高速铁路56～80 m跨连续钢-混结合梁方案设计

2021-10-14曾甲华

铁道标准设计 2021年11期

曾甲华

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063； 2.清华大学土木工程系,北京 100084；3.中国铁建股份有限公司桥梁工程实验室,武汉 430063)

引言

钢-混结合梁采用连接件将钢梁和混凝土桥面板结合成共同工作的钢-混凝土组合截面，可充分发挥钢材受拉、混凝土受压的各自材料优势[1-3]，可实现快速化绿色建造，在国外高速铁路桥梁得到规模化应用[4-5]，如法国TGV高速铁路桥梁中，结合梁的桥长占比近45%[4-5]。

我国在役的高速铁路钢-混结合梁桥已超过20联[4，6-9]，京张高铁官厅水库特大桥应急抢修结合梁采用32 m跨度简支梁[6]，其余均采用主跨32～50 m的连续梁[4，6-11]。在建的沪苏湖铁路虹七特大桥采用(42+60+45) m连续钢-混结合梁[7]。国内部分在役或在建的铁路钢-混结合梁桥见表1。

表1 国内部分在役或在建的铁路钢-混结合梁桥

对于沿城市道路敷设或跨越城市干道/河流/宽深峡谷的铁路桥梁，采用连续钢-混结合梁可满足环保、景观、结构轻量化、桥下净空和快速绿色建造等需求。本文将针对3种常用跨度(主跨56、64、80 m)高速铁路无砟轨道连续钢-混结合梁开展设计方案研究。

1 主要技术标准及建筑材料

1.1 主要技术标准

(1)设计速度：350 km/h。

(2)设计活载：ZK活载。

(3)二期恒载：140 kN/m。

(4)轨道类型：无砟轨道。

(5)线路情况：双线，线间距5.0 m；直、曲线，最小曲线半径4000 m。

1.2 主要建筑材料

(1)混凝土：桥面板采用C55混凝土，湿接缝采用C55补偿收缩纤维混凝土。

(2)钢材：钢主梁主体结构采用Q370q，桁架式横隔板钢管材质为Q345；钢筋采用HRB400；圆柱头焊钉的材质为ML15或ML15Al。

2 总体方案研究

2.1 桥跨布置

根据国内外三十余座铁路连续钢-混结合梁桥调研统计数据[4-11]，连续钢板及钢箱结合梁的边跨与主跨的跨径比分布在0.6～1.0，大多位于0.7～0.85。

针对主跨56、64、80 m的三跨连续钢-混结合梁，综合考虑结构受力、工程经济性、支座升降法实施的可行性及有效性等因素[4，7]，边跨与中跨之比在0.7～0.8按照8 m进制确定如下。

(1)(40+56+40) m，边跨与中跨之比为0.714；梁部全长137.1 m，梁端悬出长度0.55 m。

(2)(48+64+48) m，边跨与中跨之比为0.75；梁部全长161.1 m，梁端悬出长度0.55 m。

(3)(56+80+56) m，边跨与中跨之比为0.7；梁部全长193.1 m，梁端悬出长度0.55 m。

2.2 截面形式

铁路连续钢-混结合梁桥的常用钢梁截面形式[4-11]为双工形钢板梁、双箱单室槽形钢梁、单箱单室槽形钢梁。

综合类似工程实践[4-11]、结构受力、高速铁路行车条件和经济性等因素，主跨56、64、80 m连续钢-混结合梁的截面形式选择如下。

(1)主跨56 m：双工形钢板结合梁、双箱单室箱形结合梁、单箱单室箱形结合梁。

(2)主跨64 m：双箱单室箱形结合梁、单箱单室箱形结合梁。

(3)主跨80 m：双箱单室箱形结合梁、单箱单室箱形结合梁。

2.3 支点负弯矩区受力性能提高措施

连续钢-混结合梁中支点区段承受显著负弯矩作用，上部的混凝土桥面板受拉、下部的钢梁受压均较为突出，需重点解决钢梁的受压突出(稳定)问题以及混凝土桥面板的开裂问题，保证结构的经济性、长期耐久性和承载力[1-2，7，12]。

提高支点负弯矩受力性能的技术措施有十余种[1-5，7，13-17]，如配置纵向预应力、支点升降法、预加荷载法、混凝土桥面板合理施工顺序选择、支点处设置后浇加宽湿接缝、高抗裂高韧性纤维混凝土、钢梁-混凝土延迟结合、负弯矩区上翼缘钢板满布、高配筋率、双层组合结构技术(钢梁下翼缘与混凝土结合)、抗拔不抗剪连接技术等。

针对铁路桥梁活载大、动力性能要求高[18]、桥面板耐久性要求高等特点，本文的连续钢-混结合梁负弯矩区设计采取“主力下不允许出现拉应力，主加附作用下允许出现拉应力但控制裂缝宽度在0.15 mm以内”的原则[1，7，19]，采用以下提高支点负弯矩受力性能的技术措施：

(1)保障措施：①支点升降法；②调整混凝土桥面板拼装顺序(桥面板自梁端及跨中往中墩方向逐步与钢梁结合)；③少量张拉预应力钢束。

(2)富余措施：①中支点双层组合结构技术；②中墩设置后浇加宽的抗裂纤维混凝土湿接缝。

2.4 指导性施工方案

(1)总体施工方案：钢梁与桥面板分开制造、桥位结合。

(2)钢梁施工方案：不具备水上运输条件时，厂内制造钢梁节段(长度不宜超过18 m[4])，汽车运输至桥位，分节段吊装组拼或顶推就位；若位于具备水上运输吊装条件的水域，钢梁在厂内分节段制造并组拼成大节段，水上运输至桥位，通过浮吊吊装并在桥墩或墩旁托架上组拼成整体。

(3)混凝土桥面板施工方案：桥面板在工厂预制，桥位吊装预制桥面板并浇筑湿接缝混凝土。

3 结构设计

3.1 结构构造

图1～图3分别为双工形钢板结合梁、双箱单室箱形结合梁、单箱单室箱形结合梁的截面构造，表2为主跨56、64、80 m连续钢-混结合梁采用不同截面形式时的主要结构参数。

图1 双工形钢板结合梁横截面(单位：cm)

图2 双箱单室钢-混结合梁横截面(单位：cm)

图3 单箱单室钢-混结合梁横截面(单位：cm)

表2 56、64、80 m连续钢-混结合梁的主要结构参数

3.1.1 双工形钢板结合梁

(1)钢梁

双工形梁的中心间距6 m，工形钢梁由顶板、下翼缘、纵腹板组成。

横隔板标准间距为4 000 mm，上翼缘均与混凝土桥面板结合。跨间横隔板采用框架式构造，支点处采用实腹式横隔板。

顶板包括腹板上翼缘和与混凝土桥面板结合的横隔板上翼缘。纵腹板上翼缘标准宽1 200 mm，根据受力需要在顺桥向采用不同板厚。下翼缘宽1 200 mm。纵腹板在受压区设置纵向加劲肋，同时在横隔板之间居中设置竖向加劲肋。

(2)混凝土桥面板

桥面板宽12.6 m，两侧悬臂长度2.7 m。纵腹板之间的桥面板采用38 cm等厚，往悬臂板端部渐变为20 cm。

混凝土桥面板采用分块工厂预制，预制板纵桥向长3.4 m，预制板之间的湿接缝宽60 cm。梁端、中支点处设宽1.5 m的现浇段。桥面板横向整块预制，两侧悬臂板通过系梁与中间板连接。

(3)下平面纵向联结系

两片工形梁下翼缘之间设置15 cm厚的预制混凝土板，相邻预制板间纵向不连接(按2 m的基本间距设横向断缝)，仅起到横向联系的作用。

(4)连接件

混凝土桥面板与钢梁之间通过栓钉连接，采用φ22×250 mm圆柱头焊钉，基本间距125 mm。

3.1.2 双箱单室箱形结合梁

(1)钢梁

钢梁采用双箱单室槽形梁，双箱的中心间距为5 m。每个箱梁由顶板、底板、两道腹板围封成上开口箱梁断面。

双箱之间及箱梁内设置横隔板，基本间距4.0 m；端横隔板和支点横隔板采用框架式构造，与混凝土桥面板结合；跨间横隔板采用U形横隔板(无上翼缘)，不与混凝土桥面板结合。

箱梁腹板内侧间距为2400 mm，腹板在受压区设置纵向加劲肋，同时在横隔板之间居中设置竖向加劲肋。腹板上翼缘宽600 mm。每个箱梁的底板下缘设置两道纵向加劲肋。

为改善中支点负弯矩区的受力，中墩8 m(每侧4 m)范围的箱梁内底板顶面结合混凝土，混凝土厚50 cm，通过栓钉和开孔连接件(纵向加劲肋开孔并穿横向钢筋)与主梁底板实现双结合。

(2)混凝土桥面板

桥面板宽12.6 m，两侧悬臂长度2.3 m。纵腹板之间的桥面板采用28 cm等厚，板厚往悬臂板端部渐变为20 cm。

混凝土桥面板的预制分块及湿接缝设置方式同双工形钢板结合梁。

3.1.3 单箱单室箱形结合梁

(1)钢梁

钢梁采用单箱单室槽形截面，由底板、上翼缘顶板、腹板围封成上开口箱形断面。

不与混凝土桥面板结合的横隔板采用桁架式构造，与桥面板结合的横隔板采用框架式构造，支座横隔板采用实腹式结构。横隔板基本间距为4.0 m，桁架式横隔板与框架式横隔板交错布置。

纵腹板采用倾斜设置，两道腹板的底部间距6.0 m，顶部间距6.6 m，在受压区设置纵向加劲肋，同时在横隔板之间居中设置竖向加劲肋。

顶板包括与混凝土桥面板结合的横隔板上翼缘和腹板上翼缘。腹板上翼缘标准宽1 000 mm(主跨为64，80 m时，为1 200 mm)。

底板设置纵向加劲肋，加劲肋基本间距900 mm。同双箱单室箱形结合梁，中墩8 m(每侧4 m)范围的底板顶面也结合厚50 cm的混凝土。

(2)混凝土桥面板

桥面板宽12.6 m，两侧悬臂长度2.1 m。桥面板采用变厚度板，中间标准厚度30 cm，悬臂板端部厚20 cm，与钢梁上翼缘结合处加厚至55 cm。

混凝土桥面板的预制分块及湿接缝设置方式同双工形钢板结合梁。

3.2 主要技术指标及计算结果

(1)刚度指标

表3为主跨56,64,80 m连续钢-混结合梁采用不同截面形式的主要竖向刚度指标。

表3 主要竖向刚度指标

从表3可见：竖向刚度方面，双工形截面方案最优，单箱单室截面方案与前者差异不大，双箱单室截面方案的主跨达到64 m及以上时，竖向挠跨比及梁端转角趋于控制设计[20]；56～80 m连续钢-混结合梁的工后徐变均小于2 mm。

(2)应力指标

表4为各个方案的钢梁和混凝土桥面板的正应力极值结果。可见，连续钢-混结合梁以强度(截面应力)控制设计，可充分发挥钢材的承载力。

表4 梁部主要应力极值 MPa

(3)车桥动力性能分析

建立全桥动力分析模型，分析主跨56、64、80 m连续钢-混结合梁在CRH3动车组以不同速度走行下的车桥耦合动力响应。结果表明：

①动车组以速度200～420 km/h通过桥梁时，桥梁竖向、横向振动加速度均小于规范[12，20]规定的限值；动车与拖车的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标均在限值以内，高速列车行车安全性有保证。

②CRH3动车组以速度200～350 km/h通过桥梁时，车辆竖向舒适性均为“优”，横向舒适性均达到“良”或“优”；以速度400～420 km/h通过桥梁时，车辆竖向舒适性均达到“良”及以上，横向舒适性均为“合格”及以上。

4 方案综合分析

表5和图4为不同连续钢-混结合梁方案的综合对比。

图4 不同截面形式的钢梁用钢量指标对比

表5 不同跨度及截面形式的连续钢-混结合梁的比较

可见：主跨为56 m时，双箱单室截面的钢梁用钢量最省，双工形截面最高，当跨度达到64 m及以上时，单箱单室截面的用钢量最小且用钢量节省显著；公路运输条件方面，双工形和双箱单室钢梁可分为两个主梁(纵梁)加工、运输和架设，不存在超宽或净空限制[4]等问题，单箱单室钢梁一般采用整箱加工、运输和架设，钢梁截面最大外围尺寸超过3 m×7.5 m，公路运输存在超宽或净空超限问题；相比同跨度预应力混凝土连续梁，主跨56、64、80 m连续钢-混结合梁的支点梁高可分别降低0.735、1.835、1.635 m。