银西高速铁路渭河特大桥钢腹杆组合结构总体设计

2020-07-04李宗建

铁道建筑 2020年6期

李宗建

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

钢腹杆与混凝土组合桥梁是近年来发展起来的一种新型结构，与传统混凝土箱形截面相比，采用钢桁架替代混凝土腹板，形成混凝土顶板+钢桁架腹杆+混凝土底板的组合结构形式。该结构顶底板与传统箱形截面类似，配置预应力钢束，并预埋剪力键与钢腹杆连接成为整体受力，有效降低了箱梁自重、提高了主梁的跨越能力、解决了混凝土腹板裂缝问题。由于钢腹杆不需要制模、浇筑等施工流程，采用工厂预制，大大提升了施工效率，缩短了建设周期。对国外该类型桥梁建设数据的研究表明，在跨径相近的条件下，采用钢桁腹组合箱梁的桥梁自重减轻约20%，施工工期可以节省约30%［1］；与传统钢桁梁相比，由于混凝土顶底板约束了桁架面外的变形，使得该结构整体性、稳定性、结构刚度均大大提高。同时其用钢量大幅度降低，无论工程建设期工程造价还是后期养护维修的工作量和工程造价均大大降低，适用性更广。正是基于上述优点，国内外对该桥型进行了深入的研究和实际工程应用。在国外，以法国、日本为代表修建该类型桥梁共10 余座，采用简支梁、连续梁、连续刚构、斜拉桥、悬索桥等结构形式，结构主跨30 ～119 m不等，施工方法均为传统的支架现浇或悬臂浇筑。而该结构在我国发展尚处于起步发展阶段：长春至深圳国家高速公路南京绕越公路江山桥，采用2 跨（35+35）m等截面钢桁腹预应力混凝土组合箱梁，为我国首座该类型组合梁桥，于2012年建成［2］；深圳大学1号桥也采用此类似结构，全桥跨度设置为（30+2×40+2×50+60+30）m，上层为机动车道，下层为人行加非机动车道，该桥于2016年建成［3］。

值得注意的是，各国在铁路桥方面对钢腹杆组合结构的应用较少，仅日本修建了一座跨度为50 m 的单线铁路桥—山仓川桥［4］，该桥顶底板均为混凝土，腹杆采用圆形钢管。国内铁路组合结构应用中，中铁第一勘察设计院集团有限公司有扎实的基础：西安－平凉铁路跨银武高速立交全面研究了钢-混凝土组合结构（实质上是简支槽形梁与桁梁的组合结构）的力学性能，并应用于工程实践［5］；对兰新二线跨兰西高速公路特大桥（80+168+80）m 连续梁-桁组合结构［6］和大西高速铁路晋陕黄河特大桥2×108 m单T刚构钢桁加劲组合结构［7］，从整体结构受力机理、加劲钢桁与主梁连接节点构造及形式、加劲钢桁对整体结构贡献度等进行了大量的研究。中铁第一勘察设计院集团有限公司基于钢-混凝土结构的成功建设经验，在银西高速铁路渭河特大桥上，首次将钢腹杆组合结构应用于双线高速铁路桥。

1 工程概况

1.1 工程简介

银西高速铁路渭河特大桥位于陕西省境内渭河下游段，桥址处主河槽宽1 km 左右，常流水河面宽360 m，桥位百年设计流量Q1∕100=9 920 m3∕s，百年设计水位H1∕100=381.34 m，水位高程不控制设计。

桥位处河段处于渭河生态景观带上，距离福银高速公路桥下游80 m，该公路桥主河槽跨径30 m。经过与黄河水利委员会沟通并召开专家评审会后，设计中必须考虑以下2 点［8］：①铁路等级为Ⅰ级；②正线数目为双线，线间距考虑桥群水流干扰效应，主河槽内桥墩与福银高速公路隔墩对孔设置，即单孔跨度须不小于60 m 且为30 m 整数倍；②要求尽量减小主河槽桥墩尺寸，减小阻水面积，原则上本桥主墩纵向不得大于3.4 m。本桥桥面高程略高于福银高速公路，在近距离的情况下，应适当考虑美观性。

上部结构形式若采用传统设计思路，一般考虑60 m混凝土简支箱梁、简支钢桁梁或（60+n×60+60）m 连续梁方案（混凝土梁或者钢桁梁）。本桥墩高13～25 m，位于高烈度地震区。根据银西线相似桥梁设计资料，60 m 混凝土简支梁桥墩纵向不小于3.6 m［9］；60 m 混凝土连续梁非制动墩纵向不小于3.6 m（墩高13 m 左右），制动墩不小于3.8 m［10］。桥墩尺寸不满足要求。

考虑地震力作用影响，为减小桥墩尺寸，需减轻结构自重；同时为更好地增加铁路桥的通透性、减小对公路通车的压抑感，主桥采用3 联（3×60 m）+2 联（4×60 m）钢腹杆预应力混凝土组合结构连续梁，共17孔。主桥部分立面布置见图1。

图1 主桥部分立面布置（单位：m）

1.2 主要技术标准

4.4 m，主桥位于直线上；③设计洪水频率为1∕100 设计，1∕300 检算；④设计活载为ZK 活载；⑤地震烈度为8度，Ag=0.2g，场地谱特征周期0.35 s；⑥设计行车速度250 km ∕h；⑦轨道类型为有砟轨道。

2 梁部主要设计参数选取

2. 1 桁高

桁高是影响桁架桥力学特性的重要指标，在其他条件不变的前提下，加大桁高可提高结构的竖向刚度，但会削弱结构的横向刚度；加大桁高则弦杆的内力减小，增大了腹杆的长细比，给腹杆的受力带来一定的不利影响［11］。因此，合理选取桁高是桁架桥设计的关键问题之一。

等高钢-混组合连续桁梁与等高预应力混凝土连续梁在荷载条件相同的前提下，产生的弯矩并没有变化，仅是外弯矩的平衡机理不同。这意味着等高钢-混组合连续桁梁的桁高选取可参照同跨度预应力混凝土连续梁结构，其支点梁高、桁高设计资料见表1。

表1 连续梁、钢桁梁、结合梁类似结构高跨比

由表1 可见，混凝土连续梁高跨比约为1∕10～1∕8；钢桁结合梁、上承式钢桁梁高跨比约为1∕14.5～1∕11.0。由于钢腹杆组合结构与混凝土连续梁构造相似，只是腹板刚度降低，与连续梁相比，稍微降低梁高即可。综合参考各桥型，将银西高速铁路渭河特大桥的梁高设计为6 m，高跨比1∕10，通过计算结果再进行调整。

2.2 桁式

本工程受施工条件限制，拟采用悬臂现浇施工。常用的桁式有三角桁、N形桁、菱形桁等。由于三角桁造型简洁、受力明确，节点板构造相对简单［14］，中等跨度桁架桥大都采用无竖杆三角形桁。结合工程经验，确定本桥采用无竖杆三角形桁。

2.3 节间长度

从受力角度考虑，节间长度对下弦杆和钢腹杆的受力有一定的影响，节间长度大则下弦杆的局部弯矩较大，由于下弦是整体式混凝土结构，这一点对钢-混凝土组合桁架尤为突出；节间长度长，腹杆数目减少，腹杆受力会有一定的增加［15］。

另外，节间长度与桁高的匹配关系还需要考虑节点处的构造要求：本设计节点板部分预埋于顶板，部分外露，节点板不宜过大，在桁高一定的情况下，若节间长度大会增大节点板尺寸。景观要求也是节间长度选择要考虑的重要因素。通过6，8，10 m 节间长度比选，综合考虑节段划分、构件运输等因素，本结构结构节间长度取6 m，腹杆夹角约60°。

3 组合结构设计施工关键点

3.1 组合结构整体构造

综合国内外钢腹杆组合结构应用及研究现状，本桥3×60，4×60 m 等跨钢腹杆组合结构为方便施工采用等高度设计，连续梁梁长分别为181.7，241.7 m，中支点和边支点局部采用整体箱形截面，顶底板采用预应力混凝土结构，腹杆采用钢结构。桁高6 m，节间距6 m，桁式采用无竖杆三角桁，梁段划分根据节点板大小及施工综合考虑，0号段长15 m，其余主要梁段长6 m。梁体构造和横截面见图2。

图2 梁体构造和横截面（单位：cm）

3.1.1 顶底板

顶板采用宽度12.6 m、变高度0.4～0.9 m 的混凝土截面，底板采用宽度7.2 m、变高度0.4～1.0 m 的槽形截面，顶底板纵向均为全预应力结构。根据节点板布置及受力需要，在钢腹杆连接处进行局部加宽、加高，宽度为1.0 m，高度为1.1 m。纵向预应力钢束采用标准抗拉强度fpk=1 860 MPa 的高强度低松弛钢绞线，预应力管道采用金属波纹管成孔。

3.1.2 腹杆

腹杆根据计算采用外轮廓为650 mm×550 mm 的矩形钢箱，钢箱材质采用Q370qE。综合考虑受力及便于施工、采购等因素，厚取16，24，32 mm。

3.1.3 节点板

全桥上下节点均采用整体节点板，预埋入上下钢筋混凝土的弦杆内，节点板上开直径为60 mm 孔并穿ϕ25 mm 钢筋［16］。由于全桥节点板构造不同，共分为端节点板和标准节点板2 种形式，标准节点板外轮廓尺寸相同，板厚与腹杆相同。钢腹杆与节点板采用高强度螺栓相连，标准节点板构造见图3。

图3 标准节点板构造

3.2 组合结构施工方案

由于该桥位于渭河主河槽，墩较高，施工周期较长，会经历一个汛期，为防止出现施工风险，采用悬臂浇筑施工最为安全，为减小边跨次内力，采用先中后边的合龙顺序。与传统悬臂浇筑施工方法不同点在于：每次浇筑前均需预埋顶底板节点，并安装上一阶段未安装的腹杆。以1 号梁段悬臂浇筑为例，施工步骤见图4。浇筑1 号段顶底板混凝土之前，需安装本梁段上节点板SJD1 和下节点XJD1，并安装0 号段与1号段连接处F1腹杆。其余梁段施工以此类推。

图4 施工步骤

合龙段处理（图5）：由于合龙段需预埋顶板节点，安装两侧腹杆，因此将合龙段梁设计成异形，保证每个节点板在混凝土内部，便于节点板预埋及施工。

图5 合龙段梁段处理示意（单位：cm）

3.3 组合结构受力分析

3.3.1 设计荷载

1）恒载

①一期恒载：结构自重，钢结构材料重度78.5 kN∕m3；钢筋混凝土结构材料重度26.5 kN∕m3，节点板重50 kN。

②二期恒载：按176 kN∕m计算。

③结构混凝土收缩徐变及预应力效应、松弛损失按TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》［17］计算。

2）活载

①列车竖向活载纵向计算采用ZK 标准活载。双线，无折减。

②列车竖向活载桥面横向计算采用ZK 特种活载。

③列车活载动力系数按TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》［18］计算，主桁杆件即所有钢腹杆取1.28；桥面顶底板活载动力系数按TB 10621—2014《高速铁路设计规范》［19］计算，取值为1.0；疲劳动力系数按TB 10091—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》［20］计算，取值为1.18。

④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线作用于钢轨顶面，双线桥只计算任一线上的横向摇摆力。

3）附加力

①制动力或牵引力：按TB 10621—2014《高速铁路设计规范》［19］7.2.13条计算。

②风力：有车时取520 Pa，无车时取650 Pa。

③温度力：结构沿截面均匀温度变化产生的内力按结构升降温20 ℃计算；结构非均匀温度变化按主梁顶板升温5 ℃计算。钢桁与混凝土主梁间的温差按15 ℃计算。

④施工临时荷载：挂篮自重及全部施工荷载重不应超过800 kN，合龙吊架重量300 kN。

⑤基础不均匀沉降：相邻两桥墩基础不均匀沉降值取1 cm，取最不利组合计算。

⑥特殊荷载：地震作用、列车脱轨荷载、运梁车荷载等。

3.3.2 模型计算结果分析

分别采用BSAS 及MIDAS 建立有限元模型，对钢腹杆组合结构进行平面和空间分析。平面计算主要计算ZK 竖向静活载作用下的竖向挠度和梁段转角、横向水平挠度、徐变上拱值等刚度指标，从总体上把握该结构受力性能。

1）梁体变形计算结果见表2。

表2 组合结构梁体变形计算结果

恒载+活载情况下，边跨跨中最大挠度为35 mm，为梁跨的1∕1 714；中跨跨中最大挠度为13 mm，为梁跨的1∕4 615。

2）顶底板钢束配置根据计算构造及计算需要，除边跨底板合龙钢束采用19ϕ15.2 外，其余纵向预应力钢束均采用15ϕ15.2。顶板T 构布置24 根预应力钢束，边跨底板布置28 根，中跨底板布置20 根，边跨顶板布置4根合龙束，中跨顶板布置2根合龙束。

顶板布置4ϕ15.2 横向预应力钢束，间距0.5 m。在中支点混凝土箱梁腹板上竖向布置直径为32 mm的PSB830预应力精轧螺纹粗钢筋。

经过计算，梁部设计安全系数、钢绞线应力、混凝土应力均满足规范要求。

3）模型空间分析支点处构造复杂，特别是钢腹杆和整体混凝土交接处，刚度变化大，结构受力传递及分布是设计的关键。采用实体单元模拟顶底板，腹杆采用梁单元，梁单元与实体单元连接处采用大刚度虚梁单元，不考虑预应力［21］。该模型主要用于分析：

①结构的空间传力规律；

②结构顶板的剪力滞效应；

③结构桥面板的横向效应；

④结构腹杆于混凝土腹板交界处的受力情况。

支点处空间分析有限元模型见图6。

图6 支点处空间分析有限元模型

空间分析结果表明：支点处腹板与钢腹杆交界处，底板有较大的局部负弯矩，主力作用下该底板顶部有3.8 MPa的拉应力，而在主力+附加力的作用下该处的拉应力可以达到6.0 MPa，设计中采用增加部分体外预应力钢束和增强局部配筋的方式，有效地解决了该问题。

3.4 组合结构节点缩尺模型试验

根据银西线渭河特大桥钢腹杆组合箱梁内力图，最大拉杆内力为8 200 kN，根据前期西平铁路跨银武高速立交、兰新第二线跨兰西高速公路特大桥以及大西线客运专线晋陕黄河特大桥的节点区破坏性试验［22-24］，若采用1∶2的缩尺比，则试验模型加载到反力墙及千斤顶最大量程时尚未达到极限承载力。因此，要想得到节点区的破坏模式和承载能力，采用1∶3 的缩尺较为合理。共进行3个节点模型试验。试验节点缩尺模型断面见图7。