铺设无砟轨道的平面折线钢桁结合梁设计及施工关键技术研究

2021-10-14郑亚鹏万田保杨光武邹敏勇

铁道标准设计 2021年11期

郑亚鹏,万田保,杨光武,邹敏勇

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司,武汉 430056)

1 工程概况

福州市道庆洲大桥是福州主城与长乐连接的一条快速通道，大桥位于青州闽江大桥和福泉高速乌龙江大桥之间，距离青州闽江大桥约7 km，距离乌龙江大桥约5 km，在道庆洲湿地边缘通过。

跨江大桥采用“公路+轨道”双层合建方式，上层公路为6车道城市主干道兼一级公路，下层为双线地铁6号线。跨江桥全线长2 268.5 m，均为双层钢桁结合梁结构，其中跨江引桥第5联，采用2×84 m(墩中心线跨度)的连续钢桁结合梁[1]。见图1。

2 桥梁设计技术难点

相比其他同类型桥梁，本桥在技术方面具有以下难点。

(1)为适应线路平曲线的变化，本桥采用以折代曲方案，以平面折线钢桁梁适应线路平曲线变化，折线钢桁梁的设计难度较为复杂。

(2)为节省施工临时设施费用，本桥架设方式采用悬臂拼装[2]。与常规直线钢桁梁相比，折线钢桁梁在大悬臂状态下其受力状态存在整体扭曲的效应。

(3)中墩处上层桥面混凝土板在负弯矩区，为保证此处混凝土桥面板裂缝宽度满足规范要求，采取中墩顶落梁措施。折线钢桁梁在中墩顶落梁情况下，存在上、下层桥面横向偏移的效应。

(4)地铁桥面采用无砟轨道。为适应线路平曲线的要求，无砟轨道需要设置超高[3]。同时，为避免桥面积水，地铁桥面系为双向横坡结构。在双向横坡桥面上，无砟轨道的超高设计更为复杂。

3 主要技术标准

(1)设计基准期100年。

(2)上层桥面线路标准：城市主干道兼一级公路，6车道，设计行车速度60 km/h，城市A级。

(3)下层桥面线路标准：地铁6号线，双线通行，设计运行速度100 km/h，线间距4.2 m，采用国家标准B2车型，列车编组6辆，接触网受电，车辆最大轴重140 kN，最小轴重65 kN，空载轴重80 kN。

4 结构设计

4.1 总体布置

桥梁所在线路立面纵坡0.3%，平面线路左线线型为R=1 003.9 m的平曲线，右线线型为R=1 008.1的平曲线。

桥梁跨度布置为：(0.95+83.8+83.8+1.09) m=169.64 m两跨布置，见图1所示。为适应线路平曲线变化，在中墩处主桁平面折角为177.617°，见图2。

图2 桥梁平面布置

公路和轨道交通采用分层布置方案[4]，上层桥面采用6车道公路和两侧非机动车道，下层为双线轻轨。桥梁横断面布置见图3。

图3 桥梁横断面(单位：m)

由于折线钢桁梁，折点处受力较大(见后文受力分析)，钢桁梁主桁在中墩附近各1个节间采用Q420qE钢材[5]，其余主桁采用Q345qD钢材。公路桥面板采用C50混凝土，桥面板钢筋采用HRB400钢筋。

4.2 主桁

主桁采用三角形桁架[6]，标准节间长度12 m，桁高 9.5 m。上、下弦杆均采用箱形截面，腹杆采用箱形截面或H形截面。主桁节点采用焊接整体节点，节点外拼接。上弦杆高1.56 m，下弦杆高1.46 m，内宽均为1.0 m。

主桁在中墩处弯折，倒圆半径为R5 m。上弦杆在节间中间弯折，结构设计相对常规。下弦杆在节点处弯折，结构设计比较复杂，曲线内侧主桁腹杆在节点处夹角为63.16°，曲线外侧主桁腹杆在节点处夹角为65.85°；同时每个节点有2块节点板，弯折处共有4块节点板，结构尺寸参数均不一致，其中一块节点板的结构参数见图4。由于折线钢桁梁的复杂性，主桁结构采用BIM软件三维正向设计[7]，钢梁制造单位也采用三维放样制造[8]。

图4 主桁弯折处节点板构造(单位：mm)

4.3 轨道交通桥面系

轨道交通桥面系采用“纵横梁+正交异性板整体钢桥面”[9]。每隔12 m设置1道大横梁，中间设置3道横肋。铁路桥面系顶板厚16 mm，顶板采用板式加劲肋。铁路桥面系与主桁连接采用栓焊结合方式[10]，铁路桥面系顶面设置1%横坡。铁路桥面系横梁在主桁弯折处采用箱型横梁，以约束弯折主桁的扭转效应[11]。

4.4 公路桥面系

公路桥面系采用钢混结合梁[12]，混凝土板厚220 mm，钢横梁采用密横梁体系，混凝土板和钢横梁通过剪力钉连接。公路桥面系顶板设置2%横坡。

混凝土桥面板采用C50高性能混凝土，纵横向分块预制，板厚220 mm。桥面板主筋采用HRB400钢筋，纵向钢筋直径φ20 mm，间距12.5 cm，横向钢筋直径φ22 mm，间距12.5 cm。混凝土板预制存梁期180 d。

4.5 预拱度

主桁设有预拱度[13-14]，预拱度由上弦杆长度伸缩形成，伸长或缩短的值在上弦杆拼接板的拼缝中变化，弦杆和斜杆仍交汇于节点中心。纵向预拱度考虑恒载和竖曲线的影响，由于平面折线钢桁梁，内外侧主桁的恒载挠度不一致，预拱度的设置需考虑此影响。

4.6 无砟轨道及其他地铁附属

本桥轨道交通设计速度为100 km/h，采用6辆B2编组车型。根据调研，国内外轨道交通钢桥轨道型式主要有明桥面木枕轨道、碎石道床轨道、板式轨道、梯形轨枕轨道、减振垫浮置板轨道等[15]。

经过综合比较考虑，本桥采用减振垫浮置板轨道[16](图5)。减振垫浮置板轨道在普通板式轨道下设一层减振垫，减振垫与板式轨道组成质量弹簧系统，以起到减振作用[16]。减振垫直接铺设在钢梁面，限位装置简单，限位凸台与桥面之间采用焊接。

图5 减振垫浮置板轨道(单位：mm)

对于折线钢桁梁，轨道板会存在横向超高问题，同时叠加钢梁横坡变化，轨道板设计比较复杂。本桥曲线段的钢限位凸台，每一个结构尺寸均不同，均根据位置进行调整。

5 受力分析

采用桥梁空间结构分析软件Midas Civil，建立结构分析模型。弦杆、腹杆、纵横梁采用梁单元，混凝土板和下层桥面钢板采用板单元。混凝土板施工考虑收缩徐变的影响。

结构荷载：①一恒，按照密度调整系数施加，调整系数为1.33；②二恒，按照压力荷载施加，其中地铁二恒92 kN/m；③公路活载，6车道“城A”；④轨道交通活载，6辆编组“B2型车”。

5.1 悬臂拼装计算

为节省施工临时设施费用，本桥架设方式采用悬臂拼装[2]。为减小悬臂长度，在每跨的中间设置1个临时支墩。悬臂拼装的最不利工况是：钢桁梁拼装到第2跨的临时墩处(大悬臂阶段，未上临时墩)。

在大悬臂阶段，中墩处钢桁梁的上、下弦杆会发生横向错动变形，相对变形最大值为10 mm，见图6。

图 6 大悬臂阶段单片桁架横向变形(单位：mm)

经过简单的力学模型分析，以上所述的横向变形，主要由于在大悬臂阶段上弦杆受拉，因此，在折弯点存在向内侧变形的趋势，位移假设为D1；类似的，在大悬臂阶段下弦杆受压，因此，在折弯点存在向外侧变形的趋势，位移假设为D2。位移D1+D2=10 mm。上、下弦杆变形趋势示意见图7。

图7 上、下弦杆变形趋势示意

在大悬臂阶段由于存在上、下弦杆的横向错动变形，因此，中墩处弦杆和腹杆会承受较大的面外弯矩作用。腹杆最大面外弯矩1 205 kN·m，弦杆最大面外弯矩1 646 kN·m。

5.2 中墩顶落梁计算

(1)折线钢桁梁顶落梁受力状态分析

在拉力作用下，结合梁的混凝土板易产生裂缝，因此，在结合梁的设计中，尽量保证混凝土板受压或保证裂缝宽度满足规范要求[18]。为控制墩顶处混凝土板裂缝宽度，一般可采用顶落梁法[19]或配置预应力束法，本桥为两跨一联桥梁，采用顶落梁法。

对于常规钢桁结合梁，顶落梁步骤为：①左右侧中墩同时起顶相同高度H1；②结合墩顶处混凝土桥面板；③左右侧中墩同时下落相同高度H1。由于中墩处钢桁梁存在平面折角，与大悬臂阶段类似，在起顶工况下，上、下弦杆会发生横向错动变形。但是更为复杂的情况是，当起顶后，结合墩顶混凝土板，中支点下落后，由于混凝土板强大的约束作用，弦杆的横向错动变形并不能完全复原，而使得施工阶段内力的不利影响存留在结构中。当左、右两侧主桁起顶相同的高度25 cm时，中墩处变形和弯矩见表1。