跨蘭西高速公路特大橋主橋連續(xù)梁-鋼桁組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蓋小紅

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

蘭新第二雙線自甘肅蘭州至新疆烏魯木齊,跨蘭西高速特大橋位于青海省西寧市,距新西寧站約2 km,為跨越蘭西高速公路而設(shè)。橋位處蘭西高速與新建鐵路夾角20°,高速公路為瀝青路面雙向四車(chē)道,寬度26 m,同時(shí)受西寧站站坪高度和韻家口隧道埋深的限制,線路高程不能抬高,而橋下凈空要求不小于5.5 m,為滿足高速公路限界要求,需采用主跨160 m以上且建筑高度較低的橋梁結(jié)構(gòu)。經(jīng)方案比選,結(jié)構(gòu)采用一聯(lián)(80+168+80) m連續(xù)梁-鋼桁組合結(jié)構(gòu),主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,在主跨156 m范圍內(nèi)設(shè)置無(wú)豎桿三角桁加勁鋼桁。橋梁總體布置見(jiàn)圖1,橋梁效果圖見(jiàn)圖2。

圖1 橋梁立面布置(單位:cm)

圖2 主橋效果圖

2 連續(xù)梁-鋼桁組合結(jié)構(gòu)方案的提出

為保證高速行車(chē),高等級(jí)鐵路對(duì)軌道平順度要求很高,由于無(wú)砟軌道的可調(diào)整量非常小,這就對(duì)橋梁的剛度及附加變形控制提出了更高的要求。連續(xù)梁-鋼桁組合結(jié)構(gòu)為一種新型橋梁形式,由主要承重結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土梁和加勁鋼桁梁組合而成,與梁式橋相比,結(jié)構(gòu)整體剛度大幅提高,結(jié)構(gòu)徐變變形明顯減小,極大改善梁端轉(zhuǎn)角。與梁-拱組合結(jié)構(gòu)相比,由于加勁桁為平弦結(jié)構(gòu),因此溫度引起的附加變形明顯減小,而且由于橋下凈空較低,如果采用連續(xù)梁加拱的結(jié)構(gòu),則拱肋矢高將達(dá)30 m以上,從橋梁美學(xué)角度來(lái)說(shuō)顯得頭重腳輕,與周?chē)坝^協(xié)調(diào)性差。加勁鋼桁梁鋼桁架沿縱橋向?qū)α翰繉?shí)施的局部加強(qiáng),正好彌補(bǔ)了T構(gòu)或連續(xù)梁截面高度大幅變小區(qū)域豎向剛度不足的弱點(diǎn),使整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的豎向剛度變化趨于一致,滿足了特殊橋位對(duì)跨度和凈空的雙重要求。在高速鐵路需大跨跨越且結(jié)構(gòu)高度受限的環(huán)境中有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。梁高和跨度相同時(shí),連續(xù)梁-鋼桁組合結(jié)構(gòu)與連續(xù)梁的剛度比較見(jiàn)表1。

表1 連續(xù)梁-鋼桁組合結(jié)構(gòu)與連續(xù)梁剛度比較

3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及建筑材料

3.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級(jí)：Ⅰ級(jí);

(2)雙線鐵路橋,位于R=7 000 m的曲線,線間距5.0 m;

(3)軌道類(lèi)型：雙塊式無(wú)砟軌道;

(4)速度目標(biāo)值： 200 km/h,線下預(yù)留提速至250 km/h的條件;

(5)建筑限界：《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(試行);

(6)設(shè)計(jì)活載： ZK活載。

(7)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100年；

(8)橋址處的地震動(dòng)峰值加速度值為0.1g,相當(dāng)于地震基本烈度7度,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.45 s；

(9)環(huán)境類(lèi)別及作用等級(jí)：梁部結(jié)構(gòu)環(huán)境類(lèi)別為碳化環(huán)境,作用等級(jí)為T(mén)2。

3.2 主要建筑材料

(1)混凝土：主梁有節(jié)點(diǎn)梁段及0號(hào)梁段混凝土采用C55聚丙烯纖維混凝土,

(2)鋼絞線：箱梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用φS15.20 mm、豎向預(yù)應(yīng)力鋼束采用φS28.6 mm,標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860 MPa、低松弛鋼絞線。

(3)鋼材：鋼桁梁的主桁采用Q370qE級(jí)鋼。高強(qiáng)螺栓采用M24、M27的10.9S級(jí)高強(qiáng)度螺栓；M24材質(zhì)為20MnTiB,M27材質(zhì)為35VB。

4 主橋結(jié)構(gòu)構(gòu)造

主橋一聯(lián)(80+168+80)m連續(xù)梁-鋼桁組合結(jié)構(gòu),全橋位于R=7 000 m的曲線及7.5%的下坡道上,全聯(lián)箱梁均按照曲線梁設(shè)計(jì),中跨鋼桁按直線節(jié)間折線布置。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁, 在主跨156 m范圍內(nèi)設(shè)置無(wú)豎桿三角桁加勁鋼桁,下節(jié)點(diǎn)采用PBL剪力鍵與梁體連接。跨中橫截面布置見(jiàn)圖3。

圖3 主梁支點(diǎn)及跨中截面(單位:cm)

4.1 主梁構(gòu)造

主梁全長(zhǎng)329.5 m,梁體采用單箱雙室變高度箱形截面,邊跨及中跨直線段梁高5.0 m,中支點(diǎn)處梁高11 m,梁底緣按1.8次拋物線變化,拋物線方程為：y=0.003 365 327 1x1.8。主梁頂板全梁等寬15.2 m,頂板厚0.5 m,底寬11.6 m。底板厚度由0.5 m變化至1.2 m,腹板厚度由0.45 m漸變到0.9 m,并在中支點(diǎn)根部一定范圍內(nèi)加厚到1.5 m。主梁橫截面見(jiàn)圖3。

4.2 加勁鋼桁

加勁鋼桁為整體節(jié)點(diǎn)無(wú)豎桿三角形桁,橫橋向設(shè)在行車(chē)道外側(cè)設(shè)2榀鋼桁,桁中心距11.2 m,桁高12 m,節(jié)間長(zhǎng)度采用12 m,全橋13個(gè)節(jié)間。主桁構(gòu)造見(jiàn)圖4。

圖4 主桁構(gòu)造(單位:cm)

主桁弦桿采用等高度焊接箱形截面,弦桿內(nèi)寬為750 mm,豎板高度1 000 mm,板厚24～36 mm。腹桿采用“H”形截面,高700 mm,外寬750 mm,板厚20～24 mm。弦桿及腹桿構(gòu)造見(jiàn)圖5，主桁弦桿及腹桿的連接采用M27的高強(qiáng)度螺栓。

圖5 弦桿及腹桿構(gòu)造(單位:mm)

主桁上、下節(jié)點(diǎn)均采用整體節(jié)點(diǎn)形式,其中下節(jié)點(diǎn)埋入梁體68～80 cm,采用PBL剪力鍵與梁體連接。上平縱聯(lián)與整體節(jié)點(diǎn)連接螺栓采用M24的高強(qiáng)度螺栓。弦桿采用四面拼接,腹桿采用兩面拼接。主桁弦桿及腹桿的連接采用M27高強(qiáng)度螺栓。主梁與鋼桁的連接構(gòu)造見(jiàn)圖6。

圖6 主梁與鋼桁連接構(gòu)造(單位:mm)

鋼桁兩端斜桿上設(shè)有斜向橋門(mén)架,橋門(mén)架為板式結(jié)構(gòu),其構(gòu)件焊于上平縱聯(lián)支桿和端斜桿上。

5 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 縱向平面靜力計(jì)算分析

縱向平面靜力分析采用西南交大“橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)BSAS”,按照主橋梁部的實(shí)際構(gòu)造進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散,梁部劃分單元124個(gè)、節(jié)點(diǎn)125個(gè),鋼桁共38單元,鋼桁與梁采用剛臂連接。并依據(jù)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度進(jìn)行驗(yàn)算。主要計(jì)算結(jié)果如下。

(1)主梁

主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件,施工階段及運(yùn)營(yíng)階段計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可以看出,主梁強(qiáng)度及剛度均滿足規(guī)范要求。

(2)鋼桁

計(jì)算出鋼桁桿件軸力并考慮節(jié)點(diǎn)剛性引起的次應(yīng)力后進(jìn)行檢算。計(jì)算結(jié)果為弦桿最大壓應(yīng)力σmax=-155.0 MPa,腹桿最大壓應(yīng)力σmax=-156.1 MPa, 均滿足Q370qE級(jí)鋼材的基本容許應(yīng)力。

高強(qiáng)螺栓容許荷載按下式計(jì)算

P=mч0N/K

表2 主梁計(jì)算結(jié)果

注：表中L為橋梁中跨或邊跨跨度,mm。

式中P——高強(qiáng)螺栓容許荷載，kN；

m——高強(qiáng)螺栓連接處的抗滑面數(shù)；

ч0——高強(qiáng)螺栓連接的鋼材表面抗滑移系數(shù)；

N——M24高強(qiáng)螺栓設(shè)計(jì)預(yù)拉力N=240 kN,M27高強(qiáng)螺栓設(shè)計(jì)預(yù)拉力N=290 kN；

K——安全系數(shù),取1.7。

PBL剪力鍵是一種應(yīng)用于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的新型剪力連接件。這種連接件的基本形式是在鋼板上開(kāi)孔后澆筑混凝土,利用穿過(guò)孔中的混凝土榫來(lái)抵抗剪力流,若在鋼板孔中穿受力鋼筋可以進(jìn)一步提高其承載力。剪力連接件在混凝土中受力較為復(fù)雜,除理論分析外,還須通過(guò)大量的試驗(yàn)來(lái)確定其承載力。

5.2 空間結(jié)構(gòu)分析

橋梁采用多自由度有限元模型,以空間梁?jiǎn)卧獮榛締卧?墩梁間支座的約束條件通過(guò)主從節(jié)點(diǎn)處理,基礎(chǔ)剛度以承臺(tái)底位置處的等效彈簧剛度模擬,二期恒載取為140 kN/m,作為均布質(zhì)量分配到梁部結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的單元中。動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

5.3 車(chē)橋耦合動(dòng)力分析

列車(chē)模型是由多節(jié)機(jī)車(chē)和車(chē)輛組成的列車(chē)。每節(jié)車(chē)輛(機(jī)車(chē))都是由車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)、彈簧和阻尼器組成的多自由度空間振動(dòng)系統(tǒng)。分析結(jié)果表明,本橋最大垂向振動(dòng)加速度為0.300 m/s2,遠(yuǎn)小于0.35g,最大橫向振動(dòng)加速度為0.196 m/s2,遠(yuǎn)小于0.14g,主梁跨中最大橫向動(dòng)位移為0.403 mm,鋼桁上弦最大橫向動(dòng)位移為0.806 mm,墩頂最大橫向動(dòng)位移為0.349 mm,跨中最大動(dòng)撓度為10.296 mm,動(dòng)力系數(shù)最大為1.211,可認(rèn)為無(wú)共振現(xiàn)象,橋梁的動(dòng)力響應(yīng)均滿足要求。當(dāng)?shù)聡?guó)ICE3高速列車(chē)、國(guó)產(chǎn)高速列車(chē)、日本500系車(chē)以及CRH2動(dòng)車(chē)組通過(guò)橋梁時(shí),所有計(jì)算工況下的輪重減載率、脫軌系數(shù)和輪軸橫向力均小于限值,行車(chē)安全性滿足要求。當(dāng)采用德國(guó)低干擾譜,國(guó)產(chǎn)高速列車(chē)和德國(guó)ICE3高速列車(chē)以速度250～420 km/h通過(guò)橋梁時(shí),所有工況下乘坐舒適度達(dá)到優(yōu)或良,當(dāng)日本500系高速列車(chē)以速度250～420 km/h通過(guò)橋梁時(shí),除400 km/h及以上車(chē)速時(shí)乘坐舒適度為合格外,其他所有工況下列車(chē)乘坐舒適度為良。總之本結(jié)構(gòu)滿足中速客車(chē)在160～250 km/h和高速客車(chē)在250～420 km/h范圍內(nèi)安全舒適運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

蘭西高速特大橋主橋采用一聯(lián)(80+168+80)m連續(xù)梁-鋼桁組合結(jié)構(gòu),該橋結(jié)構(gòu)新穎、建筑高度低、跨越能力大,結(jié)構(gòu)分析結(jié)果也表明,該橋式結(jié)構(gòu)剛度大,動(dòng)力性能優(yōu)越,適用于對(duì)軌道平順度要求高、無(wú)砟軌道的可調(diào)整量小的高等級(jí)鐵路。另外由于本橋?yàn)橐环N新型的橋梁結(jié)構(gòu),在施工過(guò)程中應(yīng)該重視鋼結(jié)構(gòu)制造及安裝、下節(jié)點(diǎn)精確定位、橋梁施工線形控制、大噸位掛籃、下節(jié)點(diǎn)摩擦面防護(hù)等關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題。

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