哈大铁路客运专线变跨结合梁设计

2012-11-27孙宗磊

铁道标准设计 2012年5期

孙宗磊

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

1 概述

新建哈尔滨至大连客运专线沈大段线路长度425.536 km，其中桥梁长度293 172.2 km，占线路长度的68.9%。沈大段沿线经济发展较快，新建道路纵横，管线密布，地方对铁路预留道路、管线规划条件提出了更高的要求，为满足地方的要求，部分桥梁需要调整跨度。沈大段桥梁以标准跨度的双线预应力混凝土简支梁为主，梁场预制架设。桥梁跨度调整后，不可避免部分工点出现非标准跨度，考虑施工工期、施工方案和施工方法难易等综合因素，经比选，采用钢混结合梁进行变跨调整。沈大段共有调跨11处，跨度变化范围为17.22～24.6 m。施工方法采用架桥机架设或整体吊装。

钢混结合梁亦称组合梁，由钢梁和混凝土板组合在一起共同受力。钢混结合梁具有刚度大、抗震性能好、节约钢材、施工周期短、施工方便以及噪声小等优势，同时钢混结合梁在秦沈客运专线［1］、京津城际［2］等客运专线铁路得到应用。

2 结构形式及材质选择

钢混结合梁分两阶段施工，第一阶段架设钢梁。为节省钢材，钢梁结构一般为敞口结构形式。双线铁路桥梁一般采用双箱单室结构，双箱采用横隔板连接。轻轨和公路桥梁采用单箱单室或双室居多。

哈大客运专线梁部以32 m双箱简支箱梁为主，箱梁外轮廓采用斜腹板，桥墩采用流线形，桥梁成为哈大客运专线的一道靓丽风景线。局部变跨钢混结合梁如采用双箱单室结构形式，梁部线形从视觉上出现局部突变，同时钢箱梁底部跨度大，桥墩轮廓与相邻桥墩不一致，景观上不协调，经比选，变跨钢混结合梁采用外轮廓与混凝土简支箱梁一致的单箱双室结构。

设计中就钢梁材质进行了比选。Q370qE钢材板厚引起的承载力折减效应不明显，同时其韧性指标和焊接性能比较好，同时哈大客运专线地处寒冷地区，对钢结构性能要求高，根据计算结果，经比选采用了Q370qE钢材，桥面板采用C50钢筋混凝土。结构形式见图1。

图1 哈大客运专线变跨结合梁(横隔板未示)(单位:mm)

钢梁采用单箱双室截面，边腹板倾斜设置，倾斜度1∶5，中腹板垂直设置，截面外形呈倒梯形，全桥每隔4 m左右设置横隔板。

上翼缘厚度30 mm，宽600 mm;下翼缘厚度30 mm，宽5 820 mm(腹板间5 740 mm);腹板高(垂直)2 540 mm，厚度16 mm;钢梁高度2 600 mm。

端横隔板板厚30 mm，中间横隔板板厚25 mm。

本设计桥面板宽12.0 m，桥面板横向水平设置。钢梁及桥面板均按直线设计，曲线上按平分中矢进行布置。

混凝土板中间部分厚400 mm，悬臂部分采用直线渐变，悬臂端厚300 mm。

支座横向间距4 500 mm，纵向距离梁端500 mm。

传剪器采用直径22 mm圆柱头焊钉，焊钉材料ML15;承载力设计值及疲劳剪力幅分别采用50 kN及25 kN。

为降低结构重心，减小钢梁噪声，底板铺设纤维混凝土。钢梁底板每隔4 m左右设置直径为80 mm的泄水孔。

3 桥梁设计荷载及相关规定

3.1 恒载

一期恒载包括钢梁自重，模板、钢筋混凝土桥面板重，该荷载由钢梁承担。二期恒载无砟直(曲)线按184 kN/m，有砟直线按185 kN/m，曲线按201 kN/m计，由钢梁与钢筋混凝土桥面板形成的组合截面承担。

3.2 活载

ZK标准活载及ZK特种活载［3］。

3.3 温度力

按钢梁与钢筋混凝土桥面板温度差等于±15℃考虑。

3.4 混凝土收缩徐变影响

混凝土收缩按现浇混凝土降温15℃，并考虑混凝土徐变影响。

3.5 剪力传剪器

采用φ22 mm柔性栓钉，承载力及疲劳剪力幅分别采用50 kN和25 kN。

4 钢混结合梁设计

设计上分2个施工阶段:第一施工阶段钢梁施工就位，以钢梁为模架进行钢筋混凝土桥面板浇筑。此时一期恒载由钢梁承担。第二施工阶段，桥面设备施工。二期恒载及活载由钢梁与钢筋混凝土桥面板形成的组合截面承担。位于曲线上的钢梁，在设计中同时考虑组合梁扭矩效应和畸变效应。

4.1 换算截面的合理计算方法

4.1.1 混凝土有效宽度计算〔4〕

混凝土板的有效宽度按以下各项中之最小值。

(1)主梁间的板W

①两主梁中心距之半;

②主梁跨度的1/6;

③如板有梗胁时，取b/2+c+6h。

(2)主梁外侧的悬臂板W1

①主梁中心至板的悬臂端之间的距离;

②主梁跨度的1/12;

③如板有梗胁时，取b/2+c+6h。

以上符号代表意义见图2。

图2 混凝土有效宽度示意

4.1.2 结合梁截面特性计算〔5〕

采用面积换算求相关截面特性。混凝土板、钢梁及结合梁关系见图3。

图3 重心位置关系

具体计算公式如下:

式中 Fh，Fg，Fz——混凝土板、钢梁、结合梁的横截面面积，m2;

αh——结合梁换算截面重心与混凝土板重心的距离，m;

αg——结合梁换算截面重心与钢梁重心的距离，m;

α——混凝土板与钢梁重心间的距离，m;

Ih，Ig，Iz——混凝土板、钢梁、结合梁对各自中性轴的截面惯性矩，m4。

4.2 钢与混凝土弹性模量比值

设计中，在不同阶段、不同工况受力分析时，钢与混凝土的弹性模量比n值按表1所列之值采用。

表1 钢与混凝土的弹性模量比n

4.3 荷载的偏载计算

3片主梁在恒载和活载分别作用工况下，分担的荷载是不均匀的。因此，采用上述计算方法时，应分别考虑偏载系数［6］，活载偏载计算时应同时考虑曲线影响。

4.4 稳定计算

钢混结合梁的稳定在第二阶段由于混凝土板与钢梁形成整体截面，因此稳定一般不会存在问题。在第一施工阶段，由于钢梁为敞口截面，稳定性很差。因此第一施工阶段的稳定问题非常重要。本桥使用空间有限元程序进行了空间分析，空间模型见图4。通过分析，设置合理间隔的横梁、横隔板和加劲肋能够很好的防止结构局部屈曲，满足施工及运营阶段结构的稳定要求［7］。