新建铁伊线跨绥佳铁路特大桥钢横梁门式墩设计

王璐琳

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东 济南 250022)

截止至2021年12月31日，我国高速铁路运营里程突破4万km。随着我国高速铁路的大规模建设，小角度斜交跨越既有铁路的情况越来越多，常用的方式有两种：一是小跨度结构、门式墩，二是采用大跨桥梁跨越。方案的选择需要考虑两线夹角、既有线运营安全、桥下净空等因素。门式墩不仅结构形式简单、施工周期短、投资低，且可以采用标准上部结构，被广泛使用[1]。本文以新建铁路铁力至伊春线跨绥佳铁路特大桥为例，对新建高速铁路与既有铁路小角度交叉采用大跨度钢横梁门式墩进行设计研究。

1 工程概况

新建铁路铁力至伊春线位于黑龙江省中部，是我国目前在建的最北部高速铁路，起点位于铁力站，终点位于伊春西站，全长111.4 km，其中桥梁长29.152 km，占比26.9%。

跨绥佳铁路特大桥主要技术标准如下：设计速度，250 km/h；线路情况，双线，线间距4.6 m，直线、曲线R=3 500 m、R=11 000 m，无缝线路；轨道形式，有砟轨道，铺设无缝线路，钢轨60 km/h；地震基本烈度6度，地震动峰值加速度a=0.05g；设计使用年限，正常条件下梁体结构设计使用年限为100 a。

桥址区位于冲洪积平原区，地势平坦开阔，稍有起伏，桥址区范围地层主要为：人工填土层、粉质黏土、细中砂、细圆砾土、泥岩、泥质砂岩。线路在K4+079.18处与既有绥佳铁路交叉，交叉角度为14°，桥梁在第40～42号桥墩采用门式墩跨越绥佳铁路，跨度28 m，上部结构采用32 m双线简支箱梁，配套梁图“通桥(2016)2229-Ⅰ”。新建铁伊线上跨绥佳铁路平面见图1。

图1 新建铁伊线上跨绥佳铁路平面(单位：cm)

2 方案比选

2.1 横梁方案比选

从横梁结构形式上可分为普通钢筋混凝土横梁、预应力混凝土横梁、钢横梁、钢混结合横梁等[2]。铁路中常见的横梁结构为预应力混凝土横梁、钢横梁两种形式[2]。

通过初步计算，本工程若采用预应力混凝土横梁，截面尺寸为5.0 m×3.2 m；采用钢横梁，截面尺寸为3.3 m×3.0 m。预应力混凝土横梁、钢横梁优缺点分析见表1。

经比较，采用预应力混凝土横梁截面尺寸大、结构受力不利，施工时需要在既有铁路上方搭设支架现浇，不仅工期长，对既有线路运营影响大，还控制线路纵断面高度，影响桥梁长度。钢横梁尺寸小，结构受力有利，还能工厂预制、吊装施工、工期短，对既有线路运营影响较小，故本桥采用钢横梁方案。

表1 门式墩横梁方案优缺点分析

2.2 钢横梁与墩柱连接方式比选

钢横梁与混凝土墩柱连接方式分为铰接和固结两种形式。设计中需根据荷载、施工条件等综合考虑[3]。两种连接方式的内力比较见表2。

表2 钢横梁与墩柱不同连接方式的内力比较

2.2.1 钢横梁与混凝土墩柱铰接

需在墩柱顶、钢横梁下设置支座，此时钢横梁为简支结构，受力明确，仅能将竖向力和水平力传递给墩柱，横梁弯矩较大但墩柱无法分担，会造成横梁截面较大。此外，钢横梁上梁体与钢横梁铰接，钢横梁与墩柱铰接，整体稳定性较差。

2.2.2 钢横梁与混凝土墩柱固结

墩梁固结分一次固结和先铰接后固结两种方式：一次固结是横梁架设完成后直接浇筑墩顶连接段混凝土，然后架梁、施工桥上二期恒载；先铰接后固结是横梁架设完成后，先架梁施工二期恒载，再浇筑墩顶连接段，实现铰接到固结的体系转换。一次固结由于其简单方便，是实际工程中最常用的方法。钢横梁与混凝土墩柱固结后形成一个整体，墩柱能分担钢横梁的弯矩，从而可以减小钢横梁截面尺寸。

经比较，固结与铰接相比虽然墩顶弯矩较大，但横梁弯矩却要小7%，这有利于减小横梁截面尺寸、控制结构高度，故本桥采用钢横梁与混凝土墩柱固结的连接方式。

3 钢横梁门式墩设计

3.1 结构构造

本工程采用钢横梁与混凝土墩柱插入式固结方案，门式墩立面布置见图2。

图2 门式墩立面布置(单位：cm)

3.1.1 钢横梁

钢横梁采用单箱单室箱型截面，梁高为3.0 m，梁宽3.3 m。40号门式墩钢横梁顶底板厚度取20 mm，腹板厚度取20(36) mm(本文计算结果均以40号墩为例)。钢横梁腹板内设竖向加劲肋及纵向加劲肋，顶底板内侧设纵向加劲肋，横梁内每隔2 m左右设1道横隔板，并于支座位置设横隔板，横隔板间设竖向加劲肋。钢横梁标准断面见图3。

图3 钢横梁标准断面(单位：cm)

桥位处历年极端最低气温为-39.7～-39.8 ℃，为保证钢材低温性能，钢横梁选用Q345qE钢板。Q345qE钢材低温时效性能的主要工艺重点是在钢中添加Nb、V、AI微合金元素可细化晶粒、固定钢中自由氮并有良好的析出强化效果，能在保证最终强度的前提下大幅度提高低温时效性能。

为减小低温对结构影响，优化钢横梁节段，在满足运输前提下，仅在中间预留一道焊缝，其余均为厂制，焊缝须焊透，保证焊接质量和结构受力满足设计要求。

3.1.2 墩柱

墩柱采用矩形截面，纵向宽度为3.9 m，横向宽度为3.4 m，柱周采用R=25 cm的圆倒角。钢立柱内侧设置的竖向加劲肋，不仅可以加强钢结构和混凝土的连接，还能防止在灌注微膨胀混凝土的时候发生变形。钢立柱外侧设置焊钉，与外包钢筋混凝土连接，形成整体受力。墩柱截面见图4。

图4 钢立柱插入混凝土墩柱截面(单位：cm)

3.2 设计荷载

3.2.1 恒载

(1)结构自重：按照《铁路桥涵设计规范》(TB10002-2017)采用。

(2)梁部恒载：按“通桥(2016)2229-Ⅰ”采用。

(3)基础不均匀沉降：两墩柱底不均匀沉降按不大于0.5 cm考虑。

(4)混凝土收缩徐变：根据《铁路桥涵混凝土结构设计规范》(TB10092-2017)计算混凝土的收缩徐变。

3.2.2 活载

(1)列车荷载采用ZK活载。

(2)列车活载动力系数：按照《铁路桥涵设计规范》(TB10002-2017)中4.3.8条计算。

(3)横向摇摆力为130 kN，作为集中荷载取最不利的位置，以水平方向垂直于线路中心线作用于钢轨的顶面。

(4)长钢轨纵向水平力(伸缩力和挠曲力)：一股钢轨伸缩力暂取15 kN。

3.2.3 附加力

(1)制动力或牵引力：按照列车竖向静活载的10%计算，但当与离心力或者列车竖向动力作用同时计算时，制动力或牵引力按照列车竖向静活载的7%计算。

(2)结构温度变化:门式墩体系均匀温度变化按±50 ℃计算，钢横梁与混凝土墩柱温度差按±10 ℃计算。

(3)风力：按《铁路桥涵设计规范》(TB10002-2017)第4.4.1条计算。

3.2.4 特殊荷载

一股钢轨断轨力暂取248 kN。

3.2.5 特殊荷载运架梁荷载

待施工单位确定运架梁设备后，根据运架梁工况及荷载，分别验算钢横梁、立柱、承台、桩基。

3.3 荷载组合

荷载组合为：主力组合，恒载+活载+离心力+横向摇摆力+钢轨伸缩力或挠曲力；主+附组合，恒载+活载+离心力+横向摇摆力+钢轨伸缩力或挠曲力+风力+整体温度+制动力；主+特组合，恒载+一股钢轨断轨力+另一股钢轨伸缩力+活载+离心力+横向摇摆力。

4 计算结果

采用Midas软件建模进行结构分析，钢横梁及墩柱共离散为61个单元、54个节点，分别对钢横梁强度、刚度、稳定、疲劳进行检算。所建立模型如图5所示。

图5 计算模型

4.1 强度计算

根据《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10091-2017)对钢横梁结构进行检算，通过Midas计算软件模型得知钢横梁的最大弯矩为29 605.7 kN·m，最大剪力为18 969.0 kN。钢横梁强度计算结果如表3所示。

由计算结果可知，主力作用下正应力均小于

表3 钢横梁强度计算结果 MPa

Q345qE钢的轴向基本容许应力200 MPa，主+附作用下正应力均小于260 MPa(主+附组合下容许应力提高1.3倍)，两种荷载下剪应力均小于Q345qE钢的剪应力基本容许值120 MPa，满足规范要求。

4.2 钢横梁稳定验算

4.2.1 整体稳定性

由于钢横梁为箱形截面杆件，根据《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10091-2017)4.2.2条，计算公式：

式中：N为计算轴向力；Am为毛截面面积；M为构件中部1/3长度范围内最大计算弯矩；Wm为毛截面抵抗矩，中心受压杆件的容许应力折减系数φ1取0.9，容许应力折减系数φ2取1.0，考虑弯矩因构件受压而增大所引用的值μ1取1.0。经计算钢横梁最大应力σ=167.5 MPa<0.9[σ]=180 MPa，在满足强度要求的同时满足整体稳定。

4.2.2 钢横梁腹板局部稳定性

4.2.3 钢横梁顶板受压稳定性

钢横梁受压翼缘承载力受加劲板的刚度和局部稳定的影响较大，应力验算时必须加以考虑。受压加劲板的强度计算主要有容许应力法、换算压柱法、弹塑性有限元法和正交异形板法等。采用换算压柱法[4]计算钢横梁顶板的受压稳定性。经计算钢横梁顶板控制应力为182.0 MPa<200 MPa，满足规范要求。

4.3 局部承压计算

4.3.1 钢横梁吊装时钢柱

钢横梁吊装后钢柱底部承受钢横梁自重荷载，需检算其局部承压。经计算σ=3.14 MPa<200 MPa，远小于规范允许值。

4.3.2 钢横梁支座处

横梁与竖向加劲肋均在支座垫板范围内，计算如下：局部承压应力σ=65.46 MPa<200 MPa，满足规范要求；竖向应力σ=166.11 MPa<200 MPa，满足规范要求；竖向加劲肋宽厚比a=10.72≤12(《铁路桥梁钢结构设计规范》中8.0.5条规定支承加劲肋的伸出肢宽厚比不应大于12)，满足要求。

4.4 墩顶刚度

40号门式墩纵向水平刚度为1547 kN/cm>350 kN/cm(高速铁路墩台顶纵向水平线刚度限值)，满足规范要求。

4.5 疲劳计算

根据《铁路桥梁钢结构设计规范》 (TB10091-2017)4.3条的规定，凡承受动荷载重复作用的结构构件活连接应进行疲劳检算。钢横梁承受列车活载，按规范对其进行验算，γdγn(σmax-σmin)=47.6 MPa≤γt[σ0]=103.7 MPa，满足规范要求。式中：γd为多线桥的多线系数；γn为以受拉为主的构件的损伤修正系数；σmax、σmin为最大、最小应力；γt为板厚修正系数；[σ0]为疲劳容许应力幅。

5 新型防腐涂装体系

钢材具有自重轻、强度高等优点，但易锈蚀，铁路钢桥一旦出现锈蚀，会加速结构退化，影响结构使用年限。目前铁路钢桥防腐涂装一般采用第七套涂装体系，设计防护年限可达到25 a左右，而桥梁设计使用年限一般为100 a。在钢梁整个设计使用年限内，至少再需要进行3～4次大修维护涂装[5]。

严寒地区冬季极端负温、冻融、干湿循环，具有特殊的腐蚀环境，严重威胁钢桥的防腐涂层。综合考虑全寿命周期内的养护和维修成本，在设计阶段应多考虑一些措施和新材料、新工艺以提高结构的耐久性。

本工程对钢横梁外表面采用新型石墨烯氟碳超耐久防腐涂装体系，利用石墨烯对第七套防腐体系(环氧富锌防锈底漆+云铁环氧中间漆+氟碳漆面)的涂层材料和涂层结构进行改性，设计防护年限可以达到30～50 a，具有优异的耐腐蚀性能，可达到长久保护桥梁钢结构的目的，大大降低了钢桥涂装后期维护成本[6]。

6 结论

(1)通过比较得出，新建高速铁路桥梁与既有铁路小角度斜交时宜采用大跨度钢横梁门式墩，大跨度钢横梁门式墩具有结构形式简单、施工周期短、对铁路影响小等特点。

(2)以新建铁路铁力至伊春线跨绥佳铁路特大桥为例，利用有限元软件建模计算分析，钢横梁及墩柱各项计算结果均符合规范要求。

(3)本桥位于严寒地区，钢横梁采用Q345qE钢材及石墨烯氟碳超耐久防腐涂装体系，设计防护年限可以达到30～50 a，降低了钢桥涂装后期维护成本。