公鐵平層合建多塔斜拉橋大挑臂式鋼箱梁設計

李的平

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063； 2.中鐵建大橋設計研究院,武漢 430063)

1 工程概況

珠海市區至珠海機場城際鐵路二期金海特大橋跨磨刀門水道入海口，主橋采用四塔鋼箱梁斜拉橋，跨度布置為(58.5+116+3×340+116+58.5) m，如圖1所示。主橋采用剛構-連續體系，即中間兩塔采用塔墩梁固結，邊塔采用塔梁固結，塔墩分離，設雙排支座[1-3]。

圖1 主橋橋式立面布置(單位：m)

該橋是國內首座公鐵平層合建多塔斜拉橋，中間通行雙線城際列車，兩側布置高速公路，主梁采用挑臂式鋼箱梁，橋塔采用四柱式鋼塔，橋塔置于橋面中間，斷面布置如圖2所示。

圖2 主橋斷面布置(單位：cm)

2 技術標準

(1)鐵路技術標準

鐵路等級：城際鐵路，有砟軌道；

正線數目：雙線，線間距4.6 m；

設計行車速度：160 km/h；

設計活載：ZC活載[4]。

(2)公路技術標準

公路等級：高速公路；

設計車道數：雙向6車道，預留2個應急車道；

設計行車速度：100 km/h；

設計活載：公路-Ⅰ級[5]。

3 挑臂式鋼箱梁設計

3.1 總體設計

目前，公鐵合建橋大多采用公鐵分層布置，公路布置于上層，鐵路布置于下層，主梁一般采用鋼桁梁[6-7]。金海橋由于公路接線條件的限制，只能采用公鐵平層布置方案，為適應公鐵平層布置要求，結合鋼結構橋塔布置在橋面中間的需要，并使結構更加輕盈美觀，節省用鋼量，主梁采用一種新型的挑臂式鋼箱梁結構。

鋼箱梁頂寬49.6 m，由中間寬17.6 m的主箱(單箱三室)，加上兩側各長16 m的挑臂組成，梁高4.676 m(橫斷面中心處內高)，頂板橫向設2%的人字坡。單箱三室構造便于鋼箱梁的腹板與鋼塔壁板連接，實現塔梁固結。

沿縱向每隔3 m設置1道頂板橫梁，在箱外每隔6 m設置1道斜撐，無斜撐的橫梁通過小縱梁支承于有斜撐的橫梁上。在中箱內每隔3 m設置1道斜撐，邊箱內每隔3 m設置1道橫隔板[8]，斜拉索錨固于邊箱內。

結合受力需要及方便加工，鋼箱梁除頂板行車區域采用U肋外，其余均采用板肋。鋼箱梁在工廠分節段加工制造后，運至現場懸臂拼裝。在工廠制造時，長24 m標準節段各構件間全部為焊接；在工地拼裝時，除橋面頂板、遮板焊接外，其余均為高強螺栓連接[9]。

3.2 細節設計

(1)頂板

頂板采用正交異性鋼橋面板，由橫梁、縱梁、頂板、縱肋等組成[10]。頂板厚一般為16 mm，橋塔處局部加厚至24 mm。頂板主要設U形縱肋，少量I形縱肋；U肋厚8 mm，高280 m，間距一般為600 mm；I肋厚16 mm，高200 m。

頂板在每側挑臂端部設1道倒T形邊縱梁，距挑臂端部6.0 m處設1道倒T形中縱梁。邊縱梁腹板高760 mm，厚16 mm；下翼板寬500 mm，厚24 mm。中縱梁腹板高960 mm，厚16 mm；下翼板寬600 mm，厚24 mm。

頂板沿順橋向一般每隔3.0 m設置1道橫梁，橫梁采用倒T形截面，其腹板高一般為960 mm，厚16 mm；下翼板寬600 mm，厚24 mm。橫梁在挑臂部中縱梁處與箱外斜撐連接，其腹板高漸變。

(2)底板

鋼箱梁底板厚一般為16～24 mm，輔助墩處、邊塔處局部加厚至32 mm，中塔處局部加厚至40 mm。底板一般設16 mm×200 mm的I形縱肋，橋塔處底板I肋局部加強為20 mm×240 mm。

底板沿順橋向一般每隔3.0 m設置1道T形橫肋[11]，底板橫肋高600 mm，腹板厚16 mm，翼板寬600 mm，厚24 mm。

(3)腹板

鋼箱梁主箱共設4道直腹板，外腹板與內腹板板厚一致，板厚一般為24 mm，邊塔處局部加厚為32，40 mm，中塔處局部加厚為36，48 mm。腹板一般設16 mm×200 mm的I形縱肋，橋塔處腹板I肋局部加強為20 mm×200 mm。

(4)斜撐及橫隔板

斜撐采用箱形截面，箱外斜撐內寬600 mm，外高500 mm，腹板厚16 mm，頂底板厚20 mm。為了便于與頂板橫梁連接，箱外斜撐上端漸變為工字形截面。箱內斜撐外寬360 mm，外高360 mm，腹板厚16 mm，頂底板厚16 mm。鋼箱梁邊室橫隔板厚一般為16 mm。

4 局部應力分析

4.1 計算模型

局部應力分析主要關注挑臂式鋼箱梁的縱向局部受力和橫向受力，采用通用有限元軟件Ansys進行計算分析，取24 m長標準梁段建立精細的空間有限元模型，鋼箱梁各板件采用Shell181單元模擬[12-14]。

縱向每隔3 m在邊箱底部橫隔板與腹板交界處施加位移約束，其中一個約束Ux，Uy，Uz三個方向位移，其余只約束Uy(X-橫橋向，Z-順橋向，Y-豎向)，梁段模型見圖3。

圖3 梁段模型

4.2 計算荷載

(1)結構自重：鋼結構按γ=78.5 kN/m3。

(2)二期恒載：按橋面布置實際位置加載，總重332 kN/m。

(3)公路活載：采用車輛荷載加載，局部車輪荷載采用JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》中的車輛荷載[5]。車輛荷載550 kN，其中前軸30 kN，中軸2×120 kN，后軸2×140 kN。車輛橫向布置考慮最不利的4車道靠外加載工況，如圖4所示。

圖4 車輛活載加載圖示(單位：cm)

為了解挑臂部分在車輛荷載作用下的最不利應力狀況，車輛縱向布置考慮了3種最不利加載工況[15-16]，分別為后軸布置于有斜撐橫梁處、無斜撐橫梁處及兩橫梁之間。

(4)鐵路活載：采用ZC特種活載，軸重4×190 kN，間距1.6 m[4]。考慮軌枕和道砟的擴散，按3.61 m(橫橋向)×5.8 m(順橋向)的面荷載施加于橋面板。

4.3 計算結果

限于篇幅，僅列出最不利受力工況結果，如圖5～圖11所示，圖中應力單位為kPa，受壓為負。主梁節段應力分析結果中，順橋向應力不包含全橋整體分析中順橋向內力產生的應力。

(1)頂板及U肋應力

從圖5知，汽車車行道范圍鋼橋面板順橋向應力既有拉應力又有壓應力，應力介于-15～30 MPa。U肋順橋向應力介于-40～30 MPa，與常規鋼箱梁受力水平相當[17]。

圖5 汽車車行道范圍鋼橋面板順橋向應力

列車車行道部分鋼橋面板順橋向應力見圖6，頂板順橋向應力介于-13～24 MPa，U肋順橋向應力值介于-45～40 MPa。

圖6 列車車行道部分鋼橋面板順橋向應力

汽車車行道范圍鋼橋面板橫橋向應力值介于-15～70 MPa，列車車行道部分鋼橋面板橫橋向應力值介于-10～31 MPa，見圖7。

圖7 鋼橋面板橫橋向應力

(2)頂板橫梁應力

挑臂橫梁正應力見圖8，有斜撐者正應力介于-69～62 MPa，無斜撐者正應力介于-90～60 MPa，應力圖符合挑臂梁的受力特征[18]。

圖8 頂板箱外挑臂橫梁正應力

頂板箱內橫梁正應力介于-28～31 MPa，應力水平較低，見圖9。

圖9 頂板箱內橫梁正應力

(3)斜撐應力

箱外斜撐為受壓桿件，正應力在-65～-85 MPa，連接板處有應力集中現象，但數值不大，見圖10。

圖10 箱外斜撐正應力

從圖11看，箱內斜撐1、2均為受壓桿件，受力大小與其支承剛度直接相關。斜撐1應力在-40 MPa左右；斜撐2應力在-10 MPa左右，應力水平較低。箱內斜撐的設置不僅提供對橫梁的支承作用，且對限制鋼箱梁畸變效應作用顯著[19-20]。

圖11 箱內斜撐1、2正應力

5 結論

金海橋主橋采用3×340 m四塔三主跨斜拉橋，為國內首座公鐵平層合建的多塔斜拉橋。為適應公鐵平層布置要求，主梁采用一種新型的大挑臂式鋼箱梁結構。

(1)大挑臂式鋼箱梁由中間寬17.6 m主箱加兩側各長16 m挑臂組成，橋面寬度達49.6 m。根據受力特性，較重的鐵路荷載布置于中間主箱上，較輕的公路荷載布置于挑臂上，斜拉索布置在兩者之間，結構受力合理，經濟性好。

(2)經計算，挑臂式鋼箱梁正交異性橋面板縱向局部受力與傳統鋼箱梁受力水平相當，應力在-40～40 MPa。挑臂橫梁正應力介于-90～62 MPa，箱外斜撐正應力介于-65～-85 MPa，挑臂部分受力水平控制合理。通過合理的細節設計，未出現較大的應力集中現象。

(3)挑臂式鋼箱梁受力可靠，結構輕盈，具有良好的經濟性和美觀性，可為今后公鐵平層合建的橋梁提供借鑒。

該大橋已于2018年3月開工建設，總工期4年。