銀西高速鐵路渭河特大橋鋼腹桿組合結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

李宗建

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

鋼腹桿與混凝土組合橋梁是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)混凝土箱形截面相比，采用鋼桁架替代混凝土腹板，形成混凝土頂板+鋼桁架腹桿+混凝土底板的組合結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)頂?shù)装迮c傳統(tǒng)箱形截面類似，配置預(yù)應(yīng)力鋼束，并預(yù)埋剪力鍵與鋼腹桿連接成為整體受力，有效降低了箱梁自重、提高了主梁的跨越能力、解決了混凝土腹板裂縫問題。由于鋼腹桿不需要制模、澆筑等施工流程，采用工廠預(yù)制，大大提升了施工效率，縮短了建設(shè)周期。對(duì)國(guó)外該類型橋梁建設(shè)數(shù)據(jù)的研究表明，在跨徑相近的條件下，采用鋼桁腹組合箱梁的橋梁自重減輕約20%，施工工期可以節(jié)省約30%［1］；與傳統(tǒng)鋼桁梁相比，由于混凝土頂?shù)装寮s束了桁架面外的變形，使得該結(jié)構(gòu)整體性、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)剛度均大大提高。同時(shí)其用鋼量大幅度降低，無(wú)論工程建設(shè)期工程造價(jià)還是后期養(yǎng)護(hù)維修的工作量和工程造價(jià)均大大降低，適用性更廣。正是基于上述優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)該橋型進(jìn)行了深入的研究和實(shí)際工程應(yīng)用。在國(guó)外，以法國(guó)、日本為代表修建該類型橋梁共10 余座，采用簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、斜拉橋、懸索橋等結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)主跨30 ～119 m不等，施工方法均為傳統(tǒng)的支架現(xiàn)澆或懸臂澆筑。而該結(jié)構(gòu)在我國(guó)發(fā)展尚處于起步發(fā)展階段：長(zhǎng)春至深圳國(guó)家高速公路南京繞越公路江山橋，采用2 跨（35+35）m等截面鋼桁腹預(yù)應(yīng)力混凝土組合箱梁，為我國(guó)首座該類型組合梁橋，于2012年建成［2］；深圳大學(xué)1號(hào)橋也采用此類似結(jié)構(gòu)，全橋跨度設(shè)置為（30+2×40+2×50+60+30）m，上層為機(jī)動(dòng)車道，下層為人行加非機(jī)動(dòng)車道，該橋于2016年建成［3］。

值得注意的是，各國(guó)在鐵路橋方面對(duì)鋼腹桿組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用較少，僅日本修建了一座跨度為50 m 的單線鐵路橋—山倉(cāng)川橋［4］，該橋頂?shù)装寰鶠榛炷粒箺U采用圓形鋼管。國(guó)內(nèi)鐵路組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司有扎實(shí)的基礎(chǔ)：西安－平?jīng)鲨F路跨銀武高速立交全面研究了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)（實(shí)質(zhì)上是簡(jiǎn)支槽形梁與桁梁的組合結(jié)構(gòu)）的力學(xué)性能，并應(yīng)用于工程實(shí)踐［5］；對(duì)蘭新二線跨蘭西高速公路特大橋（80+168+80）m 連續(xù)梁-桁組合結(jié)構(gòu)［6］和大西高速鐵路晉陜黃河特大橋2×108 m單T剛構(gòu)鋼桁加勁組合結(jié)構(gòu)［7］，從整體結(jié)構(gòu)受力機(jī)理、加勁鋼桁與主梁連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及形式、加勁鋼桁對(duì)整體結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度等進(jìn)行了大量的研究。中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司基于鋼-混凝土結(jié)構(gòu)的成功建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在銀西高速鐵路渭河特大橋上，首次將鋼腹桿組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于雙線高速鐵路橋。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

銀西高速鐵路渭河特大橋位于陜西省境內(nèi)渭河下游段，橋址處主河槽寬1 km 左右，常流水河面寬360 m，橋位百年設(shè)計(jì)流量Q1∕100=9 920 m3∕s，百年設(shè)計(jì)水位H1∕100=381.34 m，水位高程不控制設(shè)計(jì)。

橋位處河段處于渭河生態(tài)景觀帶上，距離福銀高速公路橋下游80 m，該公路橋主河槽跨徑30 m。經(jīng)過與黃河水利委員會(huì)溝通并召開專家評(píng)審會(huì)后，設(shè)計(jì)中必須考慮以下2 點(diǎn)［8］：①鐵路等級(jí)為Ⅰ級(jí)；②正線數(shù)目為雙線，線間距考慮橋群水流干擾效應(yīng)，主河槽內(nèi)橋墩與福銀高速公路隔墩對(duì)孔設(shè)置，即單孔跨度須不小于60 m 且為30 m 整數(shù)倍；②要求盡量減小主河槽橋墩尺寸，減小阻水面積，原則上本橋主墩縱向不得大于3.4 m。本橋橋面高程略高于福銀高速公路，在近距離的情況下，應(yīng)適當(dāng)考慮美觀性。

上部結(jié)構(gòu)形式若采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，一般考慮60 m混凝土簡(jiǎn)支箱梁、簡(jiǎn)支鋼桁梁或（60+n×60+60）m 連續(xù)梁方案（混凝土梁或者鋼桁梁）。本橋墩高13～25 m，位于高烈度地震區(qū)。根據(jù)銀西線相似橋梁設(shè)計(jì)資料，60 m 混凝土簡(jiǎn)支梁橋墩縱向不小于3.6 m［9］；60 m 混凝土連續(xù)梁非制動(dòng)墩縱向不小于3.6 m（墩高13 m 左右），制動(dòng)墩不小于3.8 m［10］。橋墩尺寸不滿足要求。

考慮地震力作用影響，為減小橋墩尺寸，需減輕結(jié)構(gòu)自重；同時(shí)為更好地增加鐵路橋的通透性、減小對(duì)公路通車的壓抑感，主橋采用3 聯(lián)（3×60 m）+2 聯(lián)（4×60 m）鋼腹桿預(yù)應(yīng)力混凝土組合結(jié)構(gòu)連續(xù)梁，共17孔。主橋部分立面布置見圖1。

圖1 主橋部分立面布置（單位：m）

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

4.4 m，主橋位于直線上；③設(shè)計(jì)洪水頻率為1∕100 設(shè)計(jì)，1∕300 檢算；④設(shè)計(jì)活載為ZK 活載；⑤地震烈度為8度，Ag=0.2g，場(chǎng)地譜特征周期0.35 s；⑥設(shè)計(jì)行車速度250 km ∕h；⑦軌道類型為有砟軌道。

2 梁部主要設(shè)計(jì)參數(shù)選取

2. 1 桁高

桁高是影響桁架橋力學(xué)特性的重要指標(biāo)，在其他條件不變的前提下，加大桁高可提高結(jié)構(gòu)的豎向剛度，但會(huì)削弱結(jié)構(gòu)的橫向剛度；加大桁高則弦桿的內(nèi)力減小，增大了腹桿的長(zhǎng)細(xì)比，給腹桿的受力帶來(lái)一定的不利影響［11］。因此，合理選取桁高是桁架橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。

等高鋼-混組合連續(xù)桁梁與等高預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁在荷載條件相同的前提下，產(chǎn)生的彎矩并沒有變化，僅是外彎矩的平衡機(jī)理不同。這意味著等高鋼-混組合連續(xù)桁梁的桁高選取可參照同跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，其支點(diǎn)梁高、桁高設(shè)計(jì)資料見表1。

表1 連續(xù)梁、鋼桁梁、結(jié)合梁類似結(jié)構(gòu)高跨比

由表1 可見，混凝土連續(xù)梁高跨比約為1∕10～1∕8；鋼桁結(jié)合梁、上承式鋼桁梁高跨比約為1∕14.5～1∕11.0。由于鋼腹桿組合結(jié)構(gòu)與混凝土連續(xù)梁構(gòu)造相似，只是腹板剛度降低，與連續(xù)梁相比，稍微降低梁高即可。綜合參考各橋型，將銀西高速鐵路渭河特大橋的梁高設(shè)計(jì)為6 m，高跨比1∕10，通過計(jì)算結(jié)果再進(jìn)行調(diào)整。

2.2 桁式

本工程受施工條件限制，擬采用懸臂現(xiàn)澆施工。常用的桁式有三角桁、N形桁、菱形桁等。由于三角桁造型簡(jiǎn)潔、受力明確，節(jié)點(diǎn)板構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單［14］，中等跨度桁架橋大都采用無(wú)豎桿三角形桁。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，確定本橋采用無(wú)豎桿三角形桁。

2.3 節(jié)間長(zhǎng)度

從受力角度考慮，節(jié)間長(zhǎng)度對(duì)下弦桿和鋼腹桿的受力有一定的影響，節(jié)間長(zhǎng)度大則下弦桿的局部彎矩較大，由于下弦是整體式混凝土結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)對(duì)鋼-混凝土組合桁架尤為突出；節(jié)間長(zhǎng)度長(zhǎng)，腹桿數(shù)目減少，腹桿受力會(huì)有一定的增加［15］。

另外，節(jié)間長(zhǎng)度與桁高的匹配關(guān)系還需要考慮節(jié)點(diǎn)處的構(gòu)造要求：本設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)板部分預(yù)埋于頂板，部分外露，節(jié)點(diǎn)板不宜過大，在桁高一定的情況下，若節(jié)間長(zhǎng)度大會(huì)增大節(jié)點(diǎn)板尺寸。景觀要求也是節(jié)間長(zhǎng)度選擇要考慮的重要因素。通過6，8，10 m 節(jié)間長(zhǎng)度比選，綜合考慮節(jié)段劃分、構(gòu)件運(yùn)輸?shù)纫蛩兀窘Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)節(jié)間長(zhǎng)度取6 m，腹桿夾角約60°。

3 組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 組合結(jié)構(gòu)整體構(gòu)造

綜合國(guó)內(nèi)外鋼腹桿組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，本橋3×60，4×60 m 等跨鋼腹桿組合結(jié)構(gòu)為方便施工采用等高度設(shè)計(jì)，連續(xù)梁梁長(zhǎng)分別為181.7，241.7 m，中支點(diǎn)和邊支點(diǎn)局部采用整體箱形截面，頂?shù)装宀捎妙A(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，腹桿采用鋼結(jié)構(gòu)。桁高6 m，節(jié)間距6 m，桁式采用無(wú)豎桿三角桁，梁段劃分根據(jù)節(jié)點(diǎn)板大小及施工綜合考慮，0號(hào)段長(zhǎng)15 m，其余主要梁段長(zhǎng)6 m。梁體構(gòu)造和橫截面見圖2。

圖2 梁體構(gòu)造和橫截面（單位：cm）

3.1.1 頂?shù)装?/p>

頂板采用寬度12.6 m、變高度0.4～0.9 m 的混凝土截面，底板采用寬度7.2 m、變高度0.4～1.0 m 的槽形截面，頂?shù)装蹇v向均為全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)板布置及受力需要，在鋼腹桿連接處進(jìn)行局部加寬、加高，寬度為1.0 m，高度為1.1 m。縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860 MPa 的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，預(yù)應(yīng)力管道采用金屬波紋管成孔。

3.1.2 腹桿

腹桿根據(jù)計(jì)算采用外輪廓為650 mm×550 mm 的矩形鋼箱，鋼箱材質(zhì)采用Q370qE。綜合考慮受力及便于施工、采購(gòu)等因素，厚取16，24，32 mm。

3.1.3 節(jié)點(diǎn)板

全橋上下節(jié)點(diǎn)均采用整體節(jié)點(diǎn)板，預(yù)埋入上下鋼筋混凝土的弦桿內(nèi)，節(jié)點(diǎn)板上開直徑為60 mm 孔并穿?25 mm 鋼筋［16］。由于全橋節(jié)點(diǎn)板構(gòu)造不同，共分為端節(jié)點(diǎn)板和標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)板2 種形式，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)板外輪廓尺寸相同，板厚與腹桿相同。鋼腹桿與節(jié)點(diǎn)板采用高強(qiáng)度螺栓相連，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)板構(gòu)造見圖3。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)板構(gòu)造

3.2 組合結(jié)構(gòu)施工方案

由于該橋位于渭河主河槽，墩較高，施工周期較長(zhǎng)，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)汛期，為防止出現(xiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)，采用懸臂澆筑施工最為安全，為減小邊跨次內(nèi)力，采用先中后邊的合龍順序。與傳統(tǒng)懸臂澆筑施工方法不同點(diǎn)在于：每次澆筑前均需預(yù)埋頂?shù)装骞?jié)點(diǎn)，并安裝上一階段未安裝的腹桿。以1 號(hào)梁段懸臂澆筑為例，施工步驟見圖4。澆筑1 號(hào)段頂?shù)装寤炷林埃璋惭b本梁段上節(jié)點(diǎn)板SJD1 和下節(jié)點(diǎn)XJD1，并安裝0 號(hào)段與1號(hào)段連接處F1腹桿。其余梁段施工以此類推。

圖4 施工步驟

合龍段處理（圖5）：由于合龍段需預(yù)埋頂板節(jié)點(diǎn)，安裝兩側(cè)腹桿，因此將合龍段梁設(shè)計(jì)成異形，保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)板在混凝土內(nèi)部，便于節(jié)點(diǎn)板預(yù)埋及施工。

圖5 合龍段梁段處理示意（單位：cm）

3.3 組合結(jié)構(gòu)受力分析

3.3.1 設(shè)計(jì)荷載

1）恒載

①一期恒載：結(jié)構(gòu)自重，鋼結(jié)構(gòu)材料重度78.5 kN∕m3；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)材料重度26.5 kN∕m3，節(jié)點(diǎn)板重50 kN。

②二期恒載：按176 kN∕m計(jì)算。

③結(jié)構(gòu)混凝土收縮徐變及預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、松弛損失按TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［17］計(jì)算。

2）活載

①列車豎向活載縱向計(jì)算采用ZK 標(biāo)準(zhǔn)活載。雙線，無(wú)折減。

②列車豎向活載橋面橫向計(jì)算采用ZK 特種活載。

③列車活載動(dòng)力系數(shù)按TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》［18］計(jì)算，主桁桿件即所有鋼腹桿取1.28；橋面頂?shù)装寤钶d動(dòng)力系數(shù)按TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》［19］計(jì)算，取值為1.0；疲勞動(dòng)力系數(shù)按TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［20］計(jì)算，取值為1.18。

④橫向搖擺力取100 kN，作為一個(gè)集中荷載取最不利位置，以水平方向垂直線路中線作用于鋼軌頂面，雙線橋只計(jì)算任一線上的橫向搖擺力。

3）附加力

①制動(dòng)力或牽引力：按TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》［19］7.2.13條計(jì)算。

②風(fēng)力：有車時(shí)取520 Pa，無(wú)車時(shí)取650 Pa。

③溫度力：結(jié)構(gòu)沿截面均勻溫度變化產(chǎn)生的內(nèi)力按結(jié)構(gòu)升降溫20 ℃計(jì)算；結(jié)構(gòu)非均勻溫度變化按主梁頂板升溫5 ℃計(jì)算。鋼桁與混凝土主梁間的溫差按15 ℃計(jì)算。

④施工臨時(shí)荷載：掛籃自重及全部施工荷載重不應(yīng)超過800 kN，合龍吊架重量300 kN。

⑤基礎(chǔ)不均勻沉降：相鄰兩橋墩基礎(chǔ)不均勻沉降值取1 cm，取最不利組合計(jì)算。

⑥特殊荷載：地震作用、列車脫軌荷載、運(yùn)梁車荷載等。

3.3.2 模型計(jì)算結(jié)果分析

分別采用BSAS 及MIDAS 建立有限元模型，對(duì)鋼腹桿組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面和空間分析。平面計(jì)算主要計(jì)算ZK 豎向靜活載作用下的豎向撓度和梁段轉(zhuǎn)角、橫向水平撓度、徐變上拱值等剛度指標(biāo)，從總體上把握該結(jié)構(gòu)受力性能。

1）梁體變形計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 組合結(jié)構(gòu)梁體變形計(jì)算結(jié)果

恒載+活載情況下，邊跨跨中最大撓度為35 mm，為梁跨的1∕1 714；中跨跨中最大撓度為13 mm，為梁跨的1∕4 615。

2）頂?shù)装邃撌渲酶鶕?jù)計(jì)算構(gòu)造及計(jì)算需要，除邊跨底板合龍鋼束采用19?15.2 外，其余縱向預(yù)應(yīng)力鋼束均采用15?15.2。頂板T 構(gòu)布置24 根預(yù)應(yīng)力鋼束，邊跨底板布置28 根，中跨底板布置20 根，邊跨頂板布置4根合龍束，中跨頂板布置2根合龍束。

頂板布置4?15.2 橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，間距0.5 m。在中支點(diǎn)混凝土箱梁腹板上豎向布置直徑為32 mm的PSB830預(yù)應(yīng)力精軋螺紋粗鋼筋。

經(jīng)過計(jì)算，梁部設(shè)計(jì)安全系數(shù)、鋼絞線應(yīng)力、混凝土應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3）模型空間分析支點(diǎn)處構(gòu)造復(fù)雜，特別是鋼腹桿和整體混凝土交接處，剛度變化大，結(jié)構(gòu)受力傳遞及分布是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。采用實(shí)體單元模擬頂?shù)装澹箺U采用梁?jiǎn)卧簡(jiǎn)卧c實(shí)體單元連接處采用大剛度虛梁?jiǎn)卧豢紤]預(yù)應(yīng)力［21］。該模型主要用于分析：

①結(jié)構(gòu)的空間傳力規(guī)律；

②結(jié)構(gòu)頂板的剪力滯效應(yīng)；

③結(jié)構(gòu)橋面板的橫向效應(yīng)；

④結(jié)構(gòu)腹桿于混凝土腹板交界處的受力情況。

支點(diǎn)處空間分析有限元模型見圖6。

圖6 支點(diǎn)處空間分析有限元模型

空間分析結(jié)果表明：支點(diǎn)處腹板與鋼腹桿交界處，底板有較大的局部負(fù)彎矩，主力作用下該底板頂部有3.8 MPa的拉應(yīng)力，而在主力+附加力的作用下該處的拉應(yīng)力可以達(dá)到6.0 MPa，設(shè)計(jì)中采用增加部分體外預(yù)應(yīng)力鋼束和增強(qiáng)局部配筋的方式，有效地解決了該問題。

3.4 組合結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)縮尺模型試驗(yàn)

根據(jù)銀西線渭河特大橋鋼腹桿組合箱梁內(nèi)力圖，最大拉桿內(nèi)力為8 200 kN，根據(jù)前期西平鐵路跨銀武高速立交、蘭新第二線跨蘭西高速公路特大橋以及大西線客運(yùn)專線晉陜黃河特大橋的節(jié)點(diǎn)區(qū)破壞性試驗(yàn)［22-24］，若采用1∶2的縮尺比，則試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d到反力墻及千斤頂最大量程時(shí)尚未達(dá)到極限承載力。因此，要想得到節(jié)點(diǎn)區(qū)的破壞模式和承載能力，采用1∶3 的縮尺較為合理。共進(jìn)行3個(gè)節(jié)點(diǎn)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)縮尺模型斷面見圖7。

圖7 試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)縮尺模型斷面（單位：cm）

縮尺后的節(jié)點(diǎn)模型采用與原型節(jié)點(diǎn)相同的材料，即混凝土弦桿采用C50 混凝土，PBL 芯棒鋼筋和縱向鋼筋均采用HRB400 鋼筋，鋼結(jié)構(gòu)采用Q370qE 級(jí)鋼。目前該試驗(yàn)正在進(jìn)行中。

4 結(jié)論

1）連續(xù)梁結(jié)構(gòu)邊跨最佳跨度為中跨跨度的0.6倍左右，對(duì)本橋邊跨為40 m左右最佳。

2）因本橋需與既有福銀高速對(duì)孔設(shè)置，采用等跨度（60 m）連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，共3 聯(lián)（3×60 m）+2 聯(lián)（4×60 m）連續(xù)梁。

3）為方便施工將梁部設(shè)計(jì)為等高度，中支點(diǎn)整體混凝土截面與鋼腹桿連接處剛度變化較大，底板主拉應(yīng)力較大。在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，可將梁部線形設(shè)計(jì)為曲線，加大中支點(diǎn)處梁高，可明顯改善結(jié)構(gòu)受力。