城際鐵路跨度160 m簡支鋼桁梁設計及技術創新

黃小安

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

引言

隨著我國鐵路鋼橋事業的發展，鐵路簡支鋼桁梁橋的使用越來越廣泛，它是一種跨越能力非常強的橋梁結構，在橋梁鋼結構中占有很重要的地位[1-2]。近些年來，集包第二雙線鐵路古城灣特大橋主橋采用132 m簡支鋼桁梁[3]；黃韓候鐵路新黃河特大橋主橋采用156 m單線簡支鋼桁梁[4-5]；漯河至阜陽增建二線的趙寨穎河雙線特大橋主橋采用128 m簡支鋼桁梁[6-7]；鐵路簡支鋼桁梁設計跨度已取得較大突破并為大跨簡支鋼桁梁設計提供了寶貴的經驗[8-9]。本文所采用設計跨度達160 m，下面就其設計關鍵技術及技術創新進行闡述和介紹。

1 工程概況

本橋是新建廣佛江珠城際鐵路控制性工點，主橋上跨貴廣、南廣及廣茂鐵路而設，本橋位于直線上，與既有鐵路夾角約26°，設計為1-160 m簡支鋼桁梁橋，橋梁全長162.3 m。由于橋址處建筑高度受限及線路高程控制，為了滿足橋梁限界、結構剛度以及造價經濟性要求，經多次方案比選后選用1孔160 m下承式帶豎桿三角形內插式節點簡支鋼桁梁[3]，橋址平面如圖1所示。

圖1 橋型平面布置(單位：m)

2 主要技術標準

鐵路等級：城際鐵路。

正線數目：雙線(線間距4.6 m)。

速度目標值：200 km/h。

軌道：CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。

牽引種類：電力牽引。

設計活載：ZC活載。

3 鋼桁梁結構設計

3.1 設計關鍵技術

本橋設計關鍵技術包括主桁設計參數的確定、鋼桁梁梁部剛度的控制、主桁空間受力分析以及施工方案的研究。

3.2 總體布置

本橋設計桁高為18 m，高跨比1/8.9，橫向采用2片主桁，主桁間距13 m。主桁采用帶豎桿三角形桁架，縱向共13個節間，縱向節點間距除橋兩端為13 m外，均為13.4 m[2]。

3.3 主桁構造

主桁上、下弦桿均采用焊接箱形截面，豎板高2 000 mm，內寬1 400 mm，板厚16～46 mm。腹桿采用箱形及“H”形截面，箱形截面高1 398 mm，內寬1 000 mm，板厚16～40 mm；H形截面高1 398 mm，外寬1 000 mm，板厚16～20 mm[10]。主桁布置及上弦桿、下弦桿、腹桿截面如圖2所示。

圖2 主桁布置及上弦桿、下弦桿、腹桿截面(單位：mm)

主桁節點采用內插式節點形式，預先在工廠用坡口焊縫和弦桿的腹板焊成整體，在兩塊節點板中間插入腹桿，并用螺栓把二者連接起來。主桁弦桿及腹桿的連接采用M30的高強度螺栓(φ32 mm孔)。

3.4 橋面系

全結合混凝土板方案，有結構剛度大、用鋼量省造價低的優點，但使混凝土承受拉應力，材料的性能沒有充分發揮；正交異性板方案受力明確，整體剛度大，但造價昂貴，且目前橋面板的疲勞破壞問題突出[11]；不結合縱橫梁體系方案，混凝土道砟板橋面結構簡單，受力明確，雖整體剛度較弱，但亦可滿足橋梁行車動力特性要求，故最終采用不結合縱橫梁體系方案[12-13]。

橋面系由縱梁、橫梁以及縱梁間聯結系組成，為焊接工字形及箱形截面。全橋共設4道縱梁，縱梁間距均為2 000 mm，工字形截面，梁高1 500 mm，縱向共設2道斷縫；橫梁梁高2 000 mm，端橫梁處為單箱雙室箱形截面，縱梁斷開處橫梁為單項單室箱形截面，其余中間橫梁均為工字形截面；每2道橫梁間設3道縱梁橫聯[14]。橋面系布置及縱橫梁截面如圖3所示。

3.5 支座與阻尼器

本橋支座采用城際軌道交通工程橋梁可探測防腐球型鋼支座，支座圖號為TFQZ，每個橋墩橫向設置兩個支座，其中1號墩墩頂設1個固定支座，1個橫向活動支座；2號墩墩頂設1個縱向活動支座，1個多向活動支座，支座布置示意如圖4所示。支座最大反力及支座噸位見表1。

圖3 橋面系布置及縱橫梁截面(單位：mm)

表1 支座反力及支座噸位(單個支座)

圖4 支座、防震支擋布置示意(單位：mm)

3.6 下部結構

橋墩采用圓端形橋墩，縱向寬4 m，橫向寬16 m；頂帽為矩形截面，縱向寬4.4 m，橫向寬18 m；基礎采用鉆孔樁基礎，每個基礎采用15根φ200 cm鉆孔灌注樁，承臺厚度為4 m，按摩擦樁設計；基頂截面如圖5所示。

圖5 基頂截面(單位：cm)

4 結構分析

4.1 荷載組合

荷載組合Ⅰ：主力。

荷載組合Ⅱ：主力+制動力。

荷載組合Ⅲ：主力+風力。

荷載組合Ⅳ：主力+次應力。

荷載組合Ⅴ：主力+次應力+縱向附加力+溫度。

荷載組合Ⅵ：主力+次應力+橫向附加力+溫度。

荷載組合Ⅶ：恒載+列車豎向靜活載+地震力。

4.2 計算模型

將 1-160 m簡支鋼桁梁橋作為分析對象，主要用于靜力計算，對其施工階段、運營階段的內力和應力狀況進行分析。本模型采用通用有限元程序Midas-CIVIL進行計算。按照主橋梁部的實際構造進行結構離散，共劃分1 253個單元、747個節點[6]。有限元模型如圖6所示。

圖6 計算模型

4.3 靜力分析

4.3.1 主桁靜力分析

主力作用下上弦桿最大軸力位于跨中處，數值為-46 790 kN；下弦桿最大軸力位于跨中，數值為40 269 kN；腹桿最大軸力位于支點處，數值為-24 259 kN。

主力作用下上弦桿最大縱向彎矩位于跨中處，數值為5 655 kN·m；下弦桿最大縱向彎矩位于跨中處，數值為6 170 kN·m；腹桿最大縱向彎矩位于跨中1/4處，數值為1 630 kN·m。

全橋在主力作用下，大部分桿件應力基本控制在170 MPa以內，選用Q420鋼材可以滿足受力需要，且截面尺寸和板厚不至于過大。

4.3.2 縱橫梁受力分析

縱梁最大正應力為165 MPa，位于中縱梁跨中位置處；橫梁最大正應力為107 MPa，位于縱梁中縱梁跨中附近工字形橫梁處。根據TB10091—2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》7.1.7條規定，縱梁的容許應力提高系數可取1.2；橫梁的容許應力提高系數可采用1.7。故縱橫梁采用Q420鋼材均可滿足受力要求。

4.3.3 橋面板分析

鋼桁梁采用兩線分離式鋼筋混凝土橋面板，采用通用有限元軟件Midas/Civil進行計算，取一塊橋面板進行計算分析[15]，縱梁支撐的位置板厚0.3 m，其余位置板厚0.2 m。計算結果如圖7、圖8所示。

圖7 橫橋向彎矩Mxx(單位：kN·m)

圖8 縱橋向彎矩Myy(單位：kN·m)

橋面板縱橫向均采用φ25 mm@15 cm進行配筋驗算，計算結果混凝土最大正應力為12.3 MPa，鋼筋最大拉應力為107.3 MPa，裂縫寬度0.18 mm，計算結果均滿足規范要求。

4.3.4 梁端轉角

根據計算結果，在列車豎向靜活載作用下，本橋梁端轉角為1.29745‰(端橫梁最大處)，根據TB10623—2014《城際鐵路設計規范》第7.3.7條的規定，本橋梁端轉角應不大于1‰，本橋梁端轉角大于1‰，必須由軌道專業在梁端橋面板設置活動過渡板等，以滿足軌道相關技術要求[7]。

4.3.5 豎向及橫向剛度

主梁最大豎向位移為59 mm，撓跨比為L/2 712，滿足TB10623—2014《城際鐵路設計規范》第7.3.2條規定的L/1 200限值要求。

在列車搖擺力、風力、溫度力作用下，主梁最大橫向位移為16 mm，撓跨比為L/10 000，滿足《城際鐵路設計規范》第7.3.3條規定的L/4 000限值要求。

4.3.6 支座反力

恒載、活載及主力作用下各支座反力見表2。

表2 支座反力 kN

4.4 動力分析

4.4.1 自振特性分析

在結構動力分析中，利用Midas梁單元在靜力模型基礎上建立基礎并采用等效彈簧剛度模擬基礎剛度，然后將梁部自重及二期轉換為質量均布在縱梁上。結構自振特性結果如表3所示。

表3 鋼桁梁自振特性結果(前5階)

4.4.2 屈曲分析

對簡支鋼桁梁橋成橋狀態的穩定性進行分析，荷載工況為自重+二期+雙線活載，主要計算結果如表4所示。

表4 前5階屈曲特征值

自振特性及屈曲分析表明，全橋整體剛度強，由于橫向剛度較弱，橋梁失穩主要表現為橫向失穩。屈曲特征值最小值為8.34，大于容許特征值4，橋梁整體穩定性可靠[8]。

5 施工方案

本橋跨越既有貴廣、南廣高鐵及廣茂鐵路，由于鐵路運輸繁忙，為盡可能減小對既有鐵路的影響[16-21]，本橋鋼桁梁梁部需在平轉軌道梁完成轉體施工，平轉軌道梁設計為2-58 m鋼箱梁T構。軌道梁需轉體2次，先在既有線外側平行既有線施工基礎及梁部，然后順時針轉體77°至1號墩，待鋼桁梁在軌道梁上完成轉體后，再逆時針轉體77°至既有線以外拆除。軌道梁轉體采用轉體噸位為20 000 kN的RPC球鉸的轉體系統，包括球鉸、滑道、撐角、牽引包系統等配套設備，球鉸安裝于軌道梁基礎上、下承臺之間[22]。

鋼桁梁梁部轉體需在軌道梁上完成。轉體采用轉體噸位為30 000 kN的RPC球鉸的轉體系統，包括球鉸、滑道、撐角、牽引包系統等配套設備。球鉸安裝于2號墩墩頂，并在軌道梁上設置轉體滑道，鋼桁梁沿軌道逆時針轉體26°至設計位置。施工方案如圖9所示。

圖9 鋼桁梁轉體施工方案示意(單位：cm)

6 結論

(1)本橋設計時為國內跨度最大的簡支鋼桁梁，由于鋼桁梁梁部剛度的控制，經多次方案比選，采用下承式帶豎桿三角形內插式節點簡支鋼桁梁并對該結構進行靜力及動力計算分析，主桁整體剛度及桿件應力均滿足規范要求，全橋整體穩定性可靠。

(2)橋面板采用兩線分離式鋼筋混凝土橋面板，該類型橋面板受力明確，雖整體剛度較弱，但亦可滿足橋梁行車動力特性要求，橋面板配筋檢算滿足規范要求。

(3)為減少施工時對既有鐵路的影響，本橋創新采用“平轉軌道梁及主梁雙轉體施工工藝”，此施工方法施工工期短，亦可減小對既有鐵路的影響。

本橋構造設計及施工方案設計可為今后大跨簡支鋼桁梁設計提供參考。