哈大鐵路客運專線變跨結合梁設計

孫宗磊

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

1 概述

新建哈爾濱至大連客運專線沈大段線路長度425.536 km，其中橋梁長度293 172.2 km，占線路長度的68.9%。沈大段沿線經濟發展較快，新建道路縱橫，管線密布，地方對鐵路預留道路、管線規劃條件提出了更高的要求，為滿足地方的要求，部分橋梁需要調整跨度。沈大段橋梁以標準跨度的雙線預應力混凝土簡支梁為主，梁場預制架設。橋梁跨度調整后，不可避免部分工點出現非標準跨度，考慮施工工期、施工方案和施工方法難易等綜合因素，經比選，采用鋼混結合梁進行變跨調整。沈大段共有調跨11處，跨度變化范圍為17.22～24.6 m。施工方法采用架橋機架設或整體吊裝。

鋼混結合梁亦稱組合梁，由鋼梁和混凝土板組合在一起共同受力。鋼混結合梁具有剛度大、抗震性能好、節約鋼材、施工周期短、施工方便以及噪聲小等優勢，同時鋼混結合梁在秦沈客運專線［1］、京津城際［2］等客運專線鐵路得到應用。

2 結構形式及材質選擇

鋼混結合梁分兩階段施工，第一階段架設鋼梁。為節省鋼材，鋼梁結構一般為敞口結構形式。雙線鐵路橋梁一般采用雙箱單室結構，雙箱采用橫隔板連接。輕軌和公路橋梁采用單箱單室或雙室居多。

哈大客運專線梁部以32 m雙箱簡支箱梁為主，箱梁外輪廓采用斜腹板，橋墩采用流線形，橋梁成為哈大客運專線的一道靚麗風景線。局部變跨鋼混結合梁如采用雙箱單室結構形式，梁部線形從視覺上出現局部突變，同時鋼箱梁底部跨度大，橋墩輪廓與相鄰橋墩不一致，景觀上不協調，經比選，變跨鋼混結合梁采用外輪廓與混凝土簡支箱梁一致的單箱雙室結構。

設計中就鋼梁材質進行了比選。Q370qE鋼材板厚引起的承載力折減效應不明顯，同時其韌性指標和焊接性能比較好，同時哈大客運專線地處寒冷地區，對鋼結構性能要求高，根據計算結果，經比選采用了Q370qE鋼材，橋面板采用C50鋼筋混凝土。結構形式見圖1。

圖1 哈大客運專線變跨結合梁(橫隔板未示)(單位:mm)

鋼梁采用單箱雙室截面，邊腹板傾斜設置，傾斜度1∶5，中腹板垂直設置，截面外形呈倒梯形，全橋每隔4 m左右設置橫隔板。

上翼緣厚度30 mm，寬600 mm;下翼緣厚度30 mm，寬5 820 mm(腹板間5 740 mm);腹板高(垂直)2 540 mm，厚度16 mm;鋼梁高度2 600 mm。

端橫隔板板厚30 mm，中間橫隔板板厚25 mm。

本設計橋面板寬12.0 m，橋面板橫向水平設置。鋼梁及橋面板均按直線設計，曲線上按平分中矢進行布置。

混凝土板中間部分厚400 mm，懸臂部分采用直線漸變，懸臂端厚300 mm。

支座橫向間距4 500 mm，縱向距離梁端500 mm。

傳剪器采用直徑22 mm圓柱頭焊釘，焊釘材料ML15;承載力設計值及疲勞剪力幅分別采用50 kN及25 kN。

為降低結構重心，減小鋼梁噪聲，底板鋪設纖維混凝土。鋼梁底板每隔4 m左右設置直徑為80 mm的泄水孔。

3 橋梁設計荷載及相關規定

3.1 恒載

一期恒載包括鋼梁自重，模板、鋼筋混凝土橋面板重，該荷載由鋼梁承擔。二期恒載無砟直(曲)線按184 kN/m，有砟直線按185 kN/m，曲線按201 kN/m計，由鋼梁與鋼筋混凝土橋面板形成的組合截面承擔。

3.2 活載

ZK標準活載及ZK特種活載［3］。

3.3 溫度力

按鋼梁與鋼筋混凝土橋面板溫度差等于±15℃考慮。

3.4 混凝土收縮徐變影響

混凝土收縮按現澆混凝土降溫15℃，并考慮混凝土徐變影響。

3.5 剪力傳剪器

采用φ22 mm柔性栓釘，承載力及疲勞剪力幅分別采用50 kN和25 kN。

4 鋼混結合梁設計

設計上分2個施工階段:第一施工階段鋼梁施工就位，以鋼梁為模架進行鋼筋混凝土橋面板澆筑。此時一期恒載由鋼梁承擔。第二施工階段，橋面設備施工。二期恒載及活載由鋼梁與鋼筋混凝土橋面板形成的組合截面承擔。位于曲線上的鋼梁，在設計中同時考慮組合梁扭矩效應和畸變效應。

4.1 換算截面的合理計算方法

4.1.1 混凝土有效寬度計算〔4〕

混凝土板的有效寬度按以下各項中之最小值。

(1)主梁間的板W

①兩主梁中心距之半;

②主梁跨度的1/6;

③如板有梗脅時，取b/2+c+6h。

(2)主梁外側的懸臂板W1

①主梁中心至板的懸臂端之間的距離;

②主梁跨度的1/12;

③如板有梗脅時，取b/2+c+6h。

以上符號代表意義見圖2。

圖2 混凝土有效寬度示意

4.1.2 結合梁截面特性計算〔5〕

采用面積換算求相關截面特性。混凝土板、鋼梁及結合梁關系見圖3。

圖3 重心位置關系

具體計算公式如下:

式中 Fh，Fg，Fz——混凝土板、鋼梁、結合梁的橫截面面積，m2;

αh——結合梁換算截面重心與混凝土板重心的距離，m;

αg——結合梁換算截面重心與鋼梁重心的距離，m;

α——混凝土板與鋼梁重心間的距離，m;

Ih，Ig，Iz——混凝土板、鋼梁、結合梁對各自中性軸的截面慣性矩，m4。

4.2 鋼與混凝土彈性模量比值

設計中，在不同階段、不同工況受力分析時，鋼與混凝土的彈性模量比n值按表1所列之值采用。

表1 鋼與混凝土的彈性模量比n

4.3 荷載的偏載計算

3片主梁在恒載和活載分別作用工況下，分擔的荷載是不均勻的。因此，采用上述計算方法時，應分別考慮偏載系數［6］，活載偏載計算時應同時考慮曲線影響。

4.4 穩定計算

鋼混結合梁的穩定在第二階段由于混凝土板與鋼梁形成整體截面，因此穩定一般不會存在問題。在第一施工階段，由于鋼梁為敞口截面，穩定性很差。因此第一施工階段的穩定問題非常重要。本橋使用空間有限元程序進行了空間分析，空間模型見圖4。通過分析，設置合理間隔的橫梁、橫隔板和加勁肋能夠很好的防止結構局部屈曲，滿足施工及運營階段結構的穩定要求［7］。

4.5 鋼梁架設

設計中考慮了2種鋼梁架設方案，一是可利用梁場運架設備進行架設，二是也可采用汽車吊裝的方法進行架設。設計給出了詳細的吊點設計和要求(圖5)。

圖5 鋼梁吊點設計(單位:mm)

5 結語

哈大客運專線變跨結合梁滿足了長大橋梁局部跨度調整的要求，同時結構的外形與相鄰混凝土簡支梁輪廓相協調，施工簡單，滿足了景觀和工期的要求。變跨結合梁的應用，為解決長大橋梁施工過程中的局部孔跨調跨，滿足地方要求，提供了成功經驗。

［1］彭嵐平.秦沈客運專線連續結合梁設計［J］.鐵道標準設計，2001(9):18-21.

［2］劉敬棉.京津城際軌道交通跨京山鐵路小三線結合梁設計［J］.鐵道標準設計，2007(2):24-26.

［3］中華人民共和國鐵道部.鐵建設［2007］47號 新建時速300～350 km客運專線鐵路設計暫行規定［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［4］中華人民共和國鐵道部.TBJ24—89 鐵路結合梁設計規定［S］.北京:中國鐵道出版社，1989.

［5］項海帆.高等橋梁結構理論［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［7］中華人民共和國鐵道部.TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.