城际铁路跨度160 m简支钢桁梁设计及技术创新

2019-07-27黄小安

铁道标准设计 2019年8期

黄小安

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

引言

随着我国铁路钢桥事业的发展，铁路简支钢桁梁桥的使用越来越广泛，它是一种跨越能力非常强的桥梁结构，在桥梁钢结构中占有很重要的地位[1-2]。近些年来，集包第二双线铁路古城湾特大桥主桥采用132 m简支钢桁梁[3]；黄韩候铁路新黄河特大桥主桥采用156 m单线简支钢桁梁[4-5]；漯河至阜阳增建二线的赵寨颖河双线特大桥主桥采用128 m简支钢桁梁[6-7]；铁路简支钢桁梁设计跨度已取得较大突破并为大跨简支钢桁梁设计提供了宝贵的经验[8-9]。本文所采用设计跨度达160 m，下面就其设计关键技术及技术创新进行阐述和介绍。

1 工程概况

本桥是新建广佛江珠城际铁路控制性工点，主桥上跨贵广、南广及广茂铁路而设，本桥位于直线上，与既有铁路夹角约26°，设计为1-160 m简支钢桁梁桥，桥梁全长162.3 m。由于桥址处建筑高度受限及线路高程控制，为了满足桥梁限界、结构刚度以及造价经济性要求，经多次方案比选后选用1孔160 m下承式带竖杆三角形内插式节点简支钢桁梁[3]，桥址平面如图1所示。

图1 桥型平面布置(单位：m)

2 主要技术标准

铁路等级：城际铁路。

正线数目：双线(线间距4.6 m)。

速度目标值：200 km/h。

轨道：CRTSⅠ型双块式无砟轨道。

牵引种类：电力牵引。

设计活载：ZC活载。

3 钢桁梁结构设计

3.1 设计关键技术

本桥设计关键技术包括主桁设计参数的确定、钢桁梁梁部刚度的控制、主桁空间受力分析以及施工方案的研究。

3.2 总体布置

本桥设计桁高为18 m，高跨比1/8.9，横向采用2片主桁，主桁间距13 m。主桁采用带竖杆三角形桁架，纵向共13个节间，纵向节点间距除桥两端为13 m外，均为13.4 m[2]。

3.3 主桁构造

主桁上、下弦杆均采用焊接箱形截面，竖板高2 000 mm，内宽1 400 mm，板厚16～46 mm。腹杆采用箱形及“H”形截面，箱形截面高1 398 mm，内宽1 000 mm，板厚16～40 mm；H形截面高1 398 mm，外宽1 000 mm，板厚16～20 mm[10]。主桁布置及上弦杆、下弦杆、腹杆截面如图2所示。

图2 主桁布置及上弦杆、下弦杆、腹杆截面(单位：mm)

主桁节点采用内插式节点形式，预先在工厂用坡口焊缝和弦杆的腹板焊成整体，在两块节点板中间插入腹杆，并用螺栓把二者连接起来。主桁弦杆及腹杆的连接采用M30的高强度螺栓(φ32 mm孔)。

3.4 桥面系

全结合混凝土板方案，有结构刚度大、用钢量省造价低的优点，但使混凝土承受拉应力，材料的性能没有充分发挥；正交异性板方案受力明确，整体刚度大，但造价昂贵，且目前桥面板的疲劳破坏问题突出[11]；不结合纵横梁体系方案，混凝土道砟板桥面结构简单，受力明确，虽整体刚度较弱，但亦可满足桥梁行车动力特性要求，故最终采用不结合纵横梁体系方案[12-13]。

桥面系由纵梁、横梁以及纵梁间联结系组成，为焊接工字形及箱形截面。全桥共设4道纵梁，纵梁间距均为2 000 mm，工字形截面，梁高1 500 mm，纵向共设2道断缝；横梁梁高2 000 mm，端横梁处为单箱双室箱形截面，纵梁断开处横梁为单项单室箱形截面，其余中间横梁均为工字形截面；每2道横梁间设3道纵梁横联[14]。桥面系布置及纵横梁截面如图3所示。

3.5 支座与阻尼器

本桥支座采用城际轨道交通工程桥梁可探测防腐球型钢支座，支座图号为TFQZ，每个桥墩横向设置两个支座，其中1号墩墩顶设1个固定支座，1个横向活动支座；2号墩墩顶设1个纵向活动支座，1个多向活动支座，支座布置示意如图4所示。支座最大反力及支座吨位见表1。

图3 桥面系布置及纵横梁截面(单位：mm)

表1 支座反力及支座吨位(单个支座)

图4 支座、防震支挡布置示意(单位：mm)

3.6 下部结构

桥墩采用圆端形桥墩，纵向宽4 m，横向宽16 m；顶帽为矩形截面，纵向宽4.4 m，横向宽18 m；基础采用钻孔桩基础，每个基础采用15根φ200 cm钻孔灌注桩，承台厚度为4 m，按摩擦桩设计；基顶截面如图5所示。

图5 基顶截面(单位：cm)

4 结构分析

4.1 荷载组合

荷载组合Ⅰ：主力。

荷载组合Ⅱ：主力+制动力。

荷载组合Ⅲ：主力+风力。

荷载组合Ⅳ：主力+次应力。

荷载组合Ⅴ：主力+次应力+纵向附加力+温度。

荷载组合Ⅵ：主力+次应力+横向附加力+温度。

荷载组合Ⅶ：恒载+列车竖向静活载+地震力。

4.2 计算模型

将 1-160 m简支钢桁梁桥作为分析对象，主要用于静力计算，对其施工阶段、运营阶段的内力和应力状况进行分析。本模型采用通用有限元程序Midas-CIVIL进行计算。按照主桥梁部的实际构造进行结构离散，共划分1 253个单元、747个节点[6]。有限元模型如图6所示。

图6 计算模型

4.3 静力分析

4.3.1 主桁静力分析

主力作用下上弦杆最大轴力位于跨中处，数值为-46 790 kN；下弦杆最大轴力位于跨中，数值为40 269 kN；腹杆最大轴力位于支点处，数值为-24 259 kN。

主力作用下上弦杆最大纵向弯矩位于跨中处，数值为5 655 kN·m；下弦杆最大纵向弯矩位于跨中处，数值为6 170 kN·m；腹杆最大纵向弯矩位于跨中1/4处，数值为1 630 kN·m。

全桥在主力作用下，大部分杆件应力基本控制在170 MPa以内，选用Q420钢材可以满足受力需要，且截面尺寸和板厚不至于过大。

4.3.2 纵横梁受力分析

纵梁最大正应力为165 MPa，位于中纵梁跨中位置处；横梁最大正应力为107 MPa，位于纵梁中纵梁跨中附近工字形横梁处。根据TB10091—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》7.1.7条规定，纵梁的容许应力提高系数可取1.2；横梁的容许应力提高系数可采用1.7。故纵横梁采用Q420钢材均可满足受力要求。

4.3.3 桥面板分析

钢桁梁采用两线分离式钢筋混凝土桥面板，采用通用有限元软件Midas/Civil进行计算，取一块桥面板进行计算分析[15]，纵梁支撑的位置板厚0.3 m，其余位置板厚0.2 m。计算结果如图7、图8所示。

图7 横桥向弯矩Mxx(单位：kN·m)

图8 纵桥向弯矩Myy(单位：kN·m)

桥面板纵横向均采用φ25 mm@15 cm进行配筋验算，计算结果混凝土最大正应力为12.3 MPa，钢筋最大拉应力为107.3 MPa，裂缝宽度0.18 mm，计算结果均满足规范要求。

4.3.4 梁端转角

根据计算结果，在列车竖向静活载作用下，本桥梁端转角为1.29745‰(端横梁最大处)，根据TB10623—2014《城际铁路设计规范》第7.3.7条的规定，本桥梁端转角应不大于1‰，本桥梁端转角大于1‰，必须由轨道专业在梁端桥面板设置活动过渡板等，以满足轨道相关技术要求[7]。

4.3.5 竖向及横向刚度

主梁最大竖向位移为59 mm，挠跨比为L/2 712，满足TB10623—2014《城际铁路设计规范》第7.3.2条规定的L/1 200限值要求。

在列车摇摆力、风力、温度力作用下，主梁最大横向位移为16 mm，挠跨比为L/10 000，满足《城际铁路设计规范》第7.3.3条规定的L/4 000限值要求。

4.3.6 支座反力

恒载、活载及主力作用下各支座反力见表2。

表2 支座反力 kN

4.4 动力分析

4.4.1 自振特性分析

在结构动力分析中，利用Midas梁单元在静力模型基础上建立基础并采用等效弹簧刚度模拟基础刚度，然后将梁部自重及二期转换为质量均布在纵梁上。结构自振特性结果如表3所示。

表3 钢桁梁自振特性结果(前5阶)

4.4.2 屈曲分析

对简支钢桁梁桥成桥状态的稳定性进行分析，荷载工况为自重+二期+双线活载，主要计算结果如表4所示。

表4 前5阶屈曲特征值

自振特性及屈曲分析表明，全桥整体刚度强，由于横向刚度较弱，桥梁失稳主要表现为横向失稳。屈曲特征值最小值为8.34，大于容许特征值4，桥梁整体稳定性可靠[8]。

5 施工方案

本桥跨越既有贵广、南广高铁及广茂铁路，由于铁路运输繁忙，为尽可能减小对既有铁路的影响[16-21]，本桥钢桁梁梁部需在平转轨道梁完成转体施工，平转轨道梁设计为2-58 m钢箱梁T构。轨道梁需转体2次，先在既有线外侧平行既有线施工基础及梁部，然后顺时针转体77°至1号墩，待钢桁梁在轨道梁上完成转体后，再逆时针转体77°至既有线以外拆除。轨道梁转体采用转体吨位为20 000 kN的RPC球铰的转体系统，包括球铰、滑道、撑角、牵引包系统等配套设备，球铰安装于轨道梁基础上、下承台之间[22]。

钢桁梁梁部转体需在轨道梁上完成。转体采用转体吨位为30 000 kN的RPC球铰的转体系统，包括球铰、滑道、撑角、牵引包系统等配套设备。球铰安装于2号墩墩顶，并在轨道梁上设置转体滑道，钢桁梁沿轨道逆时针转体26°至设计位置。施工方案如图9所示。