城市快速路跨鐵路跨度160 m三主桁鋼箱組合梁橋設計

陳衛華，李前名，熊　濤

(中鐵武漢勘察設計研究院有限公司，武漢　430074)

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城市快速路跨鐵路跨度160 m三主桁鋼箱組合梁橋設計

陳衛華，李前名，熊濤

(中鐵武漢勘察設計研究院有限公司，武漢430074)

摘要：武漢雄楚大街新建高架作為城市快速路，高架橋要跨越南環鐵路光谷站咽喉區及在建的地鐵2號線南延線，受平面條件及路線縱斷面限制，跨鐵路高架橋需要160 m跨度，橋面至梁底的結構高度不超過2.5 m。設計新建1-160 m鋼桁梁(不等高三主桁)+鋼箱梁組合結構，桁架橫聯采用橢圓形橫撐，不設斜撐，橫撐與上下弦桿以高強螺栓連接。采用在鐵路以外現場拼裝，頂推施工跨越鐵路的方法，減小對既有鐵路的干擾。運用Midas軟件建立由桁架梁單元與鋼箱板單元組合而成的全橋整體模型進行靜力分析、穩定及動力分析和施工階段分析，并對節點板等局部結構進行有限元細部分析。橋梁布置和施工方法滿足邊界條件，造型美觀，各項計算指標滿足要求。

關鍵詞：公路橋；鋼桁梁；鋼箱梁；組合結構；設計

1工程概況

武漢雄楚大街西接鸚鵡洲長江大橋，東至三環線，全長約14.5 km，是武漢主城區“三環十三射”快速路的重要組成部分。雄楚大街(楚平路～三環線立交)道路在K12+380處與南環鐵路交叉，交叉處南環鐵路里程為K15+991。該處鐵路路基形式為路塹，共有南環上下行正線2股道，專用線1股道及站線2股道，共5股道。現狀雄楚大街延長線采用(16+50+16) m梁式橋上跨南環鐵路，橋面寬40.0 m。雄楚大街改造工程實施后既有上跨橋作為地面輔道的組成部分，高架層需另建橋梁跨越既有橋及南環鐵路。

地鐵2號線南延長線在佳園路～光谷火車站區間內與本工程交叉，交叉處本工程道路里程為K12+450，該段地鐵線路與南環鐵路并行，在既有立交橋臺后穿越雄楚大街。綜合鐵路、在建地鐵線路及規劃道路等因素，主線高架跨鐵路采用1-160 m三主桁鋼箱組合梁橋。如圖1所示。

圖1　新建橋梁與既有橋、鐵路、地鐵的立面關系(單位：cm)

2橋梁總體結構設計

2.1主要技術標準

(1)道路等級：主線高架為城市快速路；

(2)設計車速：主線60 km/h；

(3)橋面橫坡：1.5%；

(4)橋梁環境類別：Ⅰ類；

(5)橋梁設計安全等級：一級，結構重要性系數γo=1.1；

(6)橋梁結構設計使用年限：100年。

2.2建筑材料

主桁構件采用Q370qD鋼材；橫聯及鋼箱梁采用Q345qC鋼材；附屬結構采用Q235C鋼材。

采用10.9S高強度螺栓， M24和M30的材質分別為20MnTiB和35VB鋼。

主桁上弦與橫聯連接、下弦與橋面板連接節點板鋼材厚度方向性能要求達到Z35。

主橋墩身采用C40混凝土；承臺采用C35混凝土；樁基礎采用C35水下混凝土。

2.3主要結構尺寸

主橋理論跨徑為160 m，橋面寬度27.1 m，每端梁縫寬度13 cm。為三主桁異型鋼桁梁+鋼箱梁組合結構體系，橫聯為橢圓形。主桁為帶豎桿的三角形桁架，整體節點型式，中主桁高16.31 m，斜腹桿與豎桿夾角為34.72°；兩邊主桁高12.7 m，斜腹桿與豎桿夾角為28.35°，節間長度8.8 m。中主桁與邊主桁中心距離為14.5 m。鋼箱梁頂面設置雙向1.5%橫坡，底面為平坡，梁高2.0～2.19 m。如圖2所示。

圖2　橋梁橫斷面(單位：cm)

主橋平面位于曲線上，為減小施工難度，主橋設計采用彎橋正做，對兩側引橋橫斷面進行局部加寬，以保持橋面外觀圓順及行車順暢。

2.3.1主桁

弦桿均為箱型截面，邊主桁弦桿內截面尺寸800 mm×2 000 mm，板厚26～38 mm；中主桁上弦桿內截面尺寸800 mm×2 000 mm，下弦桿內截面尺寸800 mm×2 190 mm，板厚26～54 mm。主桁采用焊接整體節點結構形式[1-4]，節點最大板厚58 mm。為滿足局部穩定的要求，每塊腹板中間設置一道縱向加勁肋。箱型截面桿件內設置橫隔板，橫隔板間距一般不大于4.0 m。

主桁兩端受力較大的斜腹桿采用箱型截面，內尺寸為800 mm×800 mm，板厚32～50 mm，其余斜腹桿及豎桿均為H形截面，H形截面高800 mm，翼緣截面寬800 mm或600 mm，板厚度20～38 mm。

2.3.2橫聯

主橋只設橫聯(橫撐)，橫聯橫向呈橢圓形將高度不同的三片主桁聯接成整體，為形成 “時空隧道”的造型，不宜設置斜撐，而采取加強橫聯(橫撐)的方式保證上弦桿的整體穩定性，橫撐均采用箱型截面，內尺寸800 mm×800 mm，端橫撐板厚20 mm，其余厚16 mm。橫撐與上下弦桿連接處，上下弦桿內設2道橫隔板與橫撐腹板對齊，保證節點的橫向剛度。如圖3所示。

圖3　拱形橫梁與上下弦桿的連接節點(單位：mm)

2.3.3鋼箱梁

主桁下部為正交異性橋面板鋼箱梁[5]，鋼箱梁頂、底板與弦桿翼緣板焊接成整體，橫隔板及橫梁與下弦桿橫隔板通過高強螺栓聯接成整體，即主桁下弦桿成為鋼箱梁的一部分。鋼箱梁頂板設置雙向1.5%橫坡，底板為平坡，梁高2 000～2 190 mm；每8.8 m設置1道橫梁，中間每2.2 m設置1道橫隔板，橫隔板及橫梁板厚為16 mm。鋼箱梁頂、底板厚16 mm，均設置縱向閉口加勁肋(即“U肋”)。支點處設置橫梁，橫梁腹板厚度24 mm。

2.3.4下部結構

主橋每端設3個支點，即每片主桁下設1個支座，共3個橋墩。支座的設置：縱向，墩高較小的墩3個支座均縱向固定，另外3個支座縱向活動；橫向，中墩設置橫向固定支座，邊墩均為橫向活動支座。中間墩采用雙柱門式墩，墩頂截面尺寸為6.0 m×4.0 m，單個墩柱底截面尺寸為1.7 m×4.0 m，下接整體式承臺，承臺尺寸8.6 m×8.2 m×3.2 m；承臺下設4根φ2.0 m鉆孔樁。邊墩采用獨柱花瓶墩身，墩柱頂截面尺寸為2.7 m×4.0 m，墩柱底截面尺寸為1.7 m×4.0 m，單柱承臺尺寸6.5 m×3.2 m×3.2 m；承臺下設2根φ2.0 m鉆孔樁。如圖4所示。

圖4　主橋下部結構正立面(單位：cm)

2.4橋梁附屬設施

2.4.1橋面鋪裝

采用7 cm厚澆筑式瀝青混凝土鋪裝方案[6～7]。

2.4.2伸縮縫、支座與護欄

伸縮縫采用淺埋式240 mm伸縮縫。支座采用大噸位球型鋼支座，邊支座承載力15 000 kN，中支座承載力25 000 kN。護欄采用SS級墻式護欄，Q235C鋼板焊接結構。

2.4.3鋼橋表面涂裝

全橋鋼結構采用環氧富鋅涂裝方案。

2.5整體計算及成果

2.5.1計算模型

采用Midas/Civil 2011軟件建立全橋整體模型進行分析計算，主桁上弦桿、腹桿及橫撐采用梁單元，下弦桿及鋼箱梁采用板單元[8]，其中鋼箱梁頂底板采用帶縱肋的板單元[9]。如圖5所示。

圖5　全橋整體模型

2.5.2主要計算結果

(1)撓度(表1)

表1　撓度及預拱度　mm

(2)應力(表2)

表2　最大應力　MPa

注：受壓為負值。

(3)自振頻率(表3)

表3　結構基頻

公路橋涵規范未對橫向自振頻率做出要求，參考《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)表5.1.3，下承式鋼桁梁(L=48～80 m)，橫向自振頻率容許值f>65/L0.8=65/1600.8=1.12 Hz，本橋橫向自振頻率與鐵路規范計算值基本一致。

(4)支反力(表4)

表4　主桁豎向支反力　kN

(5)穩定系數

主梁最小屈曲特征值為35.2，失穩模態為主桁橫向失穩。

3鋼梁細節設計與計算

3.1聯結

鋼桁梁工廠預制節段長度17.6 m，上弦桿最大節段質量60 t，采用整體式節點板，腹桿與弦桿及弦桿節段之間均采用高強螺栓對拼式連接[10]。鋼箱梁預制節段橫向尺寸為16 m，縱向尺寸為4.4 m，最大節段質量35 t。橫向與主桁下弦桿采用栓焊混合連接，即橫梁與橫隔板采用高強螺栓連接，頂板與底板采用焊接；縱向節段之間采用全焊接。下弦采用整體式節點板，從頂板上開槽通過。如圖6、圖7所示。

圖6　鋼箱梁及下弦桿聯結橫斷面(單位：mm)

圖7　主桁弦桿斷面(單位：mm)

圖8　節點板局部模型

3.2節點板計算

選取腹桿受力最大的端部節點及弦桿受力最大的跨中節點建立節點板局部模型進行分析[11]，節點板采用板單元，相聯結的弦桿、腹桿采用一段梁單元與其耦合，以方便施加從整體模型中提取的桿件內力。如圖8所示。

計算發現節點板受力與弦桿及腹桿內力直接相關，端節點板的厚度由腹桿決定，跨中節點板厚度由弦桿決定。

3.3預拱度

預拱度通過保持下弦桿、斜腹桿及橋面系長度不變，增大上弦桿長度的方式來實現：中主桁上弦每個節間長度增大21 mm；邊主桁上弦每個節間長度增加16 mm。即安裝時中主桁縱向拼接縫寬由20 mm調整為41 mm；邊主桁縱向拼接縫寬由20 mm調整為36 mm。拼接板制造時應考慮預拱度的影響。

4指導性施工方案

主梁采用頂推法施工[12-15]，拼裝架設平臺設在鐵路東側，長115 m，寬40 m，采用鋼管柱及貝雷梁搭設而成。主梁各節段通過汽車吊從運梁車上吊至平臺上后，再由2臺1 000 kN龍門吊進行精確定位安裝。龍門吊機距地面高度約30 m。為減小主梁頂推時的懸臂長度，在既有上跨鐵路橋50 m跨梁縫即橋墩中心線位置搭設臨時支墩，支墩采用梁柱組合結構，拼裝主梁及搭設支架不中斷道路行車。如圖9所示。

圖9　鋼梁頂推示意(單位：m)

頂推時，鋼梁前設置32.4 m長的鋼導梁，將鋼梁最大懸臂控制在20 m內，鋼桁梁最大懸臂撓度15 mm，最大應力58 MPa。一次拼裝、頂推長度為107 m，頂推重力為36 000 kN，擬采用多千斤頂同步協同頂推系統。頂推就位后，再在支架上拼裝剩余53 m鋼梁。

既有橋上的臨時墩受力較大，故設計對既有橋上部梁體、下部蓋梁、墩柱及樁基進行了檢算，各項結果滿足規范要求。

5結語

本設計利用大跨度桁架梁橋便于施工安裝、現場施工工期短的特點，再采用頂推法施工，滿足了大跨度橋梁上跨既有鐵路的需要。設計采用不等高三主桁+鋼箱梁組合結構，配以橢圓形橫聯，梁橋受力合理、造型新穎、美觀。本橋上弦僅設橫聯(橫撐)，沒有斜撐，相應地橫聯采用適當尺寸的箱形截面，節點處弦桿隔板加密，保證橫聯自身及其與上下弦桿連接的節點有足夠的剛度，以保證上弦的側向穩定性。鋼桁梁節點板局部受力復雜，有應力集中現象，采用整體模型+局部模型的計算方法，精確、快速地分析出鋼橋細節部位受力情況，并根據計算成果，配置構件截面尺寸。

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Design of Urban Expressway 160 m Composite Box Steel Girder Bridge with Three Main Trusses over Railway

CHEN Wei-hua， LI Qian-ming， XIONG Tao

(China Railway Wuhan Survey and Design Co.， Ltd.， Wuhan 430074， China)

Abstract：The project in Wuhan Xiongchu Street is to build a viaduct as part of the urban expressway. The viaduct is located in the throat area of Optics Valley subway station， crossing over the South Central Railway and the southern extension of Metro Line 2. Restricted by plane condition and line profile， the viaduct requires a 160-meter-span across the railway， and the structure height of the bridge deck to the bottom of the beam must be not more than 2.5 meters. The new 160m composite box steel girder bridge with three main trusses is surrounded by oval cross-braces without oblique braces. The cross-braces are conjoined to the truss by high-tensile bolts. The new bridge beside the railway is installed using the incremental launching method to minimize the disturbance to the existing railway. Midas software is employed to establish whole model with truss beam elements combined with steel box board unit and to conduct static analysis， stability analysis， dynamic analysis and construction analysis. Local structures such as node board details are analyzed with finite element method. The bridge layout and construction method satisfy the boundary conditions， aesthetically pleasing and the calculating indexes．

Key words：Highway bridge; Steel truss; Steel box girder; Composite structure; Design

文章編號：1004-2954(2016)05-0054-05

收稿日期：2015-11-04； 修回日期：2015-12-06

作者簡介：陳衛華(1968—)，男，高級工程師，1989年畢業于西南交通大學土木工程專業，工學學士，E-mail:cwh22277@sohu.com。

中圖分類號：U442.5

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.012