昌九高铁扬子洲赣江公铁合建连续钢桁梁桥设计研究

黄 振

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063; 2.中国铁建股份有限公司桥梁工程实验室,武汉 430063)

1 概述

随着我国对基建投入的继续加大,高速铁路公铁合建的桥梁势必会增加[1-2]。连续钢桁梁桥具有刚度大[3-5]、通行能力强、构造简单及施工快速等诸多优点,是国内外中小跨径公铁合建桥梁的常用桥型[6-9]。南昌扬子洲赣江公铁大桥跨赣江中支主桥(以下简称“赣江中支主桥”)采用上、下层带挑臂的大跨度平行弦连续钢桁梁桥,高速铁路与公路双层合建,为国内外首次。以该桥为研究对象,总结本桥的设计经验,为类似工程提供参考。

2 工程概况

南昌扬子洲赣江公铁大桥全长18.9 km,跨赣江西支水道、赣江中支水道与北二环共建,采用公铁分层合建方案。其中,赣江中支主桥采用(78+134+152+134+78) m连续钢桁梁桥方案,全长577.7 m(梁端0.85 m),立面位于3.5‰纵坡上,小里程侧113.2 m范围平面位于曲线上。

桥面上层布置双向8车道城市快速路,设计速度为80 km/h,荷载等级为城—A级。桥面下层布置双向4车道城市主干路+双线高速铁路,其中城市主干路设计速度为60 km/h,荷载等级为城—A级;昌九高铁设计速度为350 km/h,线间距5 m,轨道形式为CRTSⅠ型双块式无砟轨道,荷载等级为ZK活载。

3 总体设计

赣江中支水道为规划的Ⅲ级航道,根据通航要求,跨赣江中支采用单孔双向通航,通航孔跨度≮152 m,根据防洪要求桥墩阻水比≯5%。针对主跨152 m公铁合建桥梁,适用的桥型有矮塔斜拉桥、拱桥及连续钢桁梁桥,其中连续钢桁梁桥具有刚度大、造价经济等优点,推荐采用连续钢桁梁桥。

结合堤防安全、通航、防洪及结构受力需要,赣江中支主桥孔跨布置为(78+134+152+134+78) m,小里程侧水中引桥孔跨布置为(50+56+50) m+3×49 m,大里程侧水中引桥孔跨布置为(3×60) m+(48+60+48) m,主桥采用连续钢桁梁,引桥采用双层连续梁,经济性较好。赣江中支主桥桥式方案立面如图1所示。

图1 赣江中支主桥桥式方案立面(单位:m)Fig.1 Elevation of the main bridge type scheme for Ganjiang middle branch (Unit: m)

大跨径连续钢桁梁桥可采用增设上部或者下部加劲结构以提高跨越能力[10-11]。根据以上桥跨布置,针对主梁形式研究比选了斜拉索加劲钢桁连续梁、刚性悬索加劲钢桁连续梁、上变高加劲钢桁连续梁、下变高加劲钢桁连续梁及平行弦钢桁连续梁,见表1。其中,平行弦钢桁连续梁造型简洁美观、行车视野好、构造简单及施工快速,最终推荐采用(78+134+152+134+78) m平行弦钢桁连续梁。

表1 赣江中支主桥桥型比选Tab.1 Comparison and selection of bridge types for Ganjiang middle branch main bridge

4 桥梁横断面形式研究

根据以上桥面布置要求,研究了4种桥梁横断面形式:带双层挑臂钢桁梁断面、带双层挑臂箱桁组合截面、矩形钢桁梁断面、矩形箱桁组合断面。4种方案的上桥面系均采用密横梁形式的正交异性板体系;下桥面系分为钢箱桁组合体系及正交异性板体系,其中,带双层挑臂箱桁组合截面为主桁之间采用钢箱体系,挑臂处采用正交异性板体系。赣江中支主桥横断面方案见图2。

图2 赣江中支主桥横断面方案(单位:m)Fig.2 Cross section scheme of Ganjiang middle branch main bridge (unit: m)

研究表明,采用矩形钢桁梁断面或矩形箱桁组合断面时,由于横梁跨度大,下层列车活载作用下存在较大的竖向变形,难以适应梁端部轨道形位要求,需要在梁端部横梁中间位置设置竖向支座,如图3所示。同时,由于设置竖向支座,将导致梁端部活载转角进一步增大而超过限值,进而需要将端部局部区域范围横梁及轨道下小纵梁加强以降低活载转角。矩形断面由于横向跨度大,腹杆面外弯矩、横梁弯矩等受力均较大,从而增加了此部分的用钢量。相比矩形断面,帯挑臂的钢桁梁断面结构整体性更好,主桁对轨道处桥面系的约束强,因此无需另设其他措施以解决梁端转角等问题。

图3 矩形断面梁端竖向限位支座(单位:m)Fig.3 Vertical limit support at the end of rectangular cross-section beam (unit: m)

图4、图5分别为矩形钢桁梁断面、带双层挑臂钢桁梁断面墩顶处上层桥面纵向正应力横向分布曲线。

图4 矩形钢桁梁断面墩顶处上层桥面纵向正应力横向分布曲线Fig.4 Horizontal distribution curve of longitudinal normal stress on the upper deck of a rectangular steel truss beam at the top of the pier section

图5 带双层挑臂钢桁梁断面墩顶处上层桥面纵向正应力横向分布曲线Fig.5 Horizontal distribution curve of longitudinal normal stress on the upper bridge deck at the top of the pier section of a double decker cantilever steel truss beam

根据剪力滞系数定义式[12-13]:λ=σ/σ0。墩顶位置上层桥面,矩形钢桁梁断面滞系数λ=2.02,带双层挑臂钢桁梁断面滞系数λ=1.49。可知,带双层挑臂钢桁梁断面应力分布更加均匀,其桥面板参与到纵向受力的有效宽度更多,进而在一定程度上能提高桥梁的跨越能力。

表2是赣江中支主桥横断面各方案的综合比较,可以看出,带双层挑臂钢桁梁断面具有受力状态合理,结构整体性好、刚度大、工程经济、技术难度相对较低、施工难度小、施工周期短等优点,因此作为推荐方案。

表2 赣江中支主桥横断面方案比较Tab.2 Comparison of cross section plans for Ganjiang middle branch main bridge

5 桁架结构体系研究

(1)桁高

主梁桁高主要受行车净空、横向杆件受力、主桥横竖向刚度和节点构造细节控制。钢桁梁桁高增加可以提高桥梁竖向刚度;同时桁高增加,主桁横向受风面积增大,对横向刚度不利[14]。国内部分已建大跨径铁路、公铁两用连续钢桁梁桥的桁高为14～16 m[2]。

本桥与引桥桥面对应,根据引桥建筑高度,上层桥面顶至铁路轨面处高度为11.796 m,考虑桥梁相应的结构高度,主桁中心计算高度为12.7 m,该桁高相对常规桁高偏低。以下分别以12.7,14 m和15 m桁高进行计算分析,对比结果如表3所示。

表3 桁高计算结果对比Tab.3 Comparison of beam height calculation results

由表3可知,桁高变化基本不影响总体受力;桁架高越高梁端转角越小,主跨刚度越大;桁高加高能降低上下弦轴力,相应减少上下弦杆用钢量,腹杆由于加长而增加用钢量,因此主桥主桁经济性存在一定的经济高度范围,但是桁高增加势必增加引桥工程数量。本桥考虑到12.7 m桁高梁端转角和主跨刚度均满足设计要求,且能降低两层桥面之间的高差,从而降低引桥工程造价。同时,为保持全桥上下层桥面间距统一,与引桥保持顺接,最终确定本桥采用的桁高为12.7 m。

(2)桁式

目前钢桁梁常用桁型主要有华伦桁架、三角桁架和N形桁架[15]。

计算分析表明,这几种桁架形式的区别只是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。三角形桁架和N形桁架有更简洁的线条外形,在现代桁架桥中应用比较广泛;而且桁架节点所接杆件少,对桁架制作提供了有利条件。对于无竖杆的三角桁架,由于缺少竖杆,横向门架和横联设计较为困难。综合以上特点,从景观、构造等角度出发,本桥采用三角形桁架方案。

6 内力分布规律研究

为揭示带双层挑臂钢桁梁断面连续钢桁梁的内力分布规律,建立了板壳单元模型,开展墩顶及跨中位置上下层桥面系中不同构件的纵向轴力分布研究,计算结果如表4所示。

表4 桥面系构件轴力分配Tab.4 Axial force distribution of bridge deck system components

研究表明,上下层桥面系中纵向轴力的分配存在以下规律:(1)墩顶处上层桥面系,轴力主要由上层桥面板承担,占比61.4%,上弦杆为36.8%;(2)墩顶处下层桥面系,轴力主要由下弦杆承担,占比72.5%,下桥面占比为15.3%,由于墩顶处下弦杆受支反力存在较大的负弯矩,从而导致顶板存在一定拉应力区域,该拉应力与全桥体系的压应力叠加,进而降低了下桥面的纵向应力;(3)跨中处上层桥面系,轴力主要由上层桥面板承担,占比68.7%,上弦杆为27.5%;(4)跨中处下层桥面系,轴力主要由下层桥面板承担,占比60.0%,下弦杆为25.4%;(5)上下层边纵梁及铁路轨道下纵梁参与轴力分配较小,最大值分别为4.1%、10.5%。

7 桥面系应力分布研究

主力组合作用下,带双层挑臂钢桁梁桥跨中桥面及墩顶处下层桥面纵向正应力分布如图6～图8所示。结合图5及图6～图8结果表明:墩顶及跨中处桥面纵向正应力分布较为不均匀,墩顶下层桥面纵向应力不均匀程度最大,下桥面系由于在支点处存在较大弯曲应力,从而出现较大的应力突变;上、下层桥面板纵向应力大小为:弦杆处应力>桥面中央(或者轨道处)应力>挑臂端部应力。

图6 跨中处上层桥面纵向正应力横向分布Fig.6 Horizontal distribution of longitudinal normal stress on the upper deck of the mid span bridge

图7 跨中处下层桥面纵向正应力横向分布Fig.7 Horizontal distribution of longitudinal normal stress on the lower deck of the mid span bridge

图8 墩顶处下层桥面纵向正应力横向分布Fig.8 Horizontal distribution of longitudinal normal stress on the lower deck at the top of the pier

结合以上应力分布图,得到带双层挑臂钢桁梁断面关键位置剪力滞系数,如表5所示。其中,墩顶下桥面处桥面板应力分布不均匀,但应力水平低,不控制桥面板的设计,此处未列举该处剪力滞系数。从表中可知,剪力滞系数为:墩顶上桥面>跨中下桥面>跨中上桥面,设计中应加强以上位置桥面板的结构设计。

表5 桥面系剪力滞系数Tab.5 Shear lag coefficient of bridge deck system

8 静动力分析结果

根据以上确定的桥梁方案,桥梁静动力分析结果如下。

(1)刚度

在汽车和列车活载最大偏载作用下主梁竖向挠度为62 mm,挠跨比为1/2 451;横向变形挠跨比为1/9 268。

活载梁端转角为0.88‰rad;在汽车和列车活载最大偏载作用下,3 m长度的一线两根钢轨竖向相对变形为0.1 mm<1.5 mm。各项刚度满足设计要求。

(2)结构受力

主力+附加力荷载作用下,结构应力结果如表6所示,各项应力结果满足要求。

表6 主力+附加力结构应力 MPaTab.6 Main force+additional force structural stress

(3)稳定性

稳定性分析表明:恒载+活载作用下,屈曲模态为腹杆纵桥向失稳;特征值:41.2>4.0,满足稳定性要求。

(4)轨道线形分析

开展了桥面30,60,300 m弦测高低不平顺校核[16],结论如下。

30 m弦测高低不平顺值Δ=0.4 mm<2 mm,满足要求。60 m弦测高低不平顺值Δ=2 mm<7 mm,满足要求。300 m弦测高低不平顺值Δ=2.8 mm<10 mm,满足要求。

(5)风-车-桥耦合分析

计算采用基于多体系统动力学和有限元法结合的联合仿真技术[17-20],列车选用CRH2动车组,采用美国6级轨道谱作为轨道激励,仿真计算了CRH2动车组在有横风作用(风速20～30 m/s)和无横风作用下列车以不同速度(300～400 km/h)通过桥梁时的动力响应结果。车辆评价如表7所示。

表7 赣江中支主桥车辆响应评定Tab.7 Vehicle response evaluation of Ganjiang middle branch main bridge

研究表明:在考虑横向风荷载(风速20～30 m/s时)作用下,当CRH列车组以3种不同的车速(300,350 km/h和400 km/h)通过桥梁时,桥梁结构的横向挠跨比、竖向挠跨比、横向加速度及竖向加速度均满足要求;车辆的脱轨系数、轮重减载率、轮对横向力、横向及竖向加速度均满足要求。

9 结论

赣江中支主桥采用主跨152 m公铁混层合建连续钢桁梁桥,为世界首座高速铁路公铁合建采用带上下层挑臂的大跨径连续钢桁梁桥,实现了多通道合建的使用功能。针对该桥低桁高、平行弦、跨度大、桥面宽及新型截面的结构特点,以及行车刚度适应性等问题,开展了分析研究。主要结论如下。

(1)结合该桥多通道合建的使用功能要求,深入研究4种截面形式,提出带双层挑臂连续钢桁梁桥截面形式。研究表明,带双层挑臂的钢桁梁断面为公铁合建桥的适宜断面形式。

(2)针对带双层挑臂连续钢桁梁桥,开展内力分布规律研究,得出了不同截面桥面系的内力分配规律,为设计提供指导。

(3)针对带双层挑臂连续钢桁梁桥,开展桥面系应力状态研究,得到剪力滞效应系数:墩顶上桥面(1.49)>跨中下桥面(1.38)>跨中上桥面(1.13)。

(4)针对带双层挑臂公铁合建连续钢桁梁桥,开展静动力特性研究并进行了车桥耦合分析。结果表明,带双层挑臂的平行弦连续钢桁梁桥能满足时速350 km公铁合建桥的行车运行要求,结构静动力性能良好,适用跨径能达150 m及以上。