新建廣州南沙港鐵路小欖水道公鐵兩用特大橋方案設計

張曉江

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

新建廣州南沙港鐵路小欖水道公鐵兩用特大橋方案設計

張曉江

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

新建廣州南沙港鐵路小欖水道大橋主橋為主跨200 m公鐵兩用斜拉橋,為解決傳統分層布置線路展線過長的問題,在加勁梁的設計中創造性地采用公路與鐵路同層布置,梁體采用分離式鋼箱結構,橋塔采用H形橋塔,橋型新穎、線形優美、簡潔美觀。通過對結構整體與局部的有限元分析,滿足規范各項指標要求,為今后類似工程的設計提供借鑒。

公鐵兩用橋;斜拉橋;分離式鋼箱梁;方案設計

1 概述

廣州南沙港鐵路線路全長87.697 km,線路自廣珠鐵路鶴山站珠海端引出,終點站為南沙港站。小欖水道特大橋位于廣東省中山市小欖鎮,主橋于CK35+ 567.5～CK35+762.5處跨越小欖水道,小欖水道在廣東省中南部,屬西江水系。小欖水道現為Ⅲ級航道,規劃為Ⅰ(3)級航道,通航凈高18 m。

由于本橋線位與江門至廣州番禺高速北延線小欖水道并行,公路橋結構方案形式為100 m+195 m+ 100 m剛構,為減少工程數量,并充分利用鐵路跨越水道的資源,采用公鐵并行方案。

2 主要技術標準

2.1 鐵路技術標準

(1)鐵路等級:國鐵I級;

(2)正線數目:雙線;

(3)軌道型式:有砟軌道;

(4)正線線間距:4 m;

(5)速度目標值:120 km/h;

(6)設計活載:中-活載。

2.2 高速公路主要技術標準

(1)設計基準期:100年;

(2)道路等級:高速公路;

(3)設計行車速度:120 km/h;

(4)主線設計車道:雙向8車道,采用2×(0.75+ 3+3×3.75+0.75)m的行車道;

(5)設計汽車荷載:公路-Ⅰ級。

3 主橋方案設計

3.1 橋跨布置

根據通航論證,結合橋址跨越航道、港口碼頭情況,考慮橋墩阻水及穩流影響,主跨采用200 m一跨跨越航道。

3.2 結構總體布置

主橋采用(35+60+200+60+35)m公鐵兩用混合梁斜拉橋方案,主橋長391.9 m。主跨200 m跨越小欖水道。橋式布置如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位:cm)

根據斜拉橋的結構特點,為降低溫度效應對主塔、主梁產生的不利影響,主梁采用半漂浮體系。在主塔和主梁之間安裝阻尼裝置,以控制主梁在制動力和地震力作用下的縱向位移。在各墩上設置豎向支座,主塔上同時設置橫向支座限制主梁橫向位移。同時為了增加全橋剛度,邊跨設置輔助墩。

3.3 結構設計

3.3.1 主梁(圖2)

本橋采用分離式組合鋼箱梁,全寬47.5 m,線路中心至箱梁最低點高4.5 m,采用等截面箱梁。斜拉索錨固于箱梁上。頂板縱向采用U形加勁肋,橫向間距600 mm。腹板、底板縱向采用板形加勁肋,間距500 mm,厚16 mm。鐵路橋面軌道下方設置工形加勁梁。鋼箱梁主材采用Q370qE鋼材。

分離式組合鋼梁每個節段設3道箱內橫隔板,間距3.375 m。組合箱梁由中間橫梁連接,該橫梁間距為10 m,對應斜拉索的位置布置。中間橫梁橫斷面為矩形箱形斷面,梁高約5 m,腹板中心距為3.375 m,底板厚28 mm,腹板厚16 mm,頂底板及腹板上均采用16 mm×200 mm的I肋加勁,中間橫梁內每隔2 m設一隔板,板厚10 mm。

為減小邊跨長度,邊跨主梁采用C50預應力混凝土梁結構形式,外形輪廓同主跨鋼箱梁。錨固腹板壁厚2 m,其他壁厚0.35 m,腹板厚0.5 m。吊點橫梁采用箱形,跨中高5 m,腹板厚0.5 m。

圖2 橋面布置及主梁標準截面(單位:mm)

在輔助墩處往跨中方向10 m左右范圍內設置鋼混結合段,采用整體式填充混凝土,通過施加預應力,設置抗剪栓釘,并通過加勁肋的逐漸變高,以緩解梁體剛度的突變,保證力的順暢傳遞。

3.3.2 斜拉索

拉索為雙索面布置,全橋共設36對斜拉索。采用強度等級為1 670 MPa的高強鋼絲,斜拉索規格為PES7-199～379。拉索長度37.2～102.2 m。在塔頂,拉索錨固于塔上鋼錨箱,錨點間距1.6～2.3 m;在主梁上,拉索錨固于鋼嘴內鋼錨箱,鋼箱梁上索間距10 m,混凝土梁上索間距10～8 m。在索塔內張拉。斜拉索在主梁錨點附近設外置式阻尼器以抑制風雨振。

3.3.3 橋塔

邊塔從橫向看采用雙柱形索塔,從順橋向看采用單柱式索塔。橋面以上塔高52 m,橋面以下塔高32 m。橋塔順橋向寬度由塔頂6 m漸變為塔底8 m,上塔柱橫橋向寬4.5 m,下塔柱橫橋向采用圓弧內縮小,橫橋向寬由54 m漸變為40 m。上塔柱采用單箱單室結構,前后塔壁厚1.5 m,側面壁厚1.2 m;下塔柱采用分離矩形截面。索塔邊塔下承臺尺寸為18 m× 15.68 m,厚5 m,設2 m高塔座。基礎采用鉆孔樁基礎,樁徑3 m,每個承臺設8根樁。如圖3所示。

4 計算模型與結果分析

4.1 模型的建立(圖4)

采用Midas/Civil分析軟件建立有限元模型,根據主橋結構特點,主梁采用梁單元,斜拉索采用桿單元模擬。整體結構共計313個節點,梁單元222個,桁架單元72個。材料特性按規范取值。

圖3 中塔結構示意(單位:cm)

圖4 MIDAS/CIVIL空間有限元整體模型

4.2 荷載組合

公路按照8車道高速公路等級設計,公路I級車道荷載,縱向計算按8車道加載,按《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60—2004)對車道數進行縱、橫向折減。《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)規定,與鐵路荷載組合時,公路荷載按全部活載的75%計算。

4.3 主要計算結果

4.3.1 結構剛度

對于鐵路斜拉橋而言,由于車橋的共同作用,剛度是其設計控制的重要指標,鐵路橋梁必須對其活載位移進行嚴格控制,通過調整主要構件間的剛度分布、邊跨輔助墩、結構體系、橋塔形式及高度等參數,對全橋的活載剛度進行控制,以滿足車橋耦和要求,其主要計算結果見表1,鐵路+公路組合靜活載作用下的主梁活載撓度包絡圖見圖5。

表1 活載作用下的結構位移

圖5 鐵路+公路組合靜活載作用下的主梁活載撓度包絡圖(單位:cm)

4.3.2 主梁內力

斜拉橋主梁相當于由斜拉索支撐的多點約束連續梁,其彎矩較梁式橋大為減小,本橋主梁內力計算結果如圖6、圖7所示。

圖6 主梁軸力包絡圖(主力)(單位:kN)

4.3.3 斜拉索索力

斜拉索為斜拉橋重要的承重構件,在設計過程中,根據目前設計通用作法,斜拉索安全系數采用2.5,其應力計算結果如圖8所示。

由圖8可知,斜拉索使用階段應力滿足規范要求。

圖8 斜拉索應力包絡圖(恒載+活載)(單位:MPa)

4.4.4 鋼箱局部受力分析

對于分體式公鐵兩用鋼箱梁斜拉橋,目前研究的較少,為使結構安全可靠,建立節段模型對鋼箱進行節段分析,采用Midas/Civil軟件建立計算模型,全部采用板單元。拉索處邊界條件按荷載施加,按一端固定一端反力將全橋內力反加于模型。其計算模型與計算結果如圖9所示。

圖9 模型結構示意

通過計算可知,在最不利荷載組合下,其鋼箱梁應力結果如表2所示。

表2 鋼箱主梁應力MPa

鋼箱梁結構各項應力指標均滿足規范要求。

5 結論

(1)本橋荷載為8車道公路及雙線鐵路,主梁若采用普通鋼桁梁,桿件尺寸較大,設計、制造均較困難。本橋采用剛度大、能承受斜拉索軸向力及橋面整體性好等優點的分離式鋼箱主梁是最為合適的。

(2)本方案橫向寬度較大,通過對此種類型截面的受力進行有效地分析,了解了其受力特性。通過計算可知,分離式鋼箱梁用于鐵路斜拉橋具有較好的受力特性。

(3)對于分體式鋼箱,目前還沒有針對斜拉橋的相關規范規定,本實例可供相關設計參考。

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Scheme Design of Xiaolan Waterway Bridge Used for Both Highway and Railway on New Nansha Port Railway in Guangzhou

ZHANG Xiao-jiang
(Bridge Engineering Department,China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)

highway-railway combined bridge;cable-stayed bridge;separated steel box beam, scheme design

U448.12+1;U448.27

A

1004-2954(2013)03-0070-04

2012-07-24;

2012-08-05

張曉江(1978—),男,工程師,2007年畢業于石家莊鐵道學院,工學碩士。

Abstract:Xiaolan Waterway Bridge on New Nansha Port Railway in Guangzhou is a super major cable-stayed bridge with the main span of 200 meters,which is used for both the highway and railway.If the highway and railway are arranged at the different layer of bridge deck as traditional way,the line extension will be too long.To solve this problem,the highway and railway are creatively arranged at the same layer of bridge deck in the design of the stiffening beam.And then separated steel box girder and H-shaped bridge towers are used in this bridge with a novel,simple and beautiful appearance.Through overall and partial finite element analysis,all requirements stipulated in relevant standards can be complied with.Furthermore,this project provides a reference for future similar projects.