银西高铁渭河特大桥60 m加劲钢斜撑PC组合梁设计研究

2021-09-26孙宇佳

铁道标准设计 2021年9期

孙宇佳

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

加劲钢斜撑杆PC组合梁是在传统的箱梁翼缘端部和外侧腹板之间设置斜撑杆以适应桥宽的增加，在满足桥梁功能设计要求的前提下，尽量减小结构上部重力，为下部设计优化提供必要的条件。随着高速铁路及城际铁路的快速发展，大跨多线桥梁的应用需求日益增长，而加劲钢斜撑杆PC组合结构作为一种新型的可适用于大跨多线桥梁的结构，其在复杂高速铁路及城际铁路桥梁建设中的适用性更为广泛。

国内对于加劲钢斜撑杆PC组合箱梁桥仅有部分综述性的研究，并没有已建工程。李宏江[1]通过文献调研介绍了加劲撑杆PC组合箱梁桥的结构受力特点，并阐述了目前对于该种桥型的理论研究以及工程应用概况。国外将加劲钢斜撑杆PC组合箱梁在公路桥上进行了应用，并开展了一些研究。国际上最早应用加劲钢斜撑杆PC组合箱梁截面形式的桥梁为德国1979年建设的科赫塔尔大桥，该桥为公路高架桥，由国际著名桥梁专家莱昂哈特设计。2000年以后日本建设的内牧高架桥、芝川高架桥等均为加劲钢斜撑杆PC组合梁的形式。SHUSHKEWICH[2]分析研究了加劲钢斜撑杆PC组合箱梁空间受力特性，并开发了计算该桥型的分析程序；Iglesias[3]提出了该桥型长期受力的简化分析方法；竹房秀一等[4]详细介绍了日本内牧大桥的设计及施工细节，该桥为等跨的加劲钢斜撑杆PC组合连续箱梁，采用了梁体节段预制拼装和悬挑翼缘支架现浇的施工方法。

国际上对于加劲钢斜撑杆PC组合梁的应用均为公路桥梁，而国内目前没有该类型桥梁的应用工程[5-6]。银西高铁渭河特大桥主桥为国内首次将加劲钢斜撑杆PC组合梁的桥型用于铁路桥梁的建设，本文介绍渭河特大桥主桥60 m加劲钢斜撑PC组合梁的设计，并对该类型桥梁的结构受力进行分析研究。

1 项目概况

银西高铁渭河特大桥是银西高铁的重点工程，由于需与西安至阎良城际铁路接轨共用渭河桥位，且出于渭河防洪要求需与上游的福银高速公路桥(30 m简支变连续小箱梁)对孔布跨，主桥采用17孔四线整体60 m加劲钢斜撑PC组合简支梁的设计跨越渭河，图1所示为渭河特大桥主桥施工时照片。

图1 渭河特大桥主桥施工

渭河特大桥主要技术标准如下[7]。

(1)设计使用年限：100年。

(2)设计速度：250 km/h(200 km/h)。

(3)活载：ZK活载、ZC活载。

渭河特大桥采用的60 m加劲钢斜撑PC组合简支梁有效施工工期较短，17孔梁均采用支架原位现浇的施工方法。钢斜撑杆连同其锚板和锚筋在工厂预制加工完成后运输至施工现场，在现浇支架上精准定位安装，然后进行混凝土箱梁的原位现浇施工[8]。

2 结构设计

2.1 桥面布置

银西高铁渭河特大桥为四线整体式桥梁，中间双线为银西高铁(采用ZK标准活载)，两侧为西安至阎良城际铁路(采用ZC标准活载)，有砟轨道，线间距(5.3+4.6+5.3) m。渭河特大桥桥面布置示意如图2所示。

图2 渭河特大桥桥面布置(单位：cm)

2.2 梁体构造及钢束布置

梁体为单箱双室等高度箱梁与钢斜撑杆组合截面。计算跨度57.8 m，梁全长60.4 m，梁顶宽22.8 m，底宽11.5 m，最低点梁高5.3 m，室宽4.5 m。混凝土箱梁采用C55混凝土，顶板厚40～80 cm，底板厚36～85 cm，中腹板厚40～80 cm，边腹板厚40～100 cm。箱梁悬挑翼缘两侧沿梁长度方向每隔4 m设置钢斜撑杆，钢斜撑杆采用Q345qD钢材，直径360 mm，壁厚18 mm。箱梁两端设置200 cm厚横隔墙。跨中箱梁截面如图3所示。

图3 1/2 60m加劲钢斜撑杆PC组合梁跨中截面(单位：cm)

梁体腹板及底板纵向预应力钢束以及顶板横向预应力钢束均采用1860 MPa级的体内束，底板布置30束17-φj15.2 mm钢束，腹板布置35束15-φj15.2 mm钢束，顶板横向间隔50 cm布置4-φj15.2 mm钢束。

2.3 斜撑杆锚固构造

斜撑杆两端均采用相同的锚固构造，锚固构造主要是在斜撑杆两端焊接钢锚板，锚板设置锚筋与混凝土箱梁连接，整体锚固构造连同斜撑杆均在工厂加工完成后运输至施工现场。斜撑杆上部锚固在翼缘端部的小纵梁上，下部锚固在箱梁腹板下缘外侧设置的锚固块上。

3 加劲钢斜撑PC组合简支梁计算分析

加劲钢斜撑PC组合梁与传统的单箱单室箱梁比较呈明显的空间受力特点，因此分别建立实体模型、梁格模型和单梁模型对该桥的空间受力进行精确分析[9-12]。

3.1 加劲钢斜撑PC组合简支梁整体计算

针对加劲钢斜撑PC组合梁空间受力的特性，在结构整体设计之前，对比分析自重、二期恒载及活载作用下，实体模型、梁格模型及单梁模型的计算结果，通过对单梁模型的计算结果进行校核后稳定桥梁混凝土结构的构造尺寸，并进行纵向钢束的设计。运营阶段主要计算结果见表1，根据表列结果可知，本桥纵向受力满足规范相关规定。

表1 主力工况主要计算结果

3.2 加劲钢斜撑PC组合简支梁顶板横向分析

渭河特大桥60 m加劲钢斜撑PC组合简支梁顶板横向结构宽度22.8 m，横向布置2个支座，支座间距8 m，横向悬挑翼缘作用有一线ZC活载，因此需要对梁体扭转引起的轨面不平顺性进行检算。而单箱双室主梁两侧翼缘悬挑6.2 m，箱室净宽4.5 m，需通过计算分析进行顶板横向预应力钢束的布置[13]。

(1)扭转效应

高速铁路和城际铁路桥梁需要确保其轨道在列车静活载作用下的平顺性，因此对静活载作用下由梁体扭转引起的3 m长线路范围内一线两根钢轨竖向相对变形量限值有所要求[14]。加劲钢斜撑PC组合简支梁翼缘悬挑6.2 m，斜撑杆顺桥向间距4 m，两侧城际铁路线路轨道位于翼缘上方，轨道运行平顺性的问题相对于传统箱梁桥轨道位于箱室上方的情况更为突出。

通过全桥实体模型分析，在轨道实际位置进行列车静活载的加载，分别计算一线城际铁路和一线高速铁路轨道底部3 m长线路范围内一线两根钢轨竖向相对变形量。

表2所示为渭河四线桥外侧一线城际铁路轨道两根钢轨的竖向相对变形计算值，其中纵向坐标规定梁端为坐标原点，每隔3 m取计算点，表2中计算数值为相邻两计算点的竖向位移差值。计算时分别在4条线上进行加载，得到在每条线上加载时相应外侧城际铁路轨道两根钢轨的竖向相对变形，组合最大值为按照TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》4.3条中规定的活载进行组合后比较得到的最大值。计算结果表明，跨中梁体扭转引起的钢轨的竖向相对变形较小，为0.36 mm，而梁端支座中心线附近钢轨的竖向相对变形达到1.35 mm。分析结果表明，加劲钢斜撑PC组合梁整体梁端1/4跨范围受到列车偏载效应的影响较为明显，梁端的扭转效应尤为突出。同时可知，顺桥向同一位置处，中间两线高铁轨道钢轨的竖向相对变形相比外侧城际轨道较小。

表2 城际轨道两根钢轨竖向相对变形

表3所示为渭河四线桥内侧一线高速铁路轨道的两根钢轨的竖向相对变形计算值，其余各列数值与表2中数值含义相同。

表2、表3的计算结果表明，城际铁路和高速铁路3 m长线路范围内一线两根钢轨竖向相对变形量最大值分别为1.35 mm和1.33 mm，均满足TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》的相关要求，最大值的位置位于梁端支点附近。

表3 高铁轨道两根钢轨竖向相对变形

(2)顶板横向钢束

本桥箱梁截面采用单箱双室的形式，悬挑翼缘外侧有加劲斜撑杆支撑，顶板横向近于五点支撑且结构宽度达22.8 m，同时五点支撑的刚度不尽相同，因此顶板横向受力分析及设计也是本桥需要解决的关键问题[15-19]。

传统单箱单室箱梁的横向计算有着成熟的理论计算基础，TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》中规定“箱形梁横截面可按被支撑在主梁腹板中心线下缘的箱形框架进行计算”。但是本桥在翼缘端部沿桥梁纵向间隔4 m有钢斜撑杆支撑，顶板横向预应力的设计必须考虑斜撑杆的作用。采用全桥实体有限元模型分析横向应力分布，桥面系各部件按照实际位置加载，图4所示为纵向4 m梁长在恒载作用下横向应力分布云图。由图4可知，设斜撑杆断面和相邻两斜撑杆之间的断面在恒载作用下的横向应力分布均匀，结果表明：沿着梁纵向4 m间距设置斜撑杆时，箱梁顶板的横向钢束设计可按照4 m取梁长均匀设计。