一种铁路钢桁梁斜拉桥压重结构的设计及应用

2018-06-28徐科英

铁道建筑 2018年6期

徐科英

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉 430056)

铁路钢桁梁斜拉桥由于铁路活载较大，在运营状态下边墩及辅助墩通常会出现较大的负反力。解决边墩及辅助墩负反力的方法通常有2种：①在主梁与墩身之间设置抗拉支座或其他连接结构，保证在运营状态下斜拉桥边墩及辅助墩处的支座不脱空，不影响桥梁结构的使用安全[1]；②用增加压重的方法来控制边墩及辅助墩负反力，确保在运营状态下斜拉桥边墩及辅助墩不出现负反力，并有一定的压重储备[2-3]。

采用拉压支座或其他连接结构控制斜拉桥负反力的方法，由于构造复杂、养护困难，耐久性相对较差，在国内铁路斜拉桥中较少使用。目前国内已建或在建的铁路钢桁梁斜拉桥通常采用增加压重的方法来控制斜拉桥边墩及辅助墩的负反力，解决方案主要有2种：①将边跨段的钢正交异性整体桥面板换成较厚的混凝土桥面板或采用混凝土结合板[4-5]，这种方法通过增加边跨结构自重，达到消除边墩及辅助墩负反力的目的；②在边墩及辅助墩范围内采取集中布置压重混凝土的方法，达到控制边墩及辅助墩负反力的目的[6-8]。

1 工程概况

本文以安庆铁路长江大桥(见图1)为工程背景，研究一种适用于铁路钢桁梁斜拉桥的压重结构。安庆铁路长江大桥是南京至安庆城际铁路和阜阳至景德镇铁路的重要组成部分，通行四线铁路(两线客运专线，两线Ⅰ级干线)，速度目标值为200 km/h以上。大桥全长 2 996.8 m，主桥为6跨连续钢桁梁斜拉桥，跨度布置为(101.5+188.5+580.0+217.5+159.5+116.0)m[9]。

图1 安庆铁路长江大桥立面布置(单位：m)

加劲梁采用空间3片桁架结构，桁高15.0 m，节间长14.5 m，主桁间距14.0 m。铁路桥面采用正交异性板整体桥面系结构，由纵肋(梁)、横肋(梁)及其加劲的桥面顶板组成。桥面系结构的横肋(梁)与桥面顶板和主桁的下弦杆件通过焊接与高强度螺栓联结组成板桁组合结构。加劲梁标准断面如图2所示。

图2 加劲梁标准断面(单位：mm)

主桁上下弦杆件均为箱形截面，上弦杆件内宽 1 200 mm，内高 1 000 mm，板厚20～48 mm；下弦杆件内宽 1 200 mm，内高 1 400 mm，板厚20～56 mm。主桁腹杆有箱形和H形2种截面形式。在支点附近和压重区段，由于杆件内力较大腹杆采用箱形截面，截面内高800 mm，板厚24～48 mm；杆力较小的腹杆采用H形截面，截面高720,760 mm，板厚20～48 mm。铁路桥面下弦节点处设倒T形横梁，梁高2.2 m；顺桥向每隔2.9 m设一道倒T形横肋，横肋高度与主桁下弦杆件高度相等；横梁(肋)的翼缘板、腹板均和主桁下弦杆件通过栓焊连接。

主桁结构和桥面系构件主要采用Q370qE桥梁钢，支点附近、压重段等内力较大的下弦杆件和桥面系构件采用Q420qE桥梁钢[9-10]。

2 铁路钢桁梁斜拉桥压重结构

2.1 压重段压重结构设计

安庆铁路长江大桥在四线铁路活载作用下 1#边墩和2#,4#辅助墩支座均出现较大的负反力。为避免支座脱空影响铁路行车安全，需要采取有效措施控制负反力。

安庆铁路长江大桥若采用常规厚度的混凝土桥面板压重方案，边墩及辅助墩负反力依然存在。为解决支座负反力的问题，采用了如下方法：采用钢板封闭开口的正交异性钢桥面板，向桥面以下拓展形成密闭空间；在密闭钢箱顶部设置混凝土灌注孔及观察孔，并在钢箱腹板及横梁腹板沿高度方向设置混凝土方量高度控制肋；现场灌注重晶石混凝土，以达到精确控制斜拉桥压重的目的。压重段密闭钢箱标准断面如图3所示。设计中将压重区段内的开口正交异性整体桥面结构通过等高度横梁腹板、变高度横肋腹板、纵向腹板、底板、横向U形加劲隔板、纵向U形加劲隔板等局部封闭成密闭钢箱。

图3 1/2压重段密闭钢箱标准断面(单位：mm)

压重段密闭钢箱在节点横梁处采用等高度横梁腹板设计，横梁腹板与主桁下弦节点通过高强度螺栓拼接。钢箱底板在横梁底板处通过圆弧过渡，底板宽度渐变成与主桁下弦杆件的横梁底板接头等宽，通过高强度螺栓与主桁下弦杆拼接。主桁下弦节点横梁处压重段钢箱断面如图4所示。

图4 1/2主桁下弦节点横梁处压重段钢箱断面(单位：mm)

压重段密闭箱梁在节间横肋处采用变高度的横肋腹板设计，变高度横肋腹板端部通过高强度螺栓与主桁下弦杆件拼接；横肋腹板在跨中采用变高度的设计，可以为压重区提供更大的压重空间；横肋腹板高度变化的两端以圆弧过渡，可避免应力集中。主桁下弦节间横肋处压重段钢箱断面如图5所示。密闭钢箱底板结构图如图6所示。

图5 1/2主桁下弦节间横肋处压重段钢箱断面(单位：mm)

图6 1/2压重段钢箱底板结构(单位：mm)

从图6可见，密闭钢箱在横梁腹板和横肋腹板之间沿纵向布置多道横向U形加劲横隔板，沿横向布置多道纵向U形加劲横隔板。带翼缘板的纵、横向U形加劲横隔板对密闭钢箱的腹板和底板提供连续的加劲，有利于结构承受较重的重晶石混凝土作用。

为精确控制重晶石混凝土灌注的方量，在密闭钢箱的横梁(横肋)腹板上布置水平加劲肋(高度标志肋)，作为控制混凝土高度的标志。在密闭钢箱的纵向腹板上沿高度方向布置多道水平加劲肋，既可对纵向腹板提供加劲作用，又可作为控制混凝土高度的标志。

压重段封闭钢箱构造简单，与主桁通过高强螺栓连接，施工方便；封闭钢箱高度可依据压重需要，通过变高度的横梁(横肋)腹板进行调整，适用范围广；双向加劲的钢箱结构受力明确，承载力大，可提供更集中的压重荷载。

2.2 压重段施工方法及应用

压重采用在密闭钢箱内灌注重晶石混凝土的方法。密闭钢箱在正交异性整体桥面板上布置了混凝土灌注孔和观察孔，既便于灌注混凝土，又便于施工人员根据钢箱内设置的高度标志肋观察混凝土的高度，可有效控制混凝土灌注过程，确保混凝土的灌注数量满足设计计算的要求。混凝土达到设计标高后停止灌注，待混凝土基本凝固后进行钢箱内的气密性测试。达到气密性检测标准后，封闭钢箱结构，实现密闭钢箱内的气密防腐。

混凝土的体积应根据计算需要确定。依据封闭钢箱的形状确定混凝土浇筑的高度，通过在高度方向设置多道水平标志肋，可精确控制浇筑混凝土的方量。密闭钢箱的高度的设计应考虑预留在灌注混凝土过程中，工人振捣和检查灌注高度的空间。

安庆铁路长江大桥全桥共设3处集中压重区段，分别是：位于1#边墩侧4个节间范围内的铁路桥面，压重荷载集度为800 kN/m；位于2#辅助墩两侧各一个节间范围内的铁路桥面，荷载集度为640 kN/m；位于5#辅助墩两侧各一个节间，荷载集度为840 kN/m。