新建安九鐵路長江大橋主航道橋主梁設計

李江剛 張巨生 王志平

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司 武漢 430056)

新建安慶至九江鐵路是京九客專的重要組成部分，安九鐵路長江大橋為全線控制工程。橋位南側位于江西九江市，北側位于湖北黃梅縣。大橋按4線設計(2線350 km/h高鐵及預留2線200 km/h客貨共線I級鐵路)，主航道位于九江大堤及鳊魚洲之間，且靠近九江大堤側[1]。因高鐵對行車的安全性、舒適性要求高，箱型梁剛度較小，國內、外大跨度鐵路及公鐵斜拉橋主梁結構形式以桁式主梁居多。但考慮建橋條件即邊跨位于陸地及鳊魚洲上，通過設置混凝土邊跨[2]、增加鋼梁段恒載重量、主跨跨中采用交叉索布置等措施找到了滿足靜力及動力要求的混合箱梁斜拉橋方案。

1 工程概況

新建安九鐵路長江大橋主航道橋采用鉛錘雙索面雙塔混合箱梁斜拉橋，跨度布置為2×50 m+224 m+672 m+174 m+3×50 m，全長1 320 m，為國內跨度最大、設計通行速度最高的4線鐵路混合梁斜拉橋。大橋采用半漂浮體系，跨中區段采用交叉索布置解決行車舒適性要求。主跨及輔助跨采用鋼箱梁，其余采用混凝土箱梁，橋型布置見圖1。

圖1 主航道橋橋型布置圖(單位：m)

2 主梁總體設計

鋼箱梁梁段全長1 060 m，混凝土梁全長260 m。其中索交叉區鋼梁段長72 m，鋼梁共分為63個節段，節段劃分及斷面見圖2。標準節段長18 m

(每節段內含2對斜拉索)，交叉索區鋼梁節段長12 m,主塔鋼梁節段長13.6 m,合龍段長10.4 m,黃梅和九江側鋼-混結合段分別長13.2 m和10.2 m。

圖2 主梁節段劃分圖(單位：m)

2.1 鋼梁設計

鋼箱梁采用單箱三室截面，鋼材為Q370qE，鋼箱梁高約4.79 m，橋面設置雙向2%的橫坡，邊箱高4.5 m。鋼箱梁寬32.2 m。斜拉索橫向間距為29 m，縱向間距9 m(跨中12 m)。鋼梁頂面鋪有15 cm厚的混凝土道砟槽板，提高體系重力剛度。道砟槽板采用剪力釘與鋼箱梁連接。道砟槽板設橫向斷縫，不參與縱向受力。鋼箱梁標準節段長度為18 m，質量約550 t。

鋼箱梁頂底板采用正交異性橋面板，標準段頂、底板厚16 mm，主塔及結合段逐漸加厚至24 mm，腹板厚28 mm。頂板加勁肋采用板肋形式，提高橋面板抗疲勞性，標準段板肋為220 mm×20 mm，橫向間距350，375 mm，每線鐵路軌道位置處設小縱梁，小縱梁腹板高500 mm，厚14 mm，下翼緣規格為250 mm×16 mm。鋼箱梁底板采用U肋加勁，U肋高220 mm、厚8 mm，U肋開口寬380 mm、頂寬200 mm，橫向間距750 mm。邊箱頂板及邊箱腹板外側加勁肋采用板肋，板肋規格為260 mm×24 mm，鋼箱梁梁內每隔3 m設置1道橫隔板。鋼箱梁采用全焊連接的形式，鋼軌正下方的小縱梁腹板采用高強螺栓連接，小縱梁翼緣采用焊接。

2.2 預應力混凝土梁設計

50 m跨采用C55的單箱單室的預應力混凝土結構，外形匹配鋼梁，采用縱橫向預應力體系。與鋼梁同寬，梁高4.94 m(道砟槽板在結構內)，標準段頂板和底板厚40 cm，肋板厚280 cm，靠近鋼-混合結合段處頂底板加厚至70 cm?；炷亮荷闲崩骺v向間距按9 m和6 m 2種設置，拉索錨固處對應位置設有索橫隔板，標準隔板縱向間距為3 m，隔板厚0.4 m?？夸?混結合處的3號、6號輔助墩考慮壓重設3 m厚的橫隔墻。

2.3 鋼-混結合段構造設計

全橋設置2個鋼-混結合段，鋼-混結合段設置在易于施工、質量控制易于保證的輔助墩附近[3]。黃梅側和九江側鋼-混分界面分別距3號和6號輔助墩向主塔側8 m和6 m處，見圖3。

圖3 鋼-混結合段位置(單位：m)

鋼-混結合面采用承壓傳力的結構形式，承壓隔板厚度60 mm，鋼梁頂、底板厚24 mm。結合段設2 m厚的混凝土隔墻，鋼梁的頂底鋼板伸入混凝土側2 m,在混凝土梁側承壓板上設置剪力釘。為使剛度過渡勻順，頂、底及腹板加勁肋加高、加厚，其中底板加勁肋逐步過渡成板肋，另外邊室內腹板與承壓隔板之間增加了三角水平板加勁肋。頂底板設有PBL剪力鍵及剪力釘[4]，除頂板剪力釘規格為直徑19 mm×長度100 mm外，其余為直徑22 mm×長度150 mm，標準間距150 mm。為確保受彎下端承壓板與混凝土密貼，結合段預應力通過延長連接板錨固，保證預應力均勻傳遞到承壓板。鋼-混結合面共配122根預應力束，結合段斷面見圖4。鋼-混結合段軸向力直接以端承壓板受力為主，彎矩用預應力鋼絞線承受，梁端剪力以端承壓板上布置的剪力釘和端摩擦力平衡。

圖4 鋼-混分界面斷面圖(單位：mm)

3 結構靜力計算分析

整體靜力計算采用midas和SCDS進行,結合段局部分析采用ANSYS進行，計算和分析模型見圖5。

圖5 靜力計算有限元模型

3.1 整體靜力分析

按全施工過程建模，運營階段考慮的荷載有：恒載、基礎變位、收縮徐變、列車活載、制動力、整體升降溫，索與梁溫差、主塔塔壁日照溫差、主梁豎向溫度梯度、風荷載。其中鋼梁標準段一期恒載323 kN/m，二期恒載為460 kN/m，計算活載取2線ZK+2線中活載，考慮4線線折減系數0.75，活載集度約為216 kN/m。荷載組合按規范采用最不利組合，計算結果如下。

運營階段。鋼箱梁最大應力163.4 MPa；預應力混凝土箱梁全截面受壓，最大壓應力為17.8 MPa，最大主壓應力為16.9 MPa，主拉應力為1.67 MPa；梁端轉角為0.031% rad，主跨靜活載撓跨比為1/684。均滿足規范要求[5]。

鋼-混分界面處鋼梁最大壓應力為145 MPa，最大拉應力為66.3 MPa；分界面處混凝土梁全截面受壓，最大壓應力為17.1 MPa，最小壓應力為0.93 MPa。

3.2 鋼-混結合段局部分析

取黃梅側鋼-混結段按最不利荷載狀態，采用ANSYS建模。為了避免圣維南現象，取混凝土梁段25 m+鋼混結合段2 m+鋼梁段16 m建模。鋼箱梁鋼板采用殼單元模擬，混凝土采用實體單元模擬，剪力釘采用梁單元模擬，預應力筋采用桿單元模擬,模型共計單元232 040個，節點總數為170 068個。以客運側箱梁構造建立一半的箱梁模型，并釆用正對稱約束，模型采用混凝土端約束三向線性位移，3號墩處施加豎向位移約束，鋼箱梁端自由的約束方式。通過剛性域的方式加載在截面形心位置以考慮局部模型的第一體系內力[5]。鋼-混結合處，鋼結構與混凝土接觸位置不做處理，通過鋼構件表面的剪力釘、PBL的節點與混凝土節點采用耦合的方法進行相互連接。

模型的總體坐標系Z方向為橋跨縱向，Y向為豎向，X向為橋跨橫向。

考慮以下工況下結構局部應力水平及應力分布狀況。

1) 工況1。取總體最不利荷載組合(主力+附加力)下鋼混段分界面最大負彎矩工況。

2) 工況2。取總體最不利荷載組合(主力+附加力)下鋼混段分界面最大正軸力工況。

3) 工況3。橋梁橫向受力：ZK活載作用。

限于篇幅，文中僅列出起控制作用的工況1下2 m鋼混段及附近3 m鋼梁的主要構件的Von Mises等效應力，見圖6。

圖6 主要構件Von Mises應力(單位：MPa)

剔除剪力釘硬點及預應力錨固處應力集中點后，鋼梁及混凝土最大應力值見表1。

由圖6和表1可得出，3個工況中最不利的為最大負彎矩工況?？v向計算和橫向計算下，結構應力均在規范要求范圍內[6-7]；鋼混段鋼結構部分主體應力分布均勻，剛度過渡平順，且承壓板為主要傳力構件；結合段混凝土隔墻在承壓板內邊緣和過人洞周圍出現應力集中，局部出現拉應力。

表1 鋼-混結合段局部有限元分析結果 MPa

注：表中正應力以拉應力為正，壓應力為負。

4 結語

新建安九鐵路長江大橋主航道橋為我國首座350 km/h高鐵跨長江的鐵路混合箱梁斜拉橋，也是世界跨度最大、設計運營速度最高的混合箱梁鐵路斜拉橋。大橋為典型的大跨、長聯、高墩結構，本項目的主要創新點如下：首次在跨長江鐵路斜拉橋中采用箱型主梁；首創采用交叉索解決了因箱梁剛度小而引起的主跨跨中行車舒適性不足的問題；伸縮縫及軌道溫度調節器首次采用1 600 mm的下承式結構。

本文以該橋為工程背景，闡述了主梁的各個主要部位的構造設計，為同類工程提供參考。該橋于2017年開工建設，預計2022年通車運營。