武广铁路客运专线140 m钢箱系杆拱桥设计及其在高速铁路中的应用

2010-01-25金福海文功启

铁道标准设计 2010年1期

金福海,文功启,徐勇

(中铁第四勘察设计院集团有限公司桥梁处,武汉 430063)

1 桥式应用背景

武广铁路客运专线设计时速350 km,轨道结构为无砟轨道,桥梁结构设计活载采用ZK活载。在汀泗河特大桥上跨高珠高速公路处(89号～90号墩),拟采用1-140 m下承式钢箱系杆拱桥。京珠高速公路双向四车道,路面宽28 m,与铁路夹角为30°,需采用大跨度桥梁。

钢箱拱桥由于具有拱桥受力性能良好且造型优美,兼钢结构桥梁自重轻、建筑高度小、跨越能力大、施工周期短的特点,因而此种桥式在跨越高等级公路及河流时具有较好的优越性。也正是由于以上诸多优点,在铁路建设尤其是国外高速铁路中,钢箱拱是一种常见的桥式,如法国地中海高速铁路线上的栋泽尔桥,该桥拱跨2×110.3 m,总长324.6 m；还有Avignon桥,该桥主跨124 m[1]。比利时在布鲁塞尔—德国边界高速铁路线上修建了一座下承式系杆钢拱桥Wisele bridge,主跨117 m,双线铁路,有砟桥面。在德国、意大利、日本等发达国家的高速铁路中,也有类似桥型的应用。国内目前缺少建造客运专线、高速铁路大跨度钢箱系杆拱桥的经验,可查到的国外已建类似桥梁的资料都较为粗略,与设计、计算有关的资料不多。2006年铁道部科技司决定立项“武广铁路客运专线下承式钢箱系杆拱桥关键技术研究”,对该桥式进行详细科学研究。在1-140 m钢箱系杆拱桥的设计中,应用了科研课题的主要成果。

2 钢箱拱桥结构特点及结构设计

2.1 桥型布置

本桥全长143 m,计算距径140 m,全桥布置见图1～图3。

图1 钢箱拱立面(单位：mm)

图2 纵横梁平面(单位：cm)

图3 钢箱拱侧面(单位：cm)

2.2 拱肋

拱肋线型采用二次抛物线,计算跨径140 m,矢跨比1/5。

拱肋采用变截面钢箱,截面理论高度4.5～3.0 m,以适应拱肋均匀受力；钢管宽为2.0 m,每隔3 m左右设置横隔板,与拱肋中线垂直布置,用以保证大截面钢箱的局部稳定性。

两侧拱肋平行布置,中心间距16 m,全桥宽18 m。桥面布置在拱肋内侧。

2.3 横撑

两拱肋之间共设5道一字横撑,确保拱肋的整体稳定性,横撑采用钢箱截面,内宽1.18 m,外高适应拱肋截面高度的变化,高度为1.8～2.332 m。

2.4 桥面

桥面板采用┕┙混凝土板,通过剪力钉与纵横梁结合,见图4。桥面板一般厚度300 mm,在纵横梁处加厚到350 mm,在板端设置高770 mm,宽400 mm的边梁,以减少板边的混凝土拉应力。桥面系采用“半结合”的形式,即桥面板与纵横梁结合,与系梁不结合,在“半结合”桥面下,整个桥面系受力明确且施工方便。

图4 桥面布置(单位：mm)

2.5 系梁与纵横梁

系梁为等截面钢箱,梁高3.5 m,内宽1.94 m。横梁为抵抗较大的面外弯矩均设为箱形截面。其中,端横梁为适应梁端布置及受力要求,采用了较大的横向截面；纵梁一般采用与横梁等高(2.0 m)的工形截面,在与端横梁连接的端纵梁采用了箱形截面,以减少梁端桥面板的拉应力。

2.6 吊杆

吊杆采用工形刚性吊杆主要考虑避免了后期吊杆的更换,减少维护量,同时为整体拖拉法施工作准备,吊杆在拖拉的过程中可承受一定的压力。为减少风振,在吊杆腹板上开设了过风孔。

3 主要计算成果

3.1 静力计算结果

本桥在静活载及荷载组合作用下,主体钢结构的应力均能满足规范要求,见表1。

表1 主体钢结构最大应力 MPa

在静活载作用下,系梁最大竖向位移值为4.87 cm,挠跨比1/2 817<1/1 000；梁端最大转角为1.86‰。

3.2 桥面结合方式的比选

由于传统明桥面不适应客运专线高速行车的要求,目前较为常用的有混凝土道砟板桥面结构、混凝土整体桥面结构、正交异性板整体钢桥面结构等。当钢混凝土全结合时,系梁充当了一般钢桁架的弦杆的功能,属拉弯构件,尤其是在梁端处,混凝土的名义拉应力超出了规范要求,很难保证后期桥面的耐久性。本桥选择“半结合”这种桥面形式进行了详细研究,对11种桥面形式进行了比较计算[2],择优选定了┕┙板,在此种桥面形式下,混凝土的拉应力不超过5.5 MPa,通过高配筋,最大裂缝可控制在0.2 mm以内。