广珠铁路跨广清高速公路80 m结合钢桁梁设计

高文军

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 本桥工程概况

广珠铁路在DK2+834.41处上跨广清高速公路及田南路，采用1-80 m下承式栓焊钢桁结合梁，设计行车速度均为200 km/h，设计荷载为中-活载。

结构采用两片主桁，主桁中心距为11.8 m，节间长度10 m，桁高11.6 m，主桁采用无竖杆整体节点平行弦三角桁架，钢桁梁立面见图1。

图1 钢桁梁立面布置(单位:m)

桥面采用密横梁的纵横梁结合梁体系，在纵横梁及下弦杆上浇筑混凝土板，并通过剪力钉连接，共同参与受力。线间距为5 m，道砟槽内宽9.5 m，为减小主桁中心距，将人行道设置于主桁外侧，净宽为1.15 m。桥面布置见图2。

图2 桥面布置(单位:m)

2 主桥方案构思

根据平面位置关系，上跨广清高速公路及田南路需采用不小于80 m跨径的结构;同时受线路高程控制因素，轨面至广清高速路面净空仅为7.8 m，上跨结构梁高需控制在2.8 m内。

由于上述2个关键控制因素，常用的连续梁、连续刚构不适用于本工点，钢箱梁系杆拱、钢桁梁等建筑高度较小的结构是首选方案。考虑到钢桁梁可工厂化制作、现场拼接可加快施工进度，同时可采用托拉法架设避免对高速公路交通产生影响，经综合比较分析，采用1-80 m钢桁梁上跨广清高速公路及田南路。

3 主桥构造研究

3.1 桥面构造研究

国内外已建或在建的有砟轨道钢桁梁桥面系主要有正交异性板整体桥面、纵横梁混凝土道砟桥面、纵横梁结合梁桥面及密布横梁结合桥面［1］。

(1)正交异性板整体桥面主要用于大跨度钢桁梁斜拉桥、钢桁拱桥，其优点是钢桥面板直接参与主结构受力，解决长大跨度钢桁梁桥横梁因面外弯矩过大应力较难控制的问题，其缺点是纵横肋加劲钢桥面制作和安装较为困难，需纵横向分块运至桥位处后现场焊接。正交异性钢桥面板上铺设15～20 cm厚混凝土道砟槽板，混凝土板用剪力钉与钢桥面板连接，如主跨336 m南京大胜关钢桁拱、主跨630 m铜陵钢桁梁斜拉桥等大跨度钢桁梁均采用此桥面体系［2］。

(2)纵横梁混凝土道砟桥面是我国简支钢桁梁比较常用的桥面形式［3］，该体系中混凝土道砟仅作为荷载，不参与主结构受力，对横向刚度没有贡献，需要在桥面系下设置下平联及制动联结系［4］。

(3)纵横梁结合桥面根据横梁的间距又分为纵横梁及密横梁2种体系［5］，台湾高速铁路钢桁梁采用密横梁结合桥面，密布横梁体系能解决横梁面外弯矩过大的问题。加密的横梁及混凝土桥面板提供了较大的横向刚度，桥面系下可取消设置下平纵联，结构构造简单，建筑高度低，钢桁梁制作和安装较为方便，且用钢量较正交异性板桥面板少［6］。

上述3种桥面适用性均较广，但本桥80 m下承式简支钢桁梁，从结构建筑高度、整体桥面刚度、用钢量及安装制造困难等因素考虑，采用密横梁结合桥面，同时考虑将下弦杆也结合，将人行道置于主桁外侧，结构建筑高度可控制在2.8 m以内，满足要求。

3.2 主桁构造研究［7］

3.2.1 主桁中心距

主桁中心距由如下因素确定:

(1)满足时速200 km客货共线铁路建筑限界要求;

(2)主桁中心距不小于主跨的1/20，满足车桥耦合动力响应各项指标要求;

(3)人行道是否设置于主桁内侧。

根据上述因素综合考虑，并参考已建钢桁梁相关设计参数，主桁中心距采用11.8 m，将人行道设置于主桁外侧。

3.2.2 桁高

主桁的桁高由如下因素确定:

(1)行车净空要求，按《200 km/h客货共线铁路双层集装箱运输建筑限界(暂行)》中电力牵引的双层集装箱运输桥梁建筑限界SJX-QD图执行，轨面以上净高不小于7.96 m;

(2)横联或桥门架布置需要，简支钢桁梁横联或桥门架一般采用板式横联，高度约为1.55 m;

(3)主桁受力需要。

综合考虑上述因素，主桁桁高采用11.6 m。

3.2.3 主桁节间长度

主桁节间长度主要由如下因素控制:

(1)主跨的跨度;

(2)杆件最大吊重，节间长度越长，杆件吊重越大;

(3)杆件次应力，节间长度越长，杆件线刚度越小，由节点刚性引起的次应力越小;

(4)斜杆的水平倾角控制在45°～55°，便于杆件制造及安装。

综合考虑上述因素，主桁节间长度采用10 m，全桥共8个节间。

3.2.4 截面形式

主桁上、下弦杆均采用焊接箱形截面，端部斜腹杆形式采用箱形截面，中部斜腹杆采用H形截面。主桁节点采用整体节点，上弦杆内宽700 mm，内高700 mm，板厚 32～44 mm;下弦杆内宽 700 mm，外高1 056 mm，板厚16～28 mm。除最外端斜腹杆内宽为760 mm，其余箱形斜腹杆内宽及内高均为700 mm，板厚24～32 mm，H形斜腹杆外高为698 mm，翼板宽为700 m，腹板厚16～20 mm，翼板厚24～28 mm。

3.2.5 主桁连接

采用焊接整体节点，箱形截面杆件均在节点外四面拼接，H形截面杆件与节点采用插入式连接。主桁杆件与节点之间采用M30高强螺栓连接，箱形杆件下水平板需设置手孔，手孔位于拼接缝中心处，宽200 mm。主桁横断面见图3。

图3 主桁横断面(单位:mm)

3.3 纵横梁构造

对于双线桥梁，纵梁一般设置为2～4根，为减小纵梁高度，本次计算采用4根，外纵梁与主桁中心距为2.45 m，外纵梁与内纵梁间距为2.3 m，内纵梁间距为2.3 m。

1个节间10 m范围内为2根或3根次横梁，需经过详细计算比较，见表1。

表1 次横梁应力对比 MPa

在设计前期，将混凝土板当外荷载分析比较，合理确定纵横梁根数。

由于本桥没有考虑混凝土对纵横梁的刚度贡献，纵横梁应力实际应力比表1应力要小，从以上计算结果看，选择2根次横梁比较合理。

4 主桥计算

4.1 主要设计参数

4.1.1 恒载

(1)结构自重:钢结构122 kN/m，混凝土桥面板116.8 kN/m。

(2)二期恒载:双线桥二期恒载包括混凝土道砟槽、道砟、轨道结构、人行道悬臂板及盖板、电缆槽及检修通道等，共计143 kN/m。

(3)混凝土收缩及徐变按《铁路结合梁设计规定》(TBJ24—89)中相关条文办理。

4.1.2 活载

中活载，双线，计算动力系数、制动力、摇摆力分别按照《铁路桥涵设计基本规范》第4.3.5条至第4.3.8条办理，疲劳验算按《铁路桥梁钢结构设计规范》第4.3.1 条办理［8］。

4.1.3 风荷载

按照《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)第4.4.1条办理，基本风压值取W0=800 Pa。

4.1.4 温度荷载

(1)体系升降温:体系升温为+40℃，体系降温为-30℃。

(2)日照温度:混凝土板顶面、上平联、上弦杆、腹杆的温度为20℃，混凝土板底面、下弦杆和纵横梁的温度为0℃。

(3)骤然降温:混凝土板的温度为0℃，钢构件(上平联、上弦杆、下弦杆、腹杆和纵横梁)的温度为-15℃。

(4)骤然升温:混凝土板的温度为0℃，钢构件(上平联、上弦杆、下弦杆、腹杆和纵横梁)的温度为15℃。

4.1.5 混凝土收缩及徐变计算

混凝土收缩及徐变按《铁路结合梁设计规定》(TBJ24—89)中相关条文办理:混凝土收缩按降温15°考虑，徐变按混凝土弹性模量进行折减考虑［9］。

4.1.6 特殊荷载

列车脱轨荷载，根据《铁路桥涵设计基本规范》第4.3.11条办理。

4.1.7 地震烈度

地震动峰值加速度为0.1g，地震动反应谱特征周期为0.35 s。

4.2 计算模型

本钢梁的特点在于混凝土与弦杆、纵梁结合参与整体受力，由于混凝土参与受力程度复杂性及混凝土板后期开裂的不可预见性，对混凝土板的模拟相当重要。混凝土与钢梁之间通过节点刚臂连接模似剪力钉的作用，根据设刚臂处节点内力按相关规范检算剪力钉。

本桥计算采用2个模型进行相互校核及比较分析。

模型一:板梁模型(图4)

图4 板梁模型

混凝土板采用板单元，主桁及纵横梁均采用空间梁单元模型。

模型二:梁格模型(图5)

钢混全结合桥面中，主桁桥面混凝土板与纵横梁及下弦杆共同参与受力。混凝土板的有效宽度决定了纵横梁及弦杆承受内力的大小，根据我国相关规范及日本道桥示方书，计算混凝土板的有效宽度［7］。纵横梁采用叠合梁空间梁单元，主桁采用空间梁单元。

图5 梁格模型

4.3 主要计算结果

4.3.1 支反力(表2)

表2 支反力汇总 kN

4.3.2 位移

竖向静活载位移为32.1 mm，挠跨比为1/2 492，梁端转角为1.6‰，均满足规范要求。

4.3.3 主桁检算［10］(表3)

表3 主桁强度及稳定应力 MPa

主桁强度及稳定均满足规范要求。

4.3.4 混凝土板检算

由于混凝土板与纵梁、横梁及下弦杆结合，混凝土板受拉，如何控制混凝土板裂缝宽度而不影响结构的耐久性和安全性［11-12］，是钢桁结合梁设计的关键。

混凝土板纵向配筋采用间距为10 cm双φ22 mm HRB335钢筋，横向配筋采用间距10 cm的φ20 mm HRB335钢筋，通过高配筋来控制混凝土板受力，其检算结果见表4。

表4 混凝土板钢筋应力及裂缝宽度

为减小混凝土板收缩产生的应力，混凝土板分段浇筑且采用无收缩混凝土［12］。

4.3.5 预拱度设置［10］

预拱度通过保持下弦及桥面系长度不变，改变上弦拼接缝宽度来实现，如图6所示。

图6 上弦杆伸长及上平联伸长示意(单位:mm)

5 经济指标分析

时速250 km客运专线双线有砟轨道简支钢桁梁(图号:通专桥(2004)0234-Ⅱ)采用传统的纵横梁体系(混凝土板不结合)，现将相关设计参数与本桥对比如表5所示。

表5 同类型桥梁设计参数对比

从表5可知，采用结合梁桥面，结构高度会较大降低，且节省钢材用量，具有显著的经济效益。

6 结语

广珠铁路跨广清高速公路80 m结合钢桁梁方案构思巧妙，从净空要求、制造安装方便及经济性综合考虑，具有如下特点。

(1)采用结合桥面钢桁梁，轨顶至梁底高度仅为2.212 m，有效解决桥下行车净空要求，无需抬高线路高程，降低了整个桥梁工程造价。

(2)混凝土桥面板与钢桁梁共同受力，不仅与纵横梁，而且与下弦杆结合，在国内比较少见，增加结构整体刚度，降低了噪声。

(3)混凝土板与纵横梁及下弦杆全结合，取消了下平纵联、制动联，考虑混凝土板参与受力，节省了钢材，本桥所需钢材约为12.0 t/m，比传统纵横梁体系钢桁梁节约钢材1.6 t/m。

广珠铁路跨广清高速公路80 m结合钢桁梁于2010年11月完成架设施工，对今后类似工程有一定的参考价值。

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