梁斷面應(yīng)力分布更加均勻,其橋面板參與到縱向受力的有效寬度更多,進(jìn)而在一定程度上能提高橋梁的跨越能力。

表2是贛江中支主橋橫斷面各方案的綜合比較,可以看出,帶雙層挑臂鋼桁梁斷面具有受力狀態(tài)合理,結(jié)構(gòu)整體性好、剛度大、工程經(jīng)濟(jì)、技術(shù)難度相對(duì)較低、施工難度小、施工周期短等優(yōu)點(diǎn),因此作為推薦方案。

表2 贛江中支主橋橫斷面方案比較Tab.2 Comparison of cross section plans for Ganjiang middle branch main bridge

5 桁架結(jié)構(gòu)體系研究

(1)桁高

主梁桁高主要受行車凈空、橫向桿件受力、主橋橫豎向剛度和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造細(xì)節(jié)控制。鋼桁梁桁高增加可以提高橋梁豎向剛度;同時(shí)桁高增加,主桁橫向受風(fēng)面積增大,對(duì)橫向剛度不利[14]。國內(nèi)部分已建大跨徑鐵路、公鐵兩用連續(xù)鋼桁梁橋的桁高為14～16 m[2]。

本橋與引橋橋面對(duì)應(yīng),根據(jù)引橋建筑高度,上層橋面頂至鐵路軌面處高度為11.796 m,考慮橋梁相應(yīng)的結(jié)構(gòu)高度,主桁中心計(jì)算高度為12.7 m,該桁高相對(duì)常規(guī)桁高偏低。以下分別以12.7,14 m和15 m桁高進(jìn)行計(jì)算分析,對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 桁高計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of beam height calculation results

由表3可知,桁高變化基本不影響總體受力;桁架高越高梁端轉(zhuǎn)角越小,主跨剛度越大;桁高加高能降低上下弦軸力,相應(yīng)減少上下弦桿用鋼量,腹桿由于加長而增加用鋼量,因此主橋主桁經(jīng)濟(jì)性存在一定的經(jīng)濟(jì)高度范圍,但是桁高增加勢(shì)必增加引橋工程數(shù)量。本橋考慮到12.7 m桁高梁端轉(zhuǎn)角和主跨剛度均滿足設(shè)計(jì)要求,且能降低兩層橋面之間的高差,從而降低引橋工程造價(jià)。同時(shí),為保持全橋上下層橋面間距統(tǒng)一,與引橋保持順接,最終確定本橋采用的桁高為12.7 m。

(2)桁式

目前鋼桁梁常用桁型主要有華倫桁架、三角桁架和N形桁架[15]。

計(jì)算分析表明,這幾種桁架形式的區(qū)別只是在于腹桿布置方式不同,結(jié)構(gòu)性能沒有太大的優(yōu)劣差別,技術(shù)上都是可行的。三角形桁架和N形桁架有更簡(jiǎn)潔的線條外形,在現(xiàn)代桁架橋中應(yīng)用比較廣泛;而且桁架節(jié)點(diǎn)所接桿件少,對(duì)桁架制作提供了有利條件。對(duì)于無豎桿的三角桁架,由于缺少豎桿,橫向門架和橫聯(lián)設(shè)計(jì)較為困難。綜合以上特點(diǎn),從景觀、構(gòu)造等角度出發(fā),本橋采用三角形桁架方案。

6 內(nèi)力分布規(guī)律研究

為揭示帶雙層挑臂鋼桁梁斷面連續(xù)鋼桁梁的內(nèi)力分布規(guī)律,建立了板殼單元模型,開展墩頂及跨中位置上下層橋面系中不同構(gòu)件的縱向軸力分布研究,計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 橋面系構(gòu)件軸力分配Tab.4 Axial force distribution of bridge deck system components

研究表明,上下層橋面系中縱向軸力的分配存在以下規(guī)律:(1)墩頂處上層橋面系,軸力主要由上層橋面板承擔(dān),占比61.4%,上弦桿為36.8%;(2)墩頂處下層橋面系,軸力主要由下弦桿承擔(dān),占比72.5%,下橋面占比為15.3%,由于墩頂處下弦桿受支反力存在較大的負(fù)彎矩,從而導(dǎo)致頂板存在一定拉應(yīng)力區(qū)域,該拉應(yīng)力與全橋體系的壓應(yīng)力疊加,進(jìn)而降低了下橋面的縱向應(yīng)力;(3)跨中處上層橋面系,軸力主要由上層橋面板承擔(dān),占比68.7%,上弦桿為27.5%;(4)跨中處下層橋面系,軸力主要由下層橋面板承擔(dān),占比60.0%,下弦桿為25.4%;(5)上下層邊縱梁及鐵路軌道下縱梁參與軸力分配較小,最大值分別為4.1%、10.5%。

7 橋面系應(yīng)力分布研究

主力組合作用下,帶雙層挑臂鋼桁梁橋跨中橋面及墩頂處下層橋面縱向正應(yīng)力分布如圖6～圖8所示。結(jié)合圖5及圖6～圖8結(jié)果表明:墩頂及跨中處橋面縱向正應(yīng)力分布較為不均勻,墩頂下層橋面縱向應(yīng)力不均勻程度最大,下橋面系由于在支點(diǎn)處存在較大彎曲應(yīng)力,從而出現(xiàn)較大的應(yīng)力突變;上、下層橋面板縱向應(yīng)力大小為:弦桿處應(yīng)力>橋面中央(或者軌道處)應(yīng)力>挑臂端部應(yīng)力。

圖6 跨中處上層橋面縱向正應(yīng)力橫向分布Fig.6 Horizontal distribution of longitudinal normal stress on the upper deck of the mid span bridge

圖7 跨中處下層橋面縱向正應(yīng)力橫向分布Fig.7 Horizontal distribution of longitudinal normal stress on the lower deck of the mid span bridge

圖8 墩頂處下層橋面縱向正應(yīng)力橫向分布Fig.8 Horizontal distribution of longitudinal normal stress on the lower deck at the top of the pier

結(jié)合以上應(yīng)力分布圖,得到帶雙層挑臂鋼桁梁斷面關(guān)鍵位置剪力滯系數(shù),如表5所示。其中,墩頂下橋面處橋面板應(yīng)力分布不均勻,但應(yīng)力水平低,不控制橋面板的設(shè)計(jì),此處未列舉該處剪力滯系數(shù)。從表中可知,剪力滯系數(shù)為:墩頂上橋面>跨中下橋面>跨中上橋面,設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)以上位置橋面板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

表5 橋面系剪力滯系數(shù)Tab.5 Shear lag coefficient of bridge deck system

8 靜動(dòng)力分析結(jié)果

根據(jù)以上確定的橋梁方案,橋梁靜動(dòng)力分析結(jié)果如下。

(1)剛度

在汽車和列車活載最大偏載作用下主梁豎向撓度為62 mm,撓跨比為1/2 451;橫向變形撓跨比為1/9 268。

活載梁端轉(zhuǎn)角為0.88‰rad;在汽車和列車活載最大偏載作用下,3 m長度的一線兩根鋼軌豎向相對(duì)變形為0.1 mm<1.5 mm。各項(xiàng)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)結(jié)構(gòu)受力

主力+附加力荷載作用下,結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果如表6所示,各項(xiàng)應(yīng)力結(jié)果滿足要求。

表6 主力+附加力結(jié)構(gòu)應(yīng)力 MPaTab.6 Main force+additional force structural stress

(3)穩(wěn)定性

穩(wěn)定性分析表明:恒載+活載作用下,屈曲模態(tài)為腹桿縱橋向失穩(wěn);特征值:41.2>4.0,滿足穩(wěn)定性要求。

(4)軌道線形分析

開展了橋面30,60,300 m弦測(cè)高低不平順校核[16],結(jié)論如下。

30 m弦測(cè)高低不平順值Δ=0.4 mm<2 mm,滿足要求。60 m弦測(cè)高低不平順值Δ=2 mm<7 mm,滿足要求。300 m弦測(cè)高低不平順值Δ=2.8 mm<10 mm,滿足要求。

(5)風(fēng)-車-橋耦合分析

計(jì)算采用基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和有限元法結(jié)合的聯(lián)合仿真技術(shù)[17-20],列車選用CRH2動(dòng)車組,采用美國6級(jí)軌道譜作為軌道激勵(lì),仿真計(jì)算了CRH2動(dòng)車組在有橫風(fēng)作用(風(fēng)速20～30 m/s)和無橫風(fēng)作用下列車以不同速度(300～400 km/h)通過橋梁時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果。車輛評(píng)價(jià)如表7所示。

表7 贛江中支主橋車輛響應(yīng)評(píng)定Tab.7 Vehicle response evaluation of Ganjiang middle branch main bridge

研究表明:在考慮橫向風(fēng)荷載(風(fēng)速20～30 m/s時(shí))作用下,當(dāng)CRH列車組以3種不同的車速(300,350 km/h和400 km/h)通過橋梁時(shí),橋梁結(jié)構(gòu)的橫向撓跨比、豎向撓跨比、橫向加速度及豎向加速度均滿足要求;車輛的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪對(duì)橫向力、橫向及豎向加速度均滿足要求。

9 結(jié)論

贛江中支主橋采用主跨152 m公鐵混層合建連續(xù)鋼桁梁橋,為世界首座高速鐵路公鐵合建采用帶上下層挑臂的大跨徑連續(xù)鋼桁梁橋,實(shí)現(xiàn)了多通道合建的使用功能。針對(duì)該橋低桁高、平行弦、跨度大、橋面寬及新型截面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以及行車剛度適應(yīng)性等問題,開展了分析研究。主要結(jié)論如下。

(1)結(jié)合該橋多通道合建的使用功能要求,深入研究4種截面形式,提出帶雙層挑臂連續(xù)鋼桁梁橋截面形式。研究表明,帶雙層挑臂的鋼桁梁斷面為公鐵合建橋的適宜斷面形式。

(2)針對(duì)帶雙層挑臂連續(xù)鋼桁梁橋,開展內(nèi)力分布規(guī)律研究,得出了不同截面橋面系的內(nèi)力分配規(guī)律,為設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

(3)針對(duì)帶雙層挑臂連續(xù)鋼桁梁橋,開展橋面系應(yīng)力狀態(tài)研究,得到剪力滯效應(yīng)系數(shù):墩頂上橋面(1.49)>跨中下橋面(1.38)>跨中上橋面(1.13)。

(4)針對(duì)帶雙層挑臂公鐵合建連續(xù)鋼桁梁橋,開展靜動(dòng)力特性研究并進(jìn)行了車橋耦合分析。結(jié)果表明,帶雙層挑臂的平行弦連續(xù)鋼桁梁橋能滿足時(shí)速350 km公鐵合建橋的行車運(yùn)行要求,結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力性能良好,適用跨徑能達(dá)150 m及以上。