跨蘭西高速公路特大橋主橋連續梁-鋼桁組合結構設計

蓋小紅

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,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。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道,寬度26 m,同時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構。經方案比選,結構采用一聯(80+168+80) m連續梁-鋼桁組合結構,主梁為預應力混凝土連續梁,在主跨156 m范圍內設置無豎桿三角桁加勁鋼桁。橋梁總體布置見圖1,橋梁效果圖見圖2。

圖1 橋梁立面布置(單位:cm)

圖2 主橋效果圖

2 連續梁-鋼桁組合結構方案的提出

為保證高速行車,高等級鐵路對軌道平順度要求很高,由于無砟軌道的可調整量非常小,這就對橋梁的剛度及附加變形控制提出了更高的要求。連續梁-鋼桁組合結構為一種新型橋梁形式,由主要承重結構預應力混凝土梁和加勁鋼桁梁組合而成,與梁式橋相比,結構整體剛度大幅提高,結構徐變變形明顯減小,極大改善梁端轉角。與梁-拱組合結構相比,由于加勁桁為平弦結構,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,如果采用連續梁加拱的結構,則拱肋矢高將達30 m以上,從橋梁美學角度來說顯得頭重腳輕,與周圍景觀協調性差。加勁鋼桁梁鋼桁架沿縱橋向對梁部實施的局部加強,正好彌補了T構或連續梁截面高度大幅變小區域豎向剛度不足的弱點,使整個橋梁結構的豎向剛度變化趨于一致,滿足了特殊橋位對跨度和凈空的雙重要求。在高速鐵路需大跨跨越且結構高度受限的環境中有較為明顯的優勢。梁高和跨度相同時,連續梁-鋼桁組合結構與連續梁的剛度比較見表1。

表1 連續梁-鋼桁組合結構與連續梁剛度比較

3 主要技術標準及建筑材料

3.1 主要技術標準

(1)鐵路等級：Ⅰ級;

(2)雙線鐵路橋,位于R=7 000 m的曲線,線間距5.0 m;

(3)軌道類型：雙塊式無砟軌道;

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

(5)建筑限界：《高速鐵路設計規范》(試行);

(6)設計活載： ZK活載。

(7)主體結構設計使用年限為100年；

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

(9)環境類別及作用等級：梁部結構環境類別為碳化環境,作用等級為T2。

3.2 主要建筑材料

(1)混凝土：主梁有節點梁段及0號梁段混凝土采用C55聚丙烯纖維混凝土,

(2)鋼絞線：箱梁縱向預應力鋼束采用φS15.20 mm、豎向預應力鋼束采用φS28.6 mm,標準強度fpk=1 860 MPa、低松弛鋼絞線。

(3)鋼材：鋼桁梁的主桁采用Q370qE級鋼。高強螺栓采用M24、M27的10.9S級高強度螺栓；M24材質為20MnTiB,M27材質為35VB。

4 主橋結構構造

主橋一聯(80+168+80)m連續梁-鋼桁組合結構,全橋位于R=7 000 m的曲線及7.5%的下坡道上,全聯箱梁均按照曲線梁設計,中跨鋼桁按直線節間折線布置。主梁為預應力混凝土連續梁, 在主跨156 m范圍內設置無豎桿三角桁加勁鋼桁,下節點采用PBL剪力鍵與梁體連接。跨中橫截面布置見圖3。

圖3 主梁支點及跨中截面(單位:cm)

4.1 主梁構造

主梁全長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,并在中支點根部一定范圍內加厚到1.5 m。主梁橫截面見圖3。

4.2 加勁鋼桁

加勁鋼桁為整體節點無豎桿三角形桁,橫橋向設在行車道外側設2榀鋼桁,桁中心距11.2 m,桁高12 m,節間長度采用12 m,全橋13個節間。主桁構造見圖4。

圖4 主桁構造(單位:cm)

主桁弦桿采用等高度焊接箱形截面,弦桿內寬為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。弦桿及腹桿構造見圖5，主桁弦桿及腹桿的連接采用M27的高強度螺栓。

圖5 弦桿及腹桿構造(單位:mm)

主桁上、下節點均采用整體節點形式,其中下節點埋入梁體68～80 cm,采用PBL剪力鍵與梁體連接。上平縱聯與整體節點連接螺栓采用M24的高強度螺栓。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高強度螺栓。主梁與鋼桁的連接構造見圖6。

圖6 主梁與鋼桁連接構造(單位:mm)

鋼桁兩端斜桿上設有斜向橋門架,橋門架為板式結構,其構件焊于上平縱聯支桿和端斜桿上。

5 主橋結構設計

5.1 縱向平面靜力計算分析

縱向平面靜力分析采用西南交大“橋梁結構分析系統BSAS”,按照主橋梁部的實際構造進行結構離散,梁部劃分單元124個、節點125個,鋼桁共38單元,鋼桁與梁采用剛臂連接。并依據規范對結構的強度及剛度進行驗算。主要計算結果如下。

(1)主梁

主梁為預應力混凝土受彎構件,施工階段及運營階段計算結果見表2。從表2中可以看出,主梁強度及剛度均滿足規范要求。

(2)鋼桁

計算出鋼桁桿件軸力并考慮節點剛性引起的次應力后進行檢算。計算結果為弦桿最大壓應力σmax=-155.0 MPa,腹桿最大壓應力σmax=-156.1 MPa, 均滿足Q370qE級鋼材的基本容許應力。

高強螺栓容許荷載按下式計算

P=mч0N/K

表2 主梁計算結果

注：表中L為橋梁中跨或邊跨跨度,mm。

式中P——高強螺栓容許荷載，kN；

m——高強螺栓連接處的抗滑面數；

ч0——高強螺栓連接的鋼材表面抗滑移系數；

N——M24高強螺栓設計預拉力N=240 kN,M27高強螺栓設計預拉力N=290 kN；

K——安全系數,取1.7。

PBL剪力鍵是一種應用于鋼-混凝土組合結構的新型剪力連接件。這種連接件的基本形式是在鋼板上開孔后澆筑混凝土,利用穿過孔中的混凝土榫來抵抗剪力流,若在鋼板孔中穿受力鋼筋可以進一步提高其承載力。剪力連接件在混凝土中受力較為復雜,除理論分析外,還須通過大量的試驗來確定其承載力。

5.2 空間結構分析

橋梁采用多自由度有限元模型,以空間梁單元為基本單元,墩梁間支座的約束條件通過主從節點處理,基礎剛度以承臺底位置處的等效彈簧剛度模擬,二期恒載取為140 kN/m,作為均布質量分配到梁部結構對應的單元中。動力特性計算結果見表3。

表3 結構動力特性

5.3 車橋耦合動力分析

列車模型是由多節機車和車輛組成的列車。每節車輛(機車)都是由車體、轉向架、輪對、彈簧和阻尼器組成的多自由度空間振動系統。分析結果表明,本橋最大垂向振動加速度為0.300 m/s2,遠小于0.35g,最大橫向振動加速度為0.196 m/s2,遠小于0.14g,主梁跨中最大橫向動位移為0.403 mm,鋼桁上弦最大橫向動位移為0.806 mm,墩頂最大橫向動位移為0.349 mm,跨中最大動撓度為10.296 mm,動力系數最大為1.211,可認為無共振現象,橋梁的動力響應均滿足要求。當德國ICE3高速列車、國產高速列車、日本500系車以及CRH2動車組通過橋梁時,所有計算工況下的輪重減載率、脫軌系數和輪軸橫向力均小于限值,行車安全性滿足要求。當采用德國低干擾譜,國產高速列車和德國ICE3高速列車以速度250～420 km/h通過橋梁時,所有工況下乘坐舒適度達到優或良,當日本500系高速列車以速度250～420 km/h通過橋梁時,除400 km/h及以上車速時乘坐舒適度為合格外,其他所有工況下列車乘坐舒適度為良。總之本結構滿足中速客車在160～250 km/h和高速客車在250～420 km/h范圍內安全舒適運行。

6 結語

蘭西高速特大橋主橋采用一聯(80+168+80)m連續梁-鋼桁組合結構,該橋結構新穎、建筑高度低、跨越能力大,結構分析結果也表明,該橋式結構剛度大,動力性能優越,適用于對軌道平順度要求高、無砟軌道的可調整量小的高等級鐵路。另外由于本橋為一種新型的橋梁結構,在施工過程中應該重視鋼結構制造及安裝、下節點精確定位、橋梁施工線形控制、大噸位掛籃、下節點摩擦面防護等關鍵性技術問題。

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