穗莞深城際東江南特大橋主橋設計

黃納新

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北武漢 430063)

1 工程概況

穗莞深城際軌道交通東江南特大橋位于東莞市石龍鎮境內,主橋跨越東江南支流。橋位處東江南支流河道順直,河面寬約720 m,常水位最大水深約16.0 m,通航5 000 t級海輪,要求通航凈寬230 m,凈高34 m。橋位下游約60 m處正在修建廣深沿江高速公路大橋,其主橋為(146+256+146) m預應力混凝土連續剛構。為減小橋墩對水流的影響和滿足通航凈空要求,經多方案比較后,穗莞深城際軌道交通東江南特大橋主橋采用了(143+264+143) m加勁連續鋼桁梁,在傳統鋼桁梁上增設了剛性上加勁弦,加勁弦呈圓曲線形,在跨中和邊支點附近與上弦合在一起,加勁弦與上弦間設剛性吊桿連接,外觀如自錨式懸索橋。主橋橋長553 m,立面布置如圖1。

圖1 東江南特大橋主橋立面布置(單位：m)

1.1 氣象與地質條件

橋址所在區域屬亞熱帶季風氣候,平均氣溫21～22.2 ℃,最高氣溫37.9 ℃,最低氣溫-0.5 ℃。根據全國基本風壓分布圖,橋位水面20 m高度處設計基本風速為40 m/s。

河床上表覆蓋層為淤泥和粗砂,厚2.0～20 m,下伏基巖為含礫砂巖,中風化,基本承載力600 kPa。場地地震基本烈度7度,地震動峰值加速度值0.1g,地震動反應譜特征周期值0.35 s。

1.2 技術標準

(1)鐵路等級：城際軌道交通；雙線；有砟軌道。

(2)設計活載：0.6UIC活載。

(3)行車速度：設計時速140 km。

2 結構設計

2.1 主桁總體布置

鋼桁梁橫向采用兩片主桁,桁間距13 m,主桁平弦采用N形桁式,節間長度有13.2 m和12.65 m兩種。中跨由20個13.2 m節間組成,邊跨由7個13.2 m節間和4個12.65 m節間組成,平弦桁高18 m。加勁弦呈圓曲線形,中支點處加勁弦桁高36 m,總桁高54 m。加勁弦與上弦之間吊桿平行布置,順橋向間距13.2 m。主桁采用焊接整體節點,主桁桿件與節點之間采用高強度螺栓連接。

2.2 主桁弦桿

主桁下弦、上弦和加勁弦均采用箱形截面,兩塊豎板在節點范圍內伸出成為節點板。下弦桿件內寬1 000 mm,內高1 400 mm；與加勁弦結合處異形桿件除外,上弦桿件內寬1 000 mm,內高1 200 mm；加勁弦桿件內寬1 000 mm,內高1 200 mm。下弦、上弦和加勁弦在主桁節點外均采用四面對接方式連接,其中加勁弦是以受拉為主的桿件,由于吊桿的影響,加勁弦同時存在較大的桿端彎矩,強度檢算控制設計,考慮螺栓孔對截面的減弱,加勁弦接頭選擇在節點外彎矩和應力相對較小的部位。

2.3 主桁腹桿

斜腹桿以受壓為主,因桁高較高,桿件長,為了控制桿件長細比,滿足總穩定性要求,斜腹桿全部采用箱形截面,與主桁節點采用插入式連接。

直腹桿根據內力的大小,采用H形截面和箱形截面,H形截面直腹桿與主桁節點采用插入式連接,箱形截面直腹桿采用四面對接方式連接。直腹桿以受拉為主,與面內、面外彎矩疊加后,其下端強度檢算控制設計。為節省鋼材,直腹桿下端接頭均局部擴充了截面,以補償螺栓孔對截面的損失,H形截面通過加寬翼板的方式擴充,箱形截面通過加厚板厚的方式擴充(見圖2)。

圖4 橋面橫截面(單位：mm)

圖2 直腹桿下端截面擴充形式

2.4 主桁吊桿及立柱

為了加強抗風、抗震能力,同時使鋼桁梁具有良好的動力性能,本橋采用了剛性吊桿,并與上弦和加勁弦剛性連接。在加勁弦與上弦分叉處,由于吊桿短和節點的剛性,3根長度較短的吊桿面內彎矩較大,是以受彎為主的拉彎桿件,其截面形式和連接措施極為關鍵。設計中選取H形截面和箱形截面進行了計算比較,采用H形截面時,彎矩略有減小,但因抗彎剛度小,應力遠不滿足強度要求；采用箱形截面時,彎矩略大,隨著抗彎剛度的加大,可將應力降低到容許值內。經過比較,吊桿全部采用箱形截面,一般吊桿內寬1 000 mm,內高1 000 mm；短吊桿內寬1 000 mm,內高1 200～1 600 mm。短吊桿與主桁節點采用四面對接方式連接,在加勁弦和上弦節點內,對應短吊桿頂底板設置接頭隔板,該接頭隔板與短吊桿頂底板等厚,周邊以熔透焊縫焊接(見圖3)。

圖3 短吊桿與上弦、加勁弦連接立面

中支點處立柱是全橋承受軸向壓力最大的桿件之一,其中上立柱高36 m,總穩定性控制設計。立柱采用箱形截面,與主桁節點采用四面對接方式連接。

2.5 橋面系

橋面采用密橫梁形式整體鋼橋面結構,由橫梁、橫肋、橋面板、縱肋組成。橫梁與主桁節點對應,兩道橫梁之間設3道橫肋,間距3.3 m或3.15 m,橫梁、橫肋采用倒T形截面,采用高強度螺栓連接。鋼橋面板在道砟槽范圍設U肋縱肋,在人形道范圍設I肋縱肋,縱肋全橋連續,遇橫梁、橫肋則開孔穿過,橋面橫截面如圖4。鋼橋面板與主桁下弦桿通長焊接,與主桁共同受力。

2.6 聯結系

上弦平面和加勁弦平面均設縱向平聯,平聯采用交叉式結構,除梁端和中支點處橫撐采用箱形截面外,其余橫撐和斜桿均采用工字形截面,平聯桿件與焊接在主桁上的連接板均采用對接式連接。

主桁每一節間在直腹桿和吊桿上設置橫聯,邊支點處斜腹桿上設1道橋門架,中支點處斜腹桿和立柱上設3道橋門架,橫聯及橋門架均采用交叉式結構、H形截面,與焊接在主桁上的連接板采用插入式連接。

3 結構計算

3.1 主桁節點剛性的影響

主桁采用焊接整體節點,主桁桿件與節點之間采用高強度螺栓連接,主桁節點實際上是剛性連接,在外荷載作用下,桿件內將產生附加彎矩和應力。本橋主桁平面分析時,按節點鉸接和節點剛接兩種模型進行了計算比較,兩者恒載內力和應力對比情況見表1。

表1 主桁節點鉸接與剛接恒載內力和應力對比 kN·m、MPa

節點剛接時,短吊桿及與其連接的上弦和加勁弦內存在較大的桿端彎矩,其軸力和應力差異均很大；與短吊桿連接的腹桿,軸力差異也較大；其他部位的軸力和應力差異相對較小。本橋受節點剛性的影響大,按節點剛接設計。

3.2 橋面板參與受力分析

鋼橋面板與下弦桿通長焊接后,形成一個寬翼緣肋板式整體截面,參與主桁受力,由于橋面較寬和剪力滯的影響,橋面板縱向應力沿橫橋向分布不均勻,按平面結構分析主桁受力時,需考慮橋面板的有效寬度。橋面板的有效寬度與各橋的跨度、寬度和結構形式有關,且沿橋各部位均有差異,難以準確計算。本橋設計中按不計橋面板、計入50%橋面板、計入100%橋面板三種情況對主桁的應力進行了比較(見表2)。

表2 橋面板參與受力主桁應力對比(主力組合,應力MPa)

結論如下：橋面板參與受力程度對上弦、加勁弦、吊桿和立柱的應力幾乎沒有影響,在4%以內；對腹桿應力的影響較小,在7%以內；對下弦應力的影響較大,達29%,隨著橋面板有效寬度的加寬,下弦應力逐步減小。

本橋結構計算采取了以平面分析為主、空間分析輔助驗證的方法,空間分析結果的下弦應力界于平面分析計入50%橋面板和計入100%橋面板之間,因此本橋平面分析時取50%橋面板寬作為有效寬度是偏安全的。

3.3 結構變形

在雙線0.6倍UIC靜活載作用下,鋼桁梁邊跨最大豎向撓度-54 mm,撓跨比為1/2 650；中跨最大豎向撓度-162 mm,撓跨比為1/1 630；梁體下撓的最大梁端轉角1.6‰,梁體反彎的最大梁端轉角0.8‰,鋼桁梁變形滿足規范要求。

3.4 車橋動力分析

通過建立全橋動力分析模型,對自振特性和車橋空間耦合振動進行了計算分析,結果表明本橋具有足夠的豎向、橫向剛度和良好的列車走行性。當國產CRH2和德國ICE3動車組以速度80～160 km/h通過時,橋梁跨中和墩頂的豎向、橫向位移及加速度均滿足限值要求；列車脫軌系數、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內,列車行車安全性有保障；列車豎向和橫向舒適性均達到“良好”標準以上。

4 施工方案

鋼桁梁在工廠制造,運至現場拼裝。本橋采取了邊跨在支架上拼裝，中跨懸臂拼裝，先合龍加勁弦，后合龍平弦的施工方案。

中跨懸拼過程中,加勁弦未合龍前,加勁弦尚未發揮有效作用,如果沒有臨時設施輔助,鋼桁梁將產生較大的應力和變形,加勁弦合龍十分困難。為了解決這一問題,本橋在中墩頂設置了臨時塔架和2組臨時吊索,并把加勁弦合龍段選擇在吊桿長度和截面剛度相對適中處,既便于吊機架設,又便于合龍段兩端位移差調節(見圖5)。通過施工過程模擬計算,臨時吊索初張力采用5 000 kN,索力調至9 720 kN時,可實現加勁弦合龍。

圖5 鋼桁梁架設布置

中跨平弦合龍采取預設偏距、高差和轉角的方法,根據通常狀態下合龍口兩端的位移情況,本橋175號、176號墩處預設縱向偏距44 mm,175號、176號、177號墩處分別預抬高70 mm、296 mm、280 mm,鋼桁梁懸拼至跨中時,合龍口兩端的水平、豎向和轉角位移差為零,滿足平弦合龍要求。平弦合龍后,落梁至設計高程,鋼桁梁架設完成。

5 結論

剛性短吊桿剛性連接是東江南特大橋主橋的關鍵之處,在我國鐵路橋梁中為首次應用,該部位通過模型實驗驗證,結構安全可靠。

加勁連續鋼桁梁具有建筑高度小、跨越能力強、豎向剛度大、梁端轉角小等優點,同時具有良好的動力性能,適合通航河流大跨度鐵路橋梁建設的需要。

[1]周遠棣,徐君蘭.鋼橋[M].北京：人民交通出版社,2003

[2]李富文.鋼橋[M].成都：西南交通大學出版社,1992

[3]小西一郎[日].鋼橋[M].北京：人民鐵道出版社,1980

[4]肖海珠,劉承虞,易倫雄.南京大勝關長江大橋鐵路鋼橋面設計與研究[J].橋梁建設,2009(4)

[5]易倫雄.南京大勝關長江大橋大跨度鋼桁拱橋設計研究[J].橋梁建設,2009(5)

[6]韓衍群,葉梅新.連續鋼桁結合梁橋橋面系受力狀態及與橋面系剛度的關系[J].中南大學學報:自然科學版,2008,39(2)

[7]侯文崎,葉梅新.南京大勝關長江大橋三主桁鋼正交異型板整體橋面結構受力特性的試驗研究[J].鐵道科學與工程學報,2008,5(3)

[8]譚康榮.武廣鐵路客運專線東平水道橋三主桁鋼桁拱架設的技術創新[J].鐵道建筑,2010(1)