滨北线松花江公铁两用桥主桥设计

薛宪政

(中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600)

滨北线松花江公铁两用桥主桥设计

薛宪政

(中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600)

既有滨北线钢桁梁病害较多，且铁路原设计荷载、限界及通航净空标准低，加之公路交通量不断增加和超载超限车辆剧增，既有桥已不再满足使用功能，须尽快改建。结合改建工程的总体设计，经过桥位位置、建设规模、主要技术标准及主桥桥式方案的比选，正桥采用(96+2×144+96)m四跨连续刚桁梁方案跨越松花江，公铁合建，铁路双线，公路双向8车道，荷载较大。改建桥与两岸既有铁路衔接，市政道路北岸与松北区规划路相接，南岸与江南城区规划街相接。工程实施后，将大大提高铁路运输能力，并将在哈尔滨主城区和松北新区之间形成一条快速通道，对哈尔滨市松北新区的发展起到积极作用。文章对主桥桁式方案、主桁杆件选取、公路桥面、铁路桥面、联结系等构造细节进行论述，并进行了优化设计，同时介绍了主桁的预拱度设置及钢桁梁结构静力分析结果。

连续刚桁梁； 公铁两用桥； 优化设计； 结构静力分析

1 工程概况

松花江公铁两用桥桥位位于既有滨北桥下游50 m，与既有桥平行布置。南岸位于哈尔滨市道外区，桥位处松花江两岸堤距约2.2 km。为满足松花江通航及泄洪要求，采用(2-96) m简支钢桁梁+(96+2×144+96)m连续钢桁梁+(6-96) m简支钢桁梁孔跨布置。

2 主要技术标准

2.1 铁路主要技术标准

(1)铁路等级：Ⅰ级；

(2)正线数目：双线；

(3)设计速度：120 km/h,无缝线路；

(4)线间距：5.0 m；

(5)设计活载：中-活载。

2.2 公路主要技术标准

(1)主线：城市快速路，行车速度60 km/h；

(2)车道数目：双向6车道；车道宽度30 m;

(3)荷载标准：公路-Ⅰ级，人群荷载3.5 kN/m2。

2.3 设计洪水频率

(1)桥梁设计洪水频率：1/100；

(2)主桥校核洪水频率：1/300；

(3)桥梁下航道等级：Ⅰ级；

(4)通航净空：单孔单向宽115 m,高13 m。

3 连续钢桁梁桥设计

3.1 概述

正桥钢梁(96+2×144+96)m四跨连续刚桁梁，采用带竖杆的三角形桁架，桁高14 m，节间距12 m，中墩处设下加劲弦，加劲弦高10 m，两侧分别设置两个节间范围；其余孔跨主桁为平行弦桁架，钢梁理论长480 m，全桥实际长度482 m。连续钢桁梁立面如图1所示。

图1 1/2(96+2×144+96)m连续钢桁梁立面图(mm)

主桁为两片桁，横向中心距为14 m，上层公路桥面双向六车道，桥面宽30 m，悬臂8 m,下层双线铁路桥面，标准横断面及支点处横断面分别如图2、图3所示。

图2 梁端横断面布置图(mm)

图3 中支点横断面布置图(mm)

3.2 结构设计及关键构造

3.2.1 主桁

主桁上、下弦及加劲弦杆件均为箱形截面，腹杆采用H形和箱形。除杆力大的加劲弦杆件采用Q420qE材质外，大部分主桁杆件和桥面系等其他构件均采用Q370qE材质。主桁拼接采用M30高强螺栓。主桁上、下弦杆均采用箱形带肋截面，杆件内宽 1 000 mm；上弦杆外伸翼缘板长800 mm，下弦杆外伸翼缘板长500 mm；杆件内高 1 400 mm，板厚20～40 mm不等。主桁上、下弦弦杆件截面如图4所示。

图4 主桁上、下弦弦杆件截面图(mm)

主桁腹杆采用箱形及H形截面，箱形杆件内宽 1 100 mm，外高998 mm，板厚24～44 mm不等；H形杆件宽720 mm，外高998 mm，板厚28～32 mm不等。腹杆杆件截面如图5所示。

图5 腹杆杆件截面图(mm)

主桁加劲弦杆采用箱形带肋截面，杆件内宽 1 000 mm，内高 1 400 mm、1 600 mm，板厚36～50 mm不等。加劲弦竖杆采用箱形带肋截面，杆件内宽 1 000 mm，内高 1 400 mm，板厚44 mm，加劲弦、竖杆杆件截面如图6所示。

图6 加劲弦、竖杆杆件截面图(mm)

主桁杆件采用整体节点构造形式，斜杆及竖杆均采用插入形式。主桁节点为封闭的焊接整体节点，弦杆与整体节点对接栓焊连接，工地杆件间连接为节点外拼接。

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500 mm，伸过弦杆竖板与16 mm厚的桥面顶板以不等厚对接焊连，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。

3.2.2 铁路桥面系

铁路桥面采用多横梁小纵梁正交异性板钢桥面，钢桥面板厚16 mm，上铺57.3 mm厚C55混凝土耐磨层和2.7 mm聚氨酯防水层。钢桥面板下横桥向设置多道U形纵肋，板厚8 mm，高260 mm，横向间距600 mm，共计16道；两侧各设置1道I形板肋，中间设置2道I形板肋，板厚20 mm，高200 mm。

沿桥纵向每隔3m设置1道横梁，横梁采用倒T形截面，腹板厚16 mm，下翼缘板宽560 mm，厚32 mm。横梁高 1 400～1 520 mm。钢桥面板(兼横梁上翼缘板)与下弦杆伸出肢焊接，横梁腹板及下翼缘板与下弦杆伸出肢栓接。每线铁路中心线下对称设置2道纵梁，中心距1.5 m，共设置4道，对应两线铁路4根钢轨。纵梁采用倒T形截面，高790 mm，腹板厚12 mm，下翼缘板宽400 mm，厚20 mm。

3.2.3 公路桥面系

公路桥面采用正交异性板钢桥面，钢桥面板厚16 mm，上铺10 cm厚混凝土+9 cm厚沥青混凝土铺装层。钢桥面板下横桥向车行道范围内设置多道U形纵肋，板厚8 mm，高260 mm，横向间距600 mm，共计32道；在人行道范围内设板肋加劲，板肋高200 mm，板厚20 mm。

沿桥纵向每隔3 m设置1道横梁，横梁采用倒T形截面，腹板厚16 mm，底板宽560 mm，厚24 mm。公路桥面横梁长30 m，其中两侧悬臂部分长8 m，横梁高800～1 400 mm；中间部分长14 m，横梁高 1 400～1 514 mm。钢桥面板(兼横梁上翼缘板)与上弦杆伸出肢焊接，横梁腹板及下翼缘板与上弦杆伸出肢栓接。为避免公路横梁悬臂过大，长时间行车悬臂板处焊缝疲劳破坏，在每个大节点处设置一斜向支撑；为使正交异性板具有更好的受力状态，在斜撑位置出设置一纵梁，有效优化了公路悬臂横梁的受力模式，纵梁腹板高 1 312 mm，厚16 mm,底板宽280 mm，厚24 mm。

3.2.4 联结系

为保证主梁框架的横向稳定性，在平弦每个节点处均设置了横向联结系，主桁内侧为单交叉式三角形桁架结构，主桁外侧设置1道斜撑。联结系杆件采用H形截面，杆件高400 mm，宽280 mm、400 mm，板厚12 mm、16 mm；横向联结系构造如图7所示。在加劲弦处设置了横向联接系，如图8所示；纵向联接系，如图9所示；联结系杆件采用H形截面，杆件高500 mm，宽420 mm、460 mm、500 mm，板厚16 mm、24 mm。

图7 横向联结系构造图(mm)

图8 加劲弦处横向联结系构造图(mm)

图9 加劲弦处纵联结系构造图(mm)

3.2.5 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，如图10所示。

为简化制造和安装工作，下承式钢桁梁设计时，下弦杆和腹杆的实际长度通常保持不变，而仅仅让上弦杆的理论长度伸长或缩短，通过这种方法实现钢梁的预拱度。预拱度值的确定，对于简支钢桁梁，一般可采用几何法；对于连续钢桁梁一般采用升降温方法计算弦杆变形量来确定。连续钢桁梁几何关系相对复杂，且往往为内部超静定结构，使用几何法求解上弦杆长度变化值较为困难。为求得预拱度曲线，一般可使用升降温计算弦杆变形量确定上弦杆的长度变化。具体方法为对钢桁梁上弦杆施加温度荷载(升温或降温)，使其在特定的温度荷载工况下产生和预拱度曲线基本相同的变形，然后根据施加的温度变化求解上弦杆的长度变化值。此方法仅改变上弦杆长度，而腹杆和下弦杆长度保持不变，且腹杆均交于理论交点，桥面系以及横联尺寸均不受影响，优点显著。

图10 预拱度设计图(+表示伸长，-表示缩短)

4 结构计算

4.1 荷载

4.1.1 恒载

公路一恒：公路桥面系考虑相应的构造系数，重量取90 kN/m。

铁路一恒：铁路桥面系考虑相应的构造系数，重量取48 kN/m。

公路二期：含桥面铺装、中间防撞墙、人行道及人行道栏杆，重量取200 kN/m。

铁路二期：含钢轨、道砟、挡砟墙、员工走道、桥面铺装等附属设施，重量取200 kN/m。

4.1.2 活载

汽车活载：六线一级车道荷载，按规范考虑0.55的横向折减系数，公铁合建公路折减系数0.75，并考虑相应的冲击系数。

中活载：两线中活载，按规范考虑0.9的折减系数，考虑相应的冲击系数。

列车摇摆力：横向摇摆力取100 kN，作为一个集中荷载取最不利位置，以水平方向垂直线路中心线方向作用于钢轨顶面(仅需考虑一线摇摆力)。

4.1.3 荷载组合

组合Ⅰ：恒载组合：自重+二期恒载+支座沉降；

组合Ⅱ：主力组合：恒载组合+支座沉降+活载+列车摇摆力；

组合Ⅲ：主+附组合：主力组合+制动力+风力+温度；

组合Ⅳ：恒载组合+疲劳荷载；

组合Ⅴ：安装工况：自重+安装临时荷载+风力；

组合Ⅵ：桥梁检定荷载：恒载+1.4×(铁路活载)+1.2×(公路活载)。

4.2 计算模型

全桥空间结构分析采用MIDAS/Civil 2012进行。全桥共分为 16 379个节点，17 234个梁单元，14 400个板单元。钢桁架采用梁单元模拟，公路、铁路桥面系采用板单元，梁单元与板单元采用弹性连接刚性连接，全桥计算模型，如图11所示。

图11 全桥计算模型

4.3 计算结果

各组合下支座反力如表1所示。

表1 各荷载组合下支座反力表(kN)

各组合下杆件内力如表2所示。

表2 各荷载组合下杆件轴力表(表中受拉为正，受压为负)

运营阶段主要杆件应力如表3所示。

表3 主要杆件应力表

各控制杆件疲劳应力幅如表4所示。

表4 主要杆件疲劳应力幅

运营阶段结构竖向刚度如表5所示。

表5 结构竖向刚度

5 结束语

滨北线公铁两用桥设计荷载双线铁路和六线公路，横向两片桁，公路桥面宽30 m,铁路桥面宽15 m,为同类桥梁中跨度最大，荷载加载最大的公铁两用桥，目前钢梁已在零误差，无应力状态下顺利合龙。

滨北线松花江公铁两用桥是我国首次在高寒地区建造的现代化公铁两用桥，也是目前国内跨度最大的板桁结合、双层整体钢桥面连续钢桁梁桥，针对本项目开展了4个专题：①因恒载所占比重较大，疲劳杆件控制较少，进一步研究公铁两用桥活载疲劳加载模式；②由于公路桥面较宽，通过架设过程及静动载试验进行应力检测，研究桥面板的有效分布宽度；③采用强度较高、能抵御超低温零下43℃的Q420qE钢材，研究低温焊接工艺；④项目所在地，温度变化幅度大，公路桥面冻融严重，对公路桥面铺装形式进一步研究。对以上专题展开科研攻关，并取得突破，填补了国内相关规范空白，也为以后在高寒地区建造同类形桥梁积累经验，提供借鉴。

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Design of Songhua River Rail-cum-road Bridge on Bin Bei Railway

XUE Xianzheng

(China Railway Fifth Survey And Design Institute (Group) Co. Ltd.，Beijing 102600， China)

Considering the diseases of the existing steel truss girder of Bin Bei railway line ，and low standard of original design load, gauge and navigable clearance， in addition, the increase of traffic volume and the increase of overload vehicle, the existing bridge has not been suggested to use and must be rebuilt as soon as possible. Combined with the overall design of the reconstruction project，on the comparison of bridge position, construction scale, main technical standards and main bridge styles，(96+2×144+96)m 4-span continuous rigid truss girder is used for the main bridge，rail-cum-road bridge， double-track railway，eight lanes road in two directions， large load. The rebuilt bridge is connected with the existing railway both sides, the north shore of municipal road of is connected with the planning road of Songbei area，the south bank is connected with the planning street of Jiangnan area．After the execution of the project，the railway transport capacity is greatly improved. A fast channel will be formed between the main city of Harbin and the new district of Songbei area, which has played a positive role in the development of Songbei new district of Harbin.In this paper the main truss scheme, selection of main girder, the road deck and the railway deck, the coupling system and so on are optimal designed.Pre-camber setting and results of static analysis of steel truss girder are introduced.

Continuous rigid truss beam； rail-cum-road bridge； optimal design； structural static analysis

2016-02-02

薛宪政(1983-)，男，工程师。

1674—8247(2016)03—0074—05

U448.12+1

A