(72+120)m三线曲线连续钢桁梁方案设计

武文平

中国铁路设计集团有限公司 天津 300308

1 背景

某铁路三线动车走行线设计时速80km/h，线间距5m+5m，采用有砟轨道。跨越某高速公路互通时跨径布置为（72+120）m，位于R=500m的小曲线半径上。受线路纵断面及施工方案控制，需采用结构厚度较薄的钢结构桥梁方案。

经研究，采用曲梁直做方案横向桁间距需29.2m，采用曲梁曲做方案横向桁间距19.4m。直梁方案虽然杆件连接构造简单，但是横向桁间距过大，因此推荐采用（72+120）m三线曲线连续钢桁梁方案。

2 方案设计

2.1 桁高

单层桥面钢桁梁常见桁高12-15m，以13m桁高居多，考虑到本桥为小曲线半径三线钢桁梁，受力相对普通桁梁复杂，因此研究比选了13-15m三种桁高方案[1]。

采用Midas/Civil有限元程序进行仿真分析计算，主桁杆件采用梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟，模型如图1。

图1 （72+120）m曲线连续钢桁梁有限元模型

不同桁高方案的刚度及主力工况下内力对比见表1，随着桁高增加，结构刚度逐渐增加，杆件受力逐渐减小，但变化幅度并不大[2]。

表1 不同桁高方案刚度及主力工况内力对比表

13m桁高采用桁式桥门架节点构造困难，从构造角度来讲宜采用板式桥门架。14m以上桁高可采用板式桥门架或桁式桥门架。本桥是小曲线结构，桥门架受力较直线梁大，且桥门架横向跨度较大，本桥采用桁式门架受力较板式门架更为直接。因此，推荐采用14m桁高。

2.2 桁式

主桁常见的几何图式一般有三角形、竖杆三角形（华伦式）、“N”字形。主要区别在于腹杆布置方式不同，结构性能没有太大的优劣差别，技术上都是可行的。

表2 桁式综合比较表

三角桁方案下弦杆和腹杆内力相对较小，但总体受力差别不大，考虑到三角桁节点构造较华伦式桁节点相对简单，且可增加视觉上的通透感，综合比较推荐采用三角桁架。

2.3 桥面系

桥面系结构直接承受桥面竖向荷载，并传递横向水平力，同时还参与体系的整体作用，与主桁一起共同承受体系纵向力[3]。钢结构桥面常见方案有钢-混凝土结合梁方案及正交异性板钢梁方案，其中正交异性板钢梁方案桥面常用的钢桥面铺装设计一般有3种方案：

（1）15-20cm厚混凝土道砟槽板方案，通过栓钉与桥面板连接。该方案工序繁琐，且二期恒载增加较多，目前这种铺装形式应用较少。

（2）不锈钢复合桥面板（普通钢板+3mm不锈钢板爆炸法（或轧制）叠合）+防磨层（环氧树脂砂浆或钢板表面拉毛）方案。这种方案目前应用较多，缺点是不锈钢复合桥面板焊接需要分基层、过渡层、不锈钢层分别焊接，焊接工作量较大。

图2 不锈钢复合桥面板焊接工艺

（3）普通钢板+2道环氧富锌防锈漆+60mm超高性能混凝土（UHPC）板方案。该方案为新型材料，超高性能混凝土板自身强度高，可有效改善正交异性桥面板焊缝的抗疲劳能力。钢板与UHPC板通过栓钉连接，并在UHPC板内铺设钢筋网片。

就经济性而言，对UHPC桥面铺装方案、不锈钢复合桥面板方案基本相同。

考虑到本梁采用顶推施工，不锈钢复合桥面板方案可以有效减少施工时对跨越工点的干扰，同时也是结构自重最轻的方案，有利于顶推施工，因此推荐采用不锈钢复合桥面板+正交异性板桥面系方案。

3 推荐方案及主要计算结果

3.1 构造尺寸及材料

采用三角桁，桁高14m，节间距12m。桥门架采用桁式门架。桥面布置图及立面布置图见图3和图4。主要杆件类型及截面尺寸见表3。

图4 立面布置图（单位：cm）

表3 主要杆件类型（单位：mm）

图3 桥面布置（单位：cm）

主桁节点采用整体节点形式，上、下弦杆在节点外焊接，腹杆采用对接形式与整体节点焊接，其腹板接头板焊于节点板上。上、下弦杆及腹杆均采用全焊接形式。主桁弦杆及腹杆的焊接采用错焊[4]。

钢材主要采用Q370qD，部分受力控制的杆件采用Q420qD。

采用正交异性板桥面，桥面采用不锈钢复合钢板321-Q370qD（轧制法），其中基层为Q370qD钢板，厚度为14mm；不锈钢复合层321厚3mm，级别BI。

3.2 结构刚度

活载组合作用下：120m跨中最大竖向位移47.1mm，挠跨比1/2515；72m跨中最大竖向位移21.8mm，挠跨比1/3303；满足小于L/800的规范要求。

离心力、横向摇摆力、风力、温度力等作用下：120m跨中桥面横向变形最大值为16.6mm，挠跨比为1/7229；72m跨中桥面横向变形最大值为3.3mm，挠跨比为1/21818；满足小于L/4000的规范要求[5]。

梁端转角最大值1.69‰，满足小于2‰的规范要求。

3.3 动力特性

采用多重Ritz法进行特征值计算，结构前3阶自振频率分别为1.47Hz、1.78Hz和2.63Hz，振型如图5。满足一阶竖向自振频率n0≥23.58L-0.592=1.39HZ，横向自振频率n0≥65/L0.8=1.41 HZ的要求，自振特性良好。

图5 推荐方案自振模态图

4 结语

小曲线半径三线连续钢桁梁铁路桥在实际工程应用较少。本文介绍了此种桥梁的方案研究过程及推荐方案的构造和计算结果。为同类型桥梁的设计提供参考。