公鐵平層超寬鋼箱梁過塔方案設計與分析

王玉玨

中鐵二院工程集團有限責任公司，成都610031

大跨斜拉橋主梁常采用鋼桁梁或鋼箱梁兩種結構形式，與鋼桁梁主梁相比，鋼箱梁主梁截面整體性好，能夠承受更大的軸力，抗風穩定性和抗扭剛度好，方便制造及施工，后期養護維修方便，但是車道（線路）不能上、下分層布置，只能布置在同一平面上。對于公鐵兩用斜拉橋或其他車道（線路）數較多的斜拉橋，如采用整體鋼箱梁截面，由于所有車道、線路等只能布置在橋面位置，從而導致橋面較寬，在過塔位置橋塔下橫梁跨度較大，增加了橋塔下橫梁設計難度、施工難度和風險。

川南城際鐵路位于四川境內，成渝經濟圈腹地，連通內江、自貢、宜賓和瀘州。宜賓臨港公鐵兩用長江大橋位于宜賓市臨港區，跨越長江，見圖1。

圖1 橋位示意

為節約通道資源和工程投資，橋上布置4線鐵路、6車道公路、人行道和非機動車道。該橋采用國內首創公鐵平層設計，橋面寬度達63.9 m，設計時為世界上寬度及跨度第一的公鐵兩用鋼箱斜拉橋。由于橋面較寬，主梁過塔時會導致橋塔下橫梁跨度達80 m，且該橋下橫梁距承臺頂面高75 m，在如此高的位置施工大跨度下橫梁風險較高。因此，本文綜合考慮設計難度、施工風險、經濟性等因素，選擇合理的主梁過塔方案，以減小過塔橋面寬度和下橫梁跨度。

1 技術標準

鐵路部分為4線客運專線，采用有砟軌道，設計荷載為ZK荷載，設計速度300 km/h。采用川南城際鐵路外包渝昆高速鐵路的方式，線間距為（6.5+5.0+6.5）m。公路部分為雙向6車道的城市主干道，主線設計速度80 km/h，匝道設計速度小于等于40 km/h，城-A級荷載。

2 主梁過塔設計

2.1 結構概述

宜賓臨港公鐵兩用長江大橋全長1 742.49 m，主橋長1 075.2 m，采用雙索面整體式鋼箱梁斜拉橋，全橋孔跨布置為9×40.0 m（鐵路簡支梁或公路連續梁）+（72.5+203+522+203+72.5）m（主橋）+7×40.0 m（鐵路或公路連續梁），橋梁整體效果見圖2。

圖2 橋梁整體效果

國內設計的公鐵兩用橋主梁常選用公路在上、鐵路在下的三主桁結構形式。渝昆高速鐵路與川南城際鐵路并線共站后，采用川南城際鐵路外包渝昆高速鐵路的布置方式。該橋三主桁須增加線間距，線路過渡長約11 km。考慮公鐵同層可減小線間距、節約投資，公路橋面維修對鐵路無影響，還可降低公路橋面標高、節能環保，且鋼箱梁外露表面少，后期養護量少等因素，最終主梁采用公鐵同層的鋼箱梁方案。4線高速鐵路設置在橋面中間，橋面兩側各布置3車道城市道路、人行道和非機動車道，如圖3所示。

圖3 宜賓臨港公鐵兩用長江大橋主橋斷面布置（單位：mm）

2.2 過塔方案比選

鋼箱梁過塔方案有3種：①梁部直接過塔；②慢行系統（非機動車道、人行道［1］）部分或全部下置［2-4］，見圖4（a）。③慢行系統（非機動車道、人行道）外繞橋塔［5-6］，見圖4（b）。

圖4 鋼箱梁過塔方案

由于該橋橋寬63.9 m，梁部直接過塔會導致橋塔下橫梁跨度達到80 m，對結構受力及施工均不利。因此，考慮慢行系統下置或外繞橋塔方案，二者對比見表1。可知，慢行系統非機動車道與人行道均下置或慢行系統外繞橋塔，穿塔處橋面寬度及橋塔下橫梁跨度較小。考慮行人視野、整體景觀效果等因素，最終確定慢行系統外繞橋塔方案。

表1 慢行系統下置方案與慢行系統外繞橋塔方案對比 m

2.3 慢行系統外繞橋塔方案設計

繞塔區采用縱橫梁體系，在轉彎處考慮非機動車轉彎半徑須要進行局部加寬，縱梁采用I20b工字鋼，橫梁采用I28b工字鋼，橫梁下方壓桿采用箱形截面。橫梁及壓桿通過預埋鋼板和預埋件與橋塔連接。由于繞塔區人行道和非機動車道固定在橋塔上，其他位置人行道和非機動車道是固定在主梁上，在溫度、地震等作用下，主梁與橋塔有位移差。經計算，繞塔區結構與主梁橫向預留2 cm的伸縮縫，主梁與橋塔預留62.4 cm的縱向縫隙，見圖5。

圖5 慢行系統外繞橋塔方案平面和橫斷面（單位：mm）

選取慢行系統繞塔斷面最寬處，取4根橫梁范圍內的縱橫梁體系，采用MIDAS/Civil建立有限元模型。

2.3.1 荷載

1）自重。考慮加勁肋及焊縫，自重系數取1.15。

2）二期恒載。人行道鋪裝5.8 kN/m2，非機動車道鋪裝5.6 kN/m2。U形排水槽及人行道欄桿3.2 kN。

3）非機動車及人行荷載。根據JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》4.3.6條，按標準值4kN/m2的均布荷載計算。

4）溫度荷載。按整體升降溫20℃考慮。

2.3.2 計算結果

1）桿件應力結果。主力作用下，Q345qD容許正應力與剪應力分別為210、120 MPa；主力+附加力作用下，則分別為273、156 MPa。在主力和主力+附加力作用下，縱橫梁的正應力及剪應力計算結果見表2。可知，桿件應力滿足要求。

2）穩定性計算結果。偏心受壓斜撐最大軸力N為175.3 kN，對應彎矩M為13.6 kN·m。根據TB10091—2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》4.2.2條計算偏心受壓斜撐穩定性：工字鋼高度h=280 mm，毛截面面積Am=61 cm2，毛截面抵抗矩Wm=534 cm2。根據TB 10091—2017確定構件計算長度L0=4.29 m，桿件長細比λ=4.29/0.28=15.3，則折減系數ψ1=0.9；x軸回轉半徑γx=11.1 cm，y軸回轉半徑γy=2.44 cm，α為系數，焊接桿件取1.8，鉚接桿件取2.0，換算長細比λe=αL0γx/（hγy）=125.5，則折減系數ψ2=0.41。

鋼材容許應力［σ］為200 MPa，N/Am＞0.15ψ1［σ］，則考慮彎矩因構件受壓的增大系數μ1=0.994。N/Am+ψ1M/（μ1ψ2Wm）=28.7+56.2=84.9 MPa＜ψ1［σ］，桿件穩定性滿足規范要求。

3）撓度計算結果。對有限元模型施加最不利荷載，慢行系統外繞橋塔方案縱橫梁最大撓度為4.5 mm，根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》附錄B要求，縱橫梁撓度容許值為L/150=124 mm，結構撓度滿足要求。

3 結論

1）慢行系統外繞橋塔方案縱橫梁的應力、穩定性、撓度等各項指標均滿足規范要求，結構受力安全可靠。

2）慢行系統外繞橋塔方案可有效減小主梁過塔寬度，從而減小下橫梁跨度，降低設計難度與施工風險。

3）慢行系統外繞橋塔方案整體外形流暢美觀、行人視野開闊、行車無壓抑感、整體氣動外形較優、非機動車行車安全舒適、引橋凈高不受限。