灌河大桥连续钢桁拱梁设计

2014-07-25刘桂红

铁道勘察 2014年1期

关键词：钢桥桁梁主桥

刘桂红

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

灌河大桥连续钢桁拱梁设计

刘桂红

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

灌河特大桥为(120+228+120) m三跨连续刚桁柔拱组合体系的钢桁梁桥，是连盐铁路的关键工程。重点阐述灌河特大桥方案选择、静力计算、结构分析、结构的构造细节、钢梁防腐涂装体系和钢梁安装等。灌河特大桥结构受力明确，安装方案合理，具有较好的稳定性和经济性能。

三跨连续刚桁柔拱钢桁梁桥整体道碴钢桥面结构计算结构细节

1 工程概述

灌河特大桥位于连盐铁路线上，在连云港地区上跨灌河，桥址处河面宽约500 m，上游约1 km处有已建成的主跨340 m高速公路斜拉桥，其通航净空140 m×19 m，斜拉桥建成后发生过海轮桅杆撞击事件。为保障通航的安全，经方案比选，主桥通航孔为单孔双向，桥梁形式为(120+228+120) m三跨连续刚性梁柔性拱钢桁梁，边跨为平弦桁梁，中跨刚梁柔拱(如图1所示)。

图1 主桥桁式(单位： m)

2 主要技术标准

铁路等级：Ⅰ级。

正线数目：双线，线间距4.4 m。

线路条件：桥上平坡、直线。

桥上建筑限界：采用200 km/h客货共线电力牵引，KH-200基本建筑限界及桥隧建筑限界。

设计时速：客车200 km，货车120 km。

设计通航净空：200 m×21 m。

3 桥式的比选

桥型选择需结合桥址条件、环境，遵循合理、实用、经济、美观的原则。

本桥桥位处地形、地质条件较差，需采用跨越能力强、自重轻、建筑高度低、便于施工的桥梁形式，以降低工程造价。考虑与周围景观的协调性，较为合理的桥式有：

(120+228+120) m连续刚桁柔拱桥；

(120+228+120) m连续钢桁拱桥；

(36+90+228+90+36) m连续钢桁斜拉桥。

各方案技术经济比较如表1所示。

综上比较结果：刚桁柔拱较钢桁拱桥每延米的用钢量及梁端转角均较小，且施工架设更为便捷。钢桁斜拉桥虽梁部用钢量少，但其自振特性较刚桁柔拱桥有明显劣势，结合地质条件等因素，最终确定采用(120+228+120) m连续刚桁柔拱桥方案。

4 结构设计

主桁采用”N”形桁式，桁高15 m，桁宽13.5 m，节间长度边跨及中跨跨中12个节间为12 m，中跨靠近中支点处的6个节间距为13 m；中间支点处设加劲弦，加劲弦高15 m。拱肋采用圆曲线，矢高69 m，矢跨228 m，矢跨比为1/3.3，拱肋在拱脚与主桁杆件通过节点相连。加劲弦的设置增加了主桁的刚度，同时与拱肋匀顺过渡连为一体，线形流畅、桥型美观。

表1 各方案技术经济比较

4.1 主桁

主桁上、下弦及拱肋杆件均为箱形截面；腹杆杆力大的采用箱形，杆力较小者采用H形；吊杆采用抗风性能较强的箱形。主桁杆件的板厚控制在50 mm以下(除节点板外)。主桁除杆力大的中间支承节点和拱与系杆相交的特殊节点处的杆件采用Q420qE外，其余大部分杆件和桥面系等构件均采用Q370qE。主桁的拼接采用M30高强螺栓。

主桁采用整体节点(即在工厂内把杆件和节点板焊成一体，工地架设时在节点之外用高强度螺栓拼接)。拱肋处的节点板较大，拼接缝离节点中心较远，杆件间的夹角较大，若在拼接缝处弯折，杆件将增加次弯矩。为减少杆件产生次应力，把通常设在拼接缝处的弯折点移至到节点中心，这样既保持了节点间杆件顺直传力，也避免杆件产生次弯矩

4.2 桥面

高速行驶的列车要求有较高的桥面刚度和轨道顺直平稳，且桥面不宜设置断缝。可采用的桥面形式由纵、横梁结合的整体道碴混凝土桥面和正交异性钢桥面。通过计算比较，由纵、横梁结合的整体道碴桥面由于横梁产生较大的面外弯矩，使结构设计难度加大；若采用结合梁方式，由于恒载加大，结构的用钢量相应地增加。因此，决定采用由纵、横肋组成的正交异性钢桥面板，它和主桁的下弦杆焊接成一体，组成板桁新结构，使桥面板直接参与弦杆的受力，同时取消下平联、伸缩纵梁及制动架，节省钢料，又保持了桥面结构的连续完整和行车的平顺。

主桁与桥面系的连接为本桥关键结构，也是重要的构造细节和制造难点。设计中将箱形的下弦杆上水平板加宽510 mm，伸过弦杆竖板与16 mm厚的桥面顶板以不等厚对接焊焊连，遇主桁节点，在弦杆的上水平板上开槽，让节点板从槽中穿出，使节点板保持为一个整体。节点板与下弦杆上水平板处为围焊缝，节点板两侧及开槽的端部以熔透焊缝与弦杆上水平板焊连，这样能使桥面板更有效地和下弦杆、主桁节点板连接在一起，共同受力。在制造过程中须严格按照施工规则和施工工艺，确保焊接和加工质量。

钢桥面板分块制造和安装。各块件在工厂制造时均为焊接连接。工地安装时，除桥面板为熔透焊接外，其余的纵、横向连接均采用高强度螺栓连接。桥面布置如图2所示。

图2 桥面布置(单位：mm)

4.3 主桁预拱度

主桁平弦的预拱度：恒载+1/2静活载挠度曲线值反向设置。在上弦节点设置不同的伸缩值，迫使下弦节点起拱，拱肋以折代曲尽可能地接近设计线形，通过调节竖杆的长度来以确保桥梁的线形。

5 主桥计算

主桥采用程序Midas建模，除桥面板采用板单元外，其余杆件均用梁单元模拟，全桥共3 646个梁单元，1 064个板单元，见图3。

图3 计算模型

恒载反力：端支点=7 776.5 kN；

中支点=43 771.8 kN。

主力最大反力：端支点=13 044.4 kN；

中支点=60 046.9 kN。

杆件设计强度如表2所示。

表2 杆件应力 MPa

注：表中应力受拉为正，受压为负。

主桥的竖向刚度如表3所示。

表3 活载作用下变形

注：表中位移向上为正，向下为负。

主桥的横向刚度：

在横向荷载作用下，中跨跨中最大横向变形50.3 mm，挠跨比1/4 533，满足规范要求。

自振特性：

一阶横向自振频率为0.469 Hz；

一阶纵向自振频率为0.650 Hz；

一阶竖向自振频率为1.126 Hz。

均满足要求。

6 钢梁的制造

采用的整体节点和钢桥面板有焊接工作量大、焊接接头类型多、焊接变形大的特点，焊接的质量与杆件的组装精度是控制工程质量的关键点。平弦桁梁需进行平面辗转试拼装，应选择有代表性的包含上弦伸长和缩短节段，平联和横联也需选择有代表性区段试拼装，以确保结构的空间尺寸能够吻合。

钢桥面板的焊接应采用双面焊接或带陶瓷衬垫的单面焊双面成型工艺，以保证焊缝熔透并打磨匀顺。同一截面上的拼缝、纵横向焊缝、相邻焊缝应按规定相互错开，桥面板的纵、横向工地焊缝应控制钢板间的板缝不超过工艺规定值。钢梁的焊缝尤其是坡口熔透焊，应按规范的要求，经过严格的探伤检查。

7 钢梁安装

充分结合建桥条件和柔性拱桥的特点，边跨架设时采用设临时墩的方法，中跨架设分两步，首先利用吊索塔架安装平弦，然后在平弦上架设柔拱，钢桥面与平弦主桁同步安装，既降低了安装难度，又节省了施工临时设施费用。

8 钢梁防腐

按照《铁路钢桥保护涂装》(TB/T 1527—2004)要求的第7体系进行。

9 主要专题研究

灌河特大桥整体静力计算时，采用空间程序计算，杆件强度、稳定、疲劳以及钢桥面板参与整体计算的有效宽度等问题有待于进一步的研究。

灌河桥吊杆长度约12～39 m，焊接箱形截面，需对吊杆进行风动试验，研究它的风振、涡振及驰振，检算其截面形式及采取相应的预防措施。

本桥采用整体道碴槽，其重量约占恒载总重的50%，二恒的自重直接影响全桥的用钢量，应进一步研究采用新型轻质材料桥面系。

10 结束语

灌河特大桥是一座跨度为(120+228+120) m的连续钢桁拱铁路桥，主桥揉合了拱桥和下承式桁梁桥两种桥梁的形式，结构受力合理、简洁，线形流畅。其采用的新型整体钢桥面，在吸收其他已建高速铁路整体桥面优点的基础上，对钢桥面细节构造进行创新，将节点横梁及节间横肋设计成等高度，既简化了制造工艺，又方便运输及安装，也节省了用钢量。正交异性钢桥面和混凝土道碴组成的整体结构不仅具有较高的横向、竖向刚度，还能提供足够的抑振质量、平顺的轨道支承结构，为列车的运行提供了更平稳、安全的保障。

[1] 中铁第五勘察设计院集团有限公司.新建连盐铁路灌河特大桥施工图[R].北京：中铁五院，2013

[2] 西南交通大学.灌河特大桥吊杆抗风性能风洞模型试验研究报告[R].成都：西南交通大学，2013

[3] 西南交通大学.新建连云港至盐城铁路灌河特大桥车桥耦合动力仿真分析报告[R].成都：西南交通大学，2010

[4] 易伦雄.大跨度铁路桥梁桥型方案构思与设计[J].桥梁建设,2005

[5] 杨帆，徐升桥.包神线黄河特大桥总体设计[J].铁道勘察,2007(增刊)

[6] 刘桂红，刘承虞.南京大胜关长江大桥2×84 m连续钢桁梁设计[J].铁道勘察,2007(增刊)

[7] 刘桂红，易伦雄.采用正交异性钢桥面板的铁路钢桁梁设计[J].桥梁建设,2007(增刊2)

[8] 刘桂红，易伦雄.采用正交异性钢桥面板的铁路钢桁梁设计[J].桥梁建设,2007(增刊2)

[9] 徐伟.武汉天兴州公铁两用长江大桥主桥钢梁设计[J].桥梁建设,2008(1)

Design of Steel Truss Arch Bridge of GuanHe Bridge

LIU Guihong

2013-11-01