上跨京滬高鐵大跨度連續鋼桁梁橋設計

朱勇戰

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 工程概況

廊坊市光明道上跨京滬高鐵四股道、京滬鐵路六股道、規劃京津四道以及西牽出線，斜交角度33°。主橋采用(118＋268＋118)m上加勁弦體系連續鋼桁梁，在傳統鋼桁梁上增設了圓弧形剛性上加勁弦，外觀如自錨式懸索橋。我國已經建成通車的該類橋梁結構有東莞東江大橋和濟南黃河橋，東江大橋為主跨208 m雙層公路橋[1]，濟南黃河橋為主跨180 m雙層公鐵兩用橋[2]。上加勁弦體系既克服了傳統懸索橋剛度低的缺點，又繼承了鋼桁梁建筑高度小、造型優美的優點，在上跨運營鐵路限界要求高、小角度斜交等復雜條件下具有更好的適應性。主橋全長505.8 m，立面與平面布置見圖1～圖2。

圖1 橋型布置立面(單位:m)

圖2 橋型布置平面(單位:m)

1.1 氣象與地質資料

橋址位于暖溫帶半濕潤～半干旱季風氣候區，年平均氣溫為11.9℃，最冷月平均氣溫為-4.7℃，最熱月平均氣溫為26.2℃，極端最低溫為-16.7℃，極端最高溫為40.6℃。最大風速為23 m/s。橋址區地層巖性主要為粉質黏土、粉砂和中砂。

1.2 技術標準

(1)上跨橋梁道路等級為城市主干路，行車速度50 km/h，雙向六車道；

(2)活載采用1.3倍城-A級；

(3)橋面橫坡±2.0%，主橋位于2%的人字坡；

(4)橋下凈空不小于14.7 m，包含防護小車高2.5 m、安全距離1.5 m以及接觸網桿控制點至控制軌面高度10.7 m；

(5)橋址區地震動峰值加速度0.2 g，場地類別為Ⅲ類，場地特征周期為0.55 s。

2 主橋結構設計

2.1 總體設計

主橋為上加勁弦體系連續變高鋼桁梁結構，兩片主桁橫向中心距為24.2 m，主桁平弦為N形桁架，節間長度分為11.2 m、12.2 m和12 m三種。兩側邊跨由4個11.2 m節間和6個12.2 m節間組成，中跨由20個12.2 m節間和2個12.0 m節間組成，平弦桁高12.0 m。中墩處加勁弦高30 m，主桁總桁高42 m。加勁弦與上弦之間豎腹桿平行布置，靠近中支點附近斜腹桿采用K型腹桿。主橋鋼材采用Q345qE和Q420qE兩種，節點為整體焊接節點，桿件之間采用高強螺栓連接。鋼梁線形按照線路±2.0%縱坡進行設計制造，跨中曲線范圍以折代曲形成豎曲線。為減小施工運營對京滬高鐵的影響，首次采用大跨度鋼桁梁非對稱轉體法施工，考慮轉體施工和成橋運營狀態，分別在邊支點兩個節間范圍設置轉體臨時壓重和成橋永久壓重。

2.2 主桁桿件設計

主桁下弦、上弦和加勁弦均采用帶肋箱型截面，兩塊豎板在節點范圍內伸出成為節點板。下弦桿內寬1 000 mm，內高1 200 mm，板厚24～44 mm；上弦桿內寬1 000 mm，一般桿件內高800 mm，中跨跨中12個節間范圍桿件內高變為1 200 mm，板厚20～40 mm；加勁弦內寬1 000 mm，內高1 600 mm，板厚28～48 mm。加勁弦、上弦采用四面對拼連接，下弦與橋面連接頂板采用熔透焊接，其他三面采用對拼連接。

主桁斜、豎腹桿根據內力大小以及拉壓桿的分類，分別采用箱型截面和H型截面。其中H型截面桿件外高998 mm，外寬720～900 mm不等；箱型截面桿件外高998 mm，內寬800～1 200 mm不等；腹板板厚20～40 mm，均采用內插與節點板兩面連接。

2.3 短腹桿連接設計

鋼桁梁設計采用剛性連接桿件，當桿件的截面高度與桿件長度比值超過1/15時，節點次彎矩效應明顯。本橋加勁弦與上弦連接過渡區域，相連兩個節間的腹桿長度較小，此時桿件軸力較小而次彎矩極大，截面設計不能滿足規范要求。本次設計加勁弦與上弦連接過渡區域兩個節點短腹桿連接采用鉸接，在連接耳板上開設橢圓形銷孔，采用軸銷連接，如圖3所示。

圖3 短吊桿連接

2.4 橋面設計

主桁橫向中心間距24.2 m，標準斷面兩側懸臂長4 m，橋面寬度32.2 m，上跨京滬高鐵防異物侵限防護范圍內兩側懸臂長5 m，橋面寬度34.2 m。采用密橫梁形式的正交異性鋼橋面，縱向采用U型加勁肋，每節間內設置4道橫梁，主桁間橫梁采用倒T型截面，支點及壓重區橫梁采用U型截面。橫梁內高1 200～1 800 mm，縱肋全橋連續，遇橫梁開孔穿過，縱梁、橫梁均與橋面板焊接成整體。

考慮目前正交異性鋼橋面采用雙層SMA、雙層環氧及澆筑式瀝青混凝土鋪裝的橋面均出現不同程度的病害問題[3-5]，為減少上跨高鐵橋梁鋼橋面養護維修對高鐵運營的影響，設計采用50 mm厚UHPC超高性能混凝土＋30 mm SMA10與正交異性鋼橋面組合鋪裝體系。橋面布置見圖4。

2.5 轉體施工設計

上跨高鐵橋梁的施工主要有轉體、頂推和橫移三種[6-8]，本橋鋼梁施工采用帶輔助滑道簡支體系非對稱轉體施工方案。主墩承臺安裝轉體支座及牽引系統，邊跨側距中墩五個節間處(61 m)設輔助滑動系統，調整邊支點壓重，控制輔助滑道單支點反力為200 t，保證非對稱轉體穩定性。上部結構非對稱不平衡問題表現為輔助滑道和主墩支座的豎向反力差異，球鉸受力明確。鋼桁梁豎向位移的調整可通過輔助支點的下沉實現主梁的剛性旋轉，調整大懸臂狀態下兩側懸臂端的高程相同，合龍完成后再將邊支點頂回至設計高程，調整主梁結構的線形和內力。

圖4 橋面布置(單位:m)

3 結構計算分析

3.1 總體計算

本橋計算采用空間有限元分析程序Midas Civil，通過提取各控制工況下的桿件內力，按《公路鋼結構橋梁設計規范》[9]和《鐵路鋼結構橋梁設計規范》[10]進行驗算，結果見表1。

主橋邊跨和中跨最大活載位移分別為32.8 mm和127 mm，相應的撓跨比分別為1/3 597和1/2 078，均小于1/500，滿足規范要求。疲勞驗算采用疲勞計算模型Ⅰ，疲勞活載按0.7倍車輛活載折減，并考慮1.3倍載荷放大系數。計算得到鋼桁梁上弦、加勁弦以及加勁弦斜腹桿的活載應力幅值較小，均不超過35 MPa，按相應疲勞細節等級驗算均滿足規范要求。

表1 主桁控制桿件驗算結果

3.2 UHPC超高性能混凝土正交異性鋼橋面組合體系鋪裝計算

分別對80 mm厚傳統柔性瀝青鋪裝方案、16 mm鋼板＋45 mm UHPC＋30 mm SMA10方案、14 mm鋼板＋45 mm UHPC＋30 mm SMA10方案、14 mm鋼板＋50 mm UHP C＋30 mm SMA10方案進行鋼橋面板疲勞性能的有限元分析，研究車輛軸載對正交異性鋼橋面板疲勞易損細節處的應力幅值影響。橋面板疲勞應力幅值計算結果見表2。采用14 mm鋼板＋50 mm UHPC＋30 mm SMA方案，可降低各構造細節的應力幅值，能有效節省用鋼量，綜合成本更低。

表2 正交異性鋼橋面板各應力計算點最大應力幅 MPa

3.3 門架立柱受壓穩定計算長度系數分析

鋼主梁、加勁弦、中支點立桿共同組成受力體系。立桿作為主要的受壓構件，沒有合理的受壓桿件計算長度系數。研究采用有限元計算方法建模，考慮上加勁弦約束影響，對需要研究的受壓桿件在節點位置施加軸向力，在整體模型中計算單根桿件局部失穩的穩定系數，然后根據桿件的受力和相應的屈曲穩定系數，利用歐拉公式反算壓桿的計算長度系數。按該方法計算得到本橋控制桿件受壓穩定計算長度系數在0.46～0.67之間，計算結果與劉世忠針對東江大橋[11]關于剛性懸索加勁鋼桁梁豎桿縱向穩定計算長度系數研究的結果一致。

3.4 無應力狀態法線形控制設計計算

鋼桁梁設計圖紙給出的均為成橋線形，而成橋線形實際為結構在恒載作用下發生變形以后的線形，恒載和活載變形一般以預拱度給出，預拱度通過調整上弦桿件的長度來實現[12]。本橋設計采用無應力狀態法進行鋼桁梁的設計線形控制，以線路橋面坐標為目標線形，將預拱度代入模型迭代求解設計線形，圖紙按桿件的無應力狀態繪制，具體計算過程見表3。迭代誤差小于規定容許值即停止迭代，最終的成橋線形需要通過合理的施工過程控制來實現。

表3 無應力狀態法線形控制設計過程

本橋采用的非對稱轉體施工，大懸臂狀態懸臂端兩側高差約16 cm，如何實現最終目標線形是施工控制的關鍵問題。通過控制輔助支點沉降實現主梁剛性旋轉，兩側輔助支點分別下降0.371 m和0.32 m，剛性旋轉的角度分別為0.348°和0.3°。此時合龍段兩側桿件端頭高程和桿件轉角相同。跨中桿件合龍后，將左右側邊支點分別頂升至設計高程，調整結構內力，兩側的頂升高度分別為0.841 m和0.717 m。最終計算得到本橋的成橋線形與目標線形差異不超過5 mm，如圖5所示。

圖5 成橋線形與設計線形差異

4 結論

廊坊光明道首次采用上加勁弦體系連續鋼桁梁長懸臂非對稱轉體施工跨越京滬高鐵，各項關鍵技術的新穎性和獨特性總結如下:

(1)鋼桁梁建筑結構高度低，能有效解決上跨高鐵凈空受限問題，上加勁弦體系更有利于轉體施工。

(2)采用軸銷連接能顯著改善短吊桿受力，剛性上加勁弦橫向約束明顯，能夠控制門架立柱受壓穩定計算長度系數不超過0.7。

(3)超高性能混凝土(UHPC)與正交異性鋼橋面組合鋪裝體系，可提高橋面板的局部剛度，解決正交異性板疲勞開裂和鋪裝層損壞兩大技術難題。

(4)采用帶輔助滑道簡支體系轉體方案，球鉸受力明確，剛性旋轉位移調整能夠保證主梁順利合龍，解決長懸臂非對稱轉體傾覆穩定以及合龍的各項技術難題。