京廣高鐵聯絡線160 m四線混合連續梁橋設計及關鍵技術

余艷霞

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

混合梁橋在跨中設置鋼梁減小了結構自重,增加了跨越能力,能有效降低工后徐變,可避免大跨度混凝土梁設置拉索或拱肋加勁,在我國公路梁式橋中已有較多應用[1-3]。而混合梁在我國鐵路橋梁上主要應用于斜拉橋[4-5],如我國首座大跨度鐵路混合梁斜拉橋—寧波鐵路樞紐主跨468 m的甬江特大橋[6-8]、我國首座四線鐵路高低塔混合梁斜拉橋—福廈高鐵烏龍江特大橋[9-11]等。

近年來,混合梁在鐵路梁式橋中開始探索與發展,新建杭溫鐵路永嘉右行線跨甬臺溫特大橋主跨216 m單線橋梁[12-14]為我國首座在鐵路上運用混合梁技術的剛構連續梁橋。本梁則為混合梁在四線鐵路連續梁橋中的探索應用。

1.1 工程概況

京廣高鐵聯絡線流溪河特大橋位于廣州市白云區江高鎮境內,橋址區屬于珠江三角洲沖積平原,地勢較平坦,起伏較小,植被不發育,線路左側為既有線京廣鐵路,附近開辟為村莊、公路及流溪河。

場區的巖土層按其成因分類主要有:第四系人工堆積層(填筑土、雜填土)、第四系沖洪積層(淤泥、粉質黏土、粉砂、中砂、礫砂等)、下伏基巖為石炭系灰巖、砂巖、泥灰巖、炭質灰巖,本橋基礎持力層在灰黑色、深灰色,弱風化炭質灰巖。

綜合橋址接線條件、河道條件、施工組織及工程投資等因素,本橋采用(70+160+70) m四線混合連續梁跨越流溪河左汊航道,河流與線路夾角77°。混凝土梁段采用懸灌施工,鋼梁段采用整體吊裝施工。

流溪河左汊航道為Ⅲ級航道,單孔雙向通航凈寬≮110 m,通航凈高≮10 m,最高通航水位3.5 m,最低通航水位0.03 m。

橋址平面及全橋立面分別如圖1、圖2所示。

圖1 橋址平面(單位:m)Fig.1 Bridge site plane (unit: m)

圖2 全橋立面(單位:m)Fig.2 Full bridge elevation (unit: m)

1.2 主要技術標準

軌道類型:有砟軌道;

正線數目:四線,線間距(5.3+4.2+5.3) m;

設計速度:160 km/h;

曲線半徑:R=1 400 m;

設計活載:ZK標準活載;

地震烈度:7度。

1.3 橋式方案確定

根據防洪及通航評價批復意見,主跨采用160 m跨越流溪河左汊航道,此跨度橋梁可采用的結構形式有連續梁拱、部分斜拉橋、鋼混連續梁。由于橋址鄰近京廣既有線128 m鋼桁梁,采用鋼混連續梁可避免結構形式雜亂,也避免了鄰近既有線上方的高空作業風險,并且造價低、施工方便、工期短、后期維護費用低,經過綜合比選,該橋采用鋼混連續梁橋式方案。

2 結構設計

2.1 總體布置

(70+160+70) m四線混合連續梁,橋梁全長300 m,其中,跨中50 m為整體吊裝鋼箱梁段,兩側設6.5 m鋼混結合+鋼梁連接段,其余為預應力混凝土梁段。各支點橫向均設置3個支座,邊支座橫向中心距(7.5+7.5) m,中支座橫向中心距(6+6) m。

中支點梁高11 m,邊支點梁高6.0 m,中支點等高平段長5.0 m,邊支點等高平段長8 m,中間59.5 m梁高按圓曲線變化。

全梁共分57個梁段,編號A0、AB1～AB12、邊跨合龍段A13、邊跨現澆段A14、中跨鋼混結合段+鋼梁連接段B13、中跨鋼梁吊裝段B14,其中0號梁段長14 m,混凝土合龍段2.0 m,其他混凝土梁段分別長3,3.5,4.0 m,鋼梁整體吊裝段長50 m。

主梁梁段劃分如圖3所示,四線橋梁橋面布置如圖4所示。

圖3 主梁節段劃分(單位:m)Fig.3 Main beam segment division (unit: m)

圖4 四線橋梁橋面布置(單位:cm)Fig.4 Deck layout of four-line bridge (unit: m)

2.2 混凝土主梁構造

混凝土主梁為預應力混凝土結構,采用單箱三室截面,直腹板。主梁頂板寬度為22.5 m,厚度65 cm,底板寬16 m,底板厚度由50 cm漸變至中支點附近100 cm,局部加厚至200 cm。箱梁腹板厚度分別為80,100 cm,支點附近局部加厚至130 cm。

全梁共布置橫隔板4道,在梁的兩端各設200 cm厚橫隔板,中墩處設置400 cm厚橫隔板,所有橫隔板均設過人孔。典型橫截面如圖5所示。

圖5 混凝土主梁典型橫截面(單位:cm)Fig.5 Typical cross section of concrete main beam (unit: cm)

2.3 鋼梁構造

鋼箱梁長度63 m,具體組成為:中間36 m等高鋼箱梁+2×10.5 m變高鋼箱梁+2×3 m鋼混結合段。3 m長的鋼混結合段和3.5 m的鋼箱連接段一起加工制作,其余50 m鋼箱梁為工廠分段制作,現場拼裝,整體吊裝鋼箱梁。

中間鋼箱梁最低點梁高6.06～6.316 m,頂板寬22.5 m,底板寬16 m。鋼梁采用單箱三室或分離雙箱截面均可行,考慮本梁梁高較高,梁寬亦較寬,分離雙箱截面更便于運輸,施工方案選擇更靈活(可采用單幅分別吊裝或整幅整體吊裝),且分離雙箱截面更經濟,經過比選本梁鋼梁采用分離雙箱鋼箱梁截面。

鋼梁頂板采用(16+3) mm等厚度復合不銹鋼板。采用U肋+板肋加勁,U肋上口寬300 mm,下口寬180 mm,高度280 mm,間距600 mm。U形加勁肋厚度為8 mm。

底板采用24 mm等厚度鋼板,底板加勁肋采用220 mm×20 mm的鋼板,基本間距750 mm。

腹板采用24 mm等厚度鋼板,腹板加勁肋采用260 mm×24 mm的鋼板,豎向基本間距600～900 mm。鋼箱梁橫隔板采用桁架式,與頂底板均保持垂直,標準間距3.0 m。

鋼主梁典型橫截面如圖6所示。

圖6 鋼主梁典型橫截面(單位:cm)Fig.6 Typical cross section of steel main beam (unit: cm)

2.4 鋼混結合段

鋼混結合段長度3.0 m,起到順暢可靠傳遞各種軸力、彎矩、扭矩和剪力的作用。結合段采用有格室的后承壓板形式;將鋼箱梁端部的頂、底板和腹板做成雙壁板,在雙壁板內部設置PBL剪力板和剪力釘,形成鋼格室,在鋼格室內部填充混凝土。鋼混結合段立面布置如圖7所示。

圖7 鋼混結合段立面布置(單位:cm)Fig.7 Typical cross section of steel main beam (unit: cm)

2.5 主要計算結果

(1)運營階段混凝土主梁應力主要計算結果匯總于表1,正值為壓,負值為拉。

表1 運營階段主梁混凝土應力 MPaTable 1 Concrete stress of main beam during operation stage

強度安全系數:主力最小2.38,主+附最小2.31;抗裂安全系數:主力最小1.51,主+附最小1.45。

(2)運營階段鋼梁應力主要計算結果匯總于表2,正值為壓,負值為拉。

表2 運營階段鋼梁應力 MPaTable 2 Steel beam stress during operation stage

(3)剛度:ZK靜活載最大撓度為72.7 mm,撓跨比L/2 215,最大梁端轉角為0.58‰rad,滿足規范梁端折角不大于2‰rad的規定。

(4)工后徐變:線路鋪設后,主梁最大工后徐變值為邊跨上拱2.9 mm,中跨下撓10.9 mm。

(5)鋼混結合段受力

鋼混結合段[15]受力是混合梁的關鍵,本橋為梁式橋,鋼混結合段受力不同于斜拉橋鋼混結合段,其主要受力行為仍具有梁式結構特點,截面同時承受彎矩、軸力和剪力。經過計算比選確定鋼混結合段位置,詳見本文3.3節。同時,為保證鋼混結合段鋼梁與混凝土梁段的緊密結合受力,在鋼混結合段與相鄰混凝土梁段內均勻設置縱向預應力短束,分別錨固于鋼混結合段承壓板上和混凝土梁段內。

采用有限元軟件ANSYS對鋼混結合段進行實體分析,結果表明:結合段鋼結構頂板受拉底板受壓,最大拉應力約50 MPa,最大壓應力約58 MPa;鋼結構等效應力最大為70 MPa,位置靠近承壓板;鋼混結合段整體應力水平較低,傳力較勻順。

3 關鍵技術及創新點

3.1 等效跨度

鋼混連續梁在跨中設置鋼梁后可有效減小自重,增大跨越能力,為研究采用鋼混連續梁與普通預應力混凝土連續梁的等效性,分析出合適的等效主跨跨度,從120～160 m共8種常規四線預應力混凝土梁與160 m鋼混連續梁進行對比分析,其中普通連續梁邊中跨比按0.6,支點梁高按1/13.5L,跨中梁高按1/24.3L進行計算。

不同跨度主梁中墩墩頂彎矩、中跨跨中彎矩結果匯總于表3,下緣受拉為正,受壓為負,余同。

表3 不同跨度主梁內力匯總Table 3 Summary of Internal forces of main beams with different spans

(1)從主跨160 m的普通連續梁和混合連續梁受力比較可知,采用混合連續梁主梁受力均有較大改善,中墩墩頂負彎矩可減小1.3倍,中跨跨中彎矩減小最多,可達2倍。

(2)160 m四線混合連續梁中墩墩頂負彎矩與主跨140 m預應力混凝土連續梁相當,中跨中正彎矩與主跨120 m預應力混凝土連續梁相當。可知,采用中跨鋼梁減輕自重后,主跨可放大1.15～1.3倍;設計時可參考0.875倍等效跨度預應力混凝土梁擬定梁高等設計參數,進一步體現了混合連續梁較普通連續梁的優越性。

本鋼混連續梁支點梁高采用11 m(L/12.78,L為140 m等效跨度),跨中梁高采用6 m。

3.2 邊中跨比

常規變高度懸灌連續梁一般邊中跨比為0.5～0.6[16],當邊中跨比小于0.5時,需要設置拉力支座或者壓重。而鋼混連續梁中跨中采用鋼箱梁,既提高了橋梁的跨越能力,又顯著減輕中跨質量[17],邊跨長度可顯著減小。

為研究鋼混連續梁邊跨長度變化對主梁受力的影響,擬定主跨160 m,中跨鋼梁長度按63 m(包含鋼混結合段),邊跨采用60～90 m共4種長度進行對比分析,其中主梁按支點梁高11 m,跨中梁高6 m進行計算。不同邊跨長度主梁內力、剛度、支反力匯總于表4～表6。表中撓度向下為負。

表4 不同邊中跨比主梁內力匯總Table 4 Summary of internal forces of main beams with different side to midspan ratios

表5 不同邊中跨比主梁剛度匯總Table 5 Summary of stiffness of main beams with different side to midspan ratios

表6 不同邊中跨比主梁邊墩支反力匯總(負值為拉,正值為壓)Table 6 Summary of side pier support reactions of main beams with different midspan ratios (negative values are tensile, positive values are compressive)

主梁受力:當邊跨長度增加時,邊跨受力呈不利趨勢,并且變化趨勢明顯;中墩墩頂負彎矩隨著邊跨長度增加呈先減小后增大的趨勢;中跨跨中正彎矩隨著邊跨增加先增加后減小,但變化趨勢平緩。本鋼混連續梁邊中跨比最優取值在0.45～0.5。

主梁剛度:當邊跨跨度增加時,主梁梁端轉角變大,主梁剛度減小,故邊跨跨度太長時,對主梁整體剛度不利。

邊墩支反力:當結構沒有采用壓重方案時,邊中跨比在0.38時出現了較大負反力,需要壓重。

從構造上考慮,中跨鋼梁采用吊裝施工方案,邊跨不需要考慮對稱懸澆施工,僅需要考慮支反力不出現負反力即可,同時如果邊跨過長,反而出現邊跨現澆段過長,邊跨合龍階段邊跨受力難以通過等不利情況。

綜上,從主梁受力、剛度、支反力、構造等情況綜合考慮,鋼混連續梁邊中跨比在0.45～0.5為最優。

3.3 鋼梁長跨比

鋼梁長度需根據結構受力最佳﹑構造尺寸合理、技術難度較小及節省造價等方面綜合比較,同時鋼混結合接頭位置以選取受彎效應較小的位置為佳[18-19]。

為研究最優鋼梁長度,擬定鋼梁長度(不含鋼混結合段長度)為54,57,60,63 m四種方案進行對比分析,重點關注鋼混結合部位整體受力情況,其中主梁按支點梁高11 m,跨中梁高6 m進行計算。不同鋼梁長度主梁內力見表7。

表7 不同鋼梁長跨比主梁內力結果匯總Table 7 Summary of internal force results of main beams with different length to span ratios of steel beams

根據表7計算可得如下結論。

(1)混合梁1/2邊跨彎矩、墩頂負彎矩和中跨跨中正彎矩均隨鋼箱梁段長度增大而減小,鋼梁長度增加對整體受力有利。

(2)中跨鋼梁長度的決定性因素為鋼混結合段中心位置應在恒載彎矩(考慮預應力影響)0點,恒載彎矩0點為鋼梁長跨比0.36工況,此時鋼混結合段范圍在各工況下受力最優。

(3)四線混合連續梁的中跨鋼梁合理長跨比(不包含鋼混結合段)在0.35～0.4,與陳康明[20]研究結論基本一致。

中跨鋼梁長度變化對主梁在活載工況下受力和主梁剛度基本無影響(計算結果不再計列)。

3.4 技術創新點

(1)在四線鐵路梁式橋中創造性采用鋼混混合結構,減小了結構自重和梁高,提高了橋梁的跨越能力,減小了工后徐變,進一步創新發展了鐵路梁式橋。

(2)中跨63 m鋼梁替換混凝土梁,大大減小了主跨自重,邊跨長度可進一步減小,有利于滿足高速鐵路剛度要求,進一步發展了鐵路梁式橋。

(3)鋼梁截面采用易于運輸、施工方案更靈活的分離雙箱截面,提高了該類結構的適應性。

(4)鋼梁采用整體吊裝施工方案,減少了懸灌節段數,極大縮短了施工工期,為鐵路高速發展提供了便利。

4 結語

京廣高鐵聯絡線流溪河特大橋主橋設計過程中,結合通航、防洪要求,綜合考慮既有線安全、結構形式協調性,創造性采用主跨160 m四線鐵路鋼混混合梁式橋,大大減小了大跨度連續梁橋的梁高,增大了連續梁橋的跨越能力,減小了大跨度連續梁橋工后徐變;中跨63 m鋼梁的設置,減小了主跨自重及懸灌長度,邊跨進一步縮短,梁端轉角控制良好,進一步優化了跨中梁高;鋼梁采用整體吊裝的施工方案極大縮短了施工工期,經濟性好。

該橋為國內首座大跨度四線鐵路鋼混連續梁橋,該橋的成功應用創新發展了鐵路混合梁梁式橋,拓寬了鐵路混合梁梁式橋的發展前景,為今后類似橋梁設計提供借鑒和參考。