公铁混合布置大跨度斜拉桥主梁断面形式研究——以赣江公铁大桥西支主桥设计为例

郭安娜，王新国，崔苗苗，周 刚

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 项目概况

南昌扬子洲赣江公铁大桥位于南昌市既有英雄大桥下游6 km处,是京港高铁九江至南昌段和南昌市北二环跨赣江的共用通道,是一座集高速铁路、城市快速路、城市主干道3种交通方式于一体的公铁合建桥梁。公铁合建段起于金山大道,跨越赣江西支、穿越扬子洲、跨越赣江中支后,终于蒋巷西大道,全长4.957 km,如图1所示。

图1 赣江公铁大桥平面布置Fig.1 Layout plan of Ganjiang highway and railway bridge

赣江公铁大桥采用公铁混合布置,上层为双向8车道城市快速路,设计时速80 km;下层为双线高速铁路+双向4车道城市主干道,其中高速铁路设计时速350 km,城市主干道设计时速60 km。

赣江西支主桥为(48+144+320+144+48) m双塔竖琴索面半漂浮体系斜拉桥[1],全长705.7 m。立面位于6‰纵坡上,平面位于直线上。主桁采用“N”形桁式,标准节间长16 m,桁高13 m。如图2所示。

图2 西支斜拉桥总体布置(单位:m)Fig.2 General layout of Xizhi cable-stayed bridge (unit: m)

2 主梁断面设计方案

结合国内外已建和在建公铁合建斜拉桥截面形式[2-3],公铁分层合建斜拉桥采用的主梁形式主要有钢桁梁[4-5]和箱桁组合梁[6-8],桁片的数量有三桁和两桁。例如:沪苏通长江公铁大桥[9]主梁采用三片桁的钢桁梁结构,下层布置4线铁路,上层布置6车道公路;常泰长江大桥[10]主梁采用两片桁的钢桁梁结构,下层非对称布置2线铁路+4车道公路,上层布置6车道公路;商合杭高铁芜湖长江公铁大桥[11-14]采用箱桁组合结构钢梁,下层布置4线铁路,上层布置8车道公路。本项目采用上层8车道公路,下层对称双线铁路+4车道公路的混合布置形式,在国内外已建桥梁中尚属首例,需要研究一种桥梁断面既能满足功能布置、结构受力、高速列车线形要求,还要经济美观。

本桥下层采用公铁对称布置,铁路布置在中间,采用三桁断面需调整铁路线间距,对铁路平面线形影响较大;四桁断面,四片桁内力分配复杂,两桁带两竖杆断面,杆件数量多、施工流程复杂且上层桥面宽,空间浪费;推荐采用两桁断面形式,重点比选了两桁箱桁组合梁断面[4,9-10]和钢桁梁断面[1-4]。

2.1 主梁断面方案

2.1.1 带挑臂双索面箱桁组合断面(图3)

图3 带挑臂双索 面箱桁组合断面(单位:cm)Fig.3 Double cable surface box truss composite section with cantilever arm (unit: cm)

主梁采用两片桁结构,桁高13 m,桁间距15.9 m。下层采用钢箱结构,包括下弦杆在内,呈单箱多室截面,宽39 m,高2.3 m,斜拉索锚固在下层钢箱两侧,以承载荷载大的下层铁路钢箱梁作为主要受力结构;上层采用带挑臂的正交异性钢桥面板结构,宽33 m,高1.6 m。

2.1.2 带挑臂单索面箱桁组合断面(图4)

图4 带挑臂单索面箱桁组合断面(单位:cm)Fig.4 Single cable surface box truss composite section with cantilever arm (unit: cm)

主梁采用两片桁结构,桁高13 m,桁间距15.9 m。上下层采用带挑臂的钢箱梁,两片主桁由上弦杆、下弦杆、腹杆组成,上下弦杆既作为主桁传力结构,也作为上下层钢箱梁的腹板。为减小上层桥面宽度,避免分割车道,拉索拉在上层钢箱梁中间,减小桥面宽度。包括弦杆、锚固腹板在内,上层钢箱为带挑臂的单箱五室截面,宽36.6 m,高2.3 m;下层钢箱为带挑臂的单箱四室截面,宽35.5 m,高2.3 m。斜拉索锚固在上层钢箱中央。

2.1.3 矩形箱桁组合断面(图5)

图5 矩形箱桁组合断面(单位:cm)Fig.5 Rectangular box truss composite section (unit: cm)

主梁采用两片桁结构,桁高13 m,桁间距38.6 m,上下层同宽度,下层采用钢箱作为整体桥面,宽39.8 m,高2.2 m;上层采用正交异性整体钢桥面板,宽39.8 m,高1.6 m,上下桥面均参与主桁共同受力。斜拉索锚固在上层桥面两侧上弦杆。

2.1.4 矩形钢桁梁断面(图6)

图6 矩形钢桁梁断面(单位:cm)Fig.6 Section of rectangular steel truss beam (unit: cm)

主梁采用两片桁结构,桁高13 m,桁间距38.6 m,上下层同宽度,下层采用正交异形板,宽39.8 m,高1.8 m,梁端5个节间轨底小纵梁和节点横梁需加强。采用正交异形板,宽39.8 m,高1.6 m,上下桥面均参与主桁共同受力。斜拉索锚固在上层桥面两侧上弦杆。

2.2 主梁方案比选

4种断面中,方案三和方案四断面形式在已建桥梁中已经得到应用,方案一和方案二是首次提出,对这4种断面进行桥面布置、结构受力、经济性、运营安全、景观性综合比较,如表1所示。

表1 各方案主梁断面对比Table 1 Comparison of main beam sections of various schemes

桥面布置方面,方案三和方案四受下层空间布置要求,上层桥面宽39.8 m,上层桥面空间有浪费。

结构受力方面,4个方案竖向刚度及横向刚度均较大,方案一梁端转角和梁端竖向变形最小,无砟轨道适应性好;方案一和方案二腹杆面外弯矩最小,腹杆受力更合理,方案一双索面相比于方案二单索面一阶扭转频率更高。

经济性方面,方案一主梁和斜拉索数量最小,经济性好。

公铁运营安全方面,4个方案铁路中心线到公路路缘带边缘距离一致,方案一和方案二公铁物理分离,行车干扰相对最小。

景观性方面,方案一和方案二上下层公路行车视野好,景观性好。

综上所述,综合考虑结构受力特点、制造安装、景观、经济性等,斜拉桥主梁断面推荐采用方案一双索面带挑臂箱桁组合梁方案。

3 索梁锚固形式

目前斜拉桥常用的索梁锚固形式有锚拉板式[15-16]和钢锚箱式[17-19]两种。该桥单根斜拉索索力较大(单根斜拉索最大索力16 000 kN),对锚拉板和钢锚箱式两种构造形式进行比选研究。两种锚固形式对比见表2。

表2 索梁锚固形式对比Table 2 Comparison of cable beam anchorage forms

从表2中可以看出,钢锚箱索梁锚固形式利用多个传力板与双腹板结构传递索力,板件尺寸厚度更小,受力合理,应力水平低且经济性好,因此采用钢锚箱方案。

4 带挑臂箱桁组合断面设计

4.1 主梁构造

主梁为带挑臂箱桁组合结构,两片主桁,“N”形桁,桁间距16 m,主桁横向间距15.9 m,桁高13.0 m,上层桥面总宽33.0 m,下层桥面总宽39.0 m,横桥向设2%的“人”字形横坡。主梁断面见图7。

图7 带挑臂双索面箱桁组合断面(单位:cm)Fig.7 Double cable surface box truss composite section with cantilever arm (unit:cm)

主桁由上弦杆、下弦杆、斜腹杆等组成。其中上、下弦杆均采用箱形截面,上弦杆内宽1.2 m、内高1.6 m,下弦杆内宽1.2 m、内高2.3 m。斜腹杆和竖杆采用H形、“王”形或箱形截面,杆件内宽1.2 m。

上层公路桥面采用密横梁体系的正交异性钢桥面板结构,弦杆高1.6 m,两侧挑臂宽7.95 m,顺桥向每隔2.8 m/2.6 m设一道横梁。

下层桥面采用两侧带挑臂的整体钢箱结构,箱高2.3 m,中间钢箱宽15.9 m,两侧挑臂宽10.95 m,顺桥向每隔2.6 m/2.8 m设一道横隔板;斜拉索锚固在下层钢箱梁两侧,索梁锚固采用钢锚箱。

4.2.2 坚持正确舆论导向树立从医信心。各种医患关系都可能发生在医疗过程中，媒体在报道过程中，要从多方面进行医院和患者的沟通，为合理解决医患问题构建沟通的桥梁，减少各种医患纠纷造成的不良影响，坚持正确的舆论导向，对提高医学生从医信心会产生至关重要的作用。

4.2 主梁纵向计算结果

活载作用下主跨竖向挠跨比1/1 238,梁端转角为0.57‰rad。有车风作用下主梁横向位移32.2 mm,横向挠跨比1/9 936。活载作用下梁端钢轨处竖向位移0.71 mm。

主力作用下,上弦杆最大应力138 MPa,上层桥面系135 MPa,下弦杆129 MPa,下层桥面系142 MPa,腹杆183 MPa;主加附作用下,上弦杆最大应力161 MPa,上层桥面系154 MPa,下弦杆146 MPa,下层桥面系143 MPa,腹杆213 MPa。

4.3 主梁横梁检算

本桥主梁横向宽度达到了39.0 m,上层桥面挑臂长7.95 m,下层10.45 m,城市内超载车辆较多,需要对横向受力进行重点检算[18-19]。

4.3.1 横梁设计

上层悬挑结构悬臂长度为7.95 m,顺桥向每隔2.6 m/2.8 m设一道倒T形横肋(梁),节点横梁:挑臂横梁高1 000～1 600 mm,腹板厚20 mm,翼缘宽720 mm,厚32 mm。节间横梁:挑臂横梁高1 000～1 600 mm,腹板厚16 mm,翼缘宽560 mm,厚28 mm。

中间桥面采用整体钢箱,顶板厚度16 mm,U肋加劲,底板厚度16 mm,I肋加劲,横隔板16 mm。

4.3.2 计算模型

4.3.3 计算结果

(1)上横梁

在挑臂上作用超载车辆,上层挑臂下挠23.9 mm,设计荷载车辆作用下,下挠11.2 mm,桁架中间横梁下挠3.3 mm。上横梁竖向位移见表3。

表3 上横梁竖向位移 mmTable 3 Vertical displacement of upper crossbeam

在超载车辆作用下,上横梁最大应力164 MPa,设计荷载作用下应力为140.2 MPa。上横梁应力见表4。

表4 上横梁应力水平 MPaTable 4 Stress level of upper crossbeam

(2)下横梁

下层桥面板斜拉索处约束在活载作用下,跨中下挠19.0 mm,支座处约束在活载作用下,跨中下挠1.65 mm,汽车设计活载作用下,挑臂下挠4.6 mm。下横梁竖向位移见表5。

下横隔板在恒载+超载车辆作用下最大应力为163.5 MPa,在恒载+设计荷载作用下应力为153.3 MPa。下横梁应力水平见表6。

表6 下横梁应力水平 MPaTable 6 Stress level of lower crossbeam

该桥梁主梁断面强度、刚度满足规范要求。

5 结语

赣江公铁两用大桥西支主桥为(48+144+320+144+48) m双塔竖琴索面半漂浮体系斜拉桥,该桥上层布置8车道公路,下层对称布置双线铁路+4车道公路,这种车道布置形式在国内外已建桥梁中尚属首例,为选择合理主梁断面形式,开展断面形式研究并得出以下结论。

(1)带挑臂双索面箱桁组合断面桥面空间布置合理、下层公铁行车干扰小、梁端竖向变形最小、经济性好,是一种适应公铁混合布置大跨度斜拉桥主梁断面形式。

(2)该桥斜拉索最大索力16 000 kN,锚固在下层钢箱梁两侧,钢锚箱形式更适应于该主梁断面。

(3)通过结构构造设计、纵横向计算分析,带挑臂双索面箱桁组合断面强度、刚度满足规范要求。