銀西高鐵渭河特大橋60 m加勁鋼斜撐PC組合梁設(shè)計(jì)研究

孫宇佳

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

加勁鋼斜撐桿PC組合梁是在傳統(tǒng)的箱梁翼緣端部和外側(cè)腹板之間設(shè)置斜撐桿以適應(yīng)橋?qū)挼脑黾樱跐M足橋梁功能設(shè)計(jì)要求的前提下，盡量減小結(jié)構(gòu)上部重力，為下部設(shè)計(jì)優(yōu)化提供必要的條件。隨著高速鐵路及城際鐵路的快速發(fā)展，大跨多線橋梁的應(yīng)用需求日益增長，而加勁鋼斜撐桿PC組合結(jié)構(gòu)作為一種新型的可適用于大跨多線橋梁的結(jié)構(gòu)，其在復(fù)雜高速鐵路及城際鐵路橋梁建設(shè)中的適用性更為廣泛。

國內(nèi)對于加勁鋼斜撐桿PC組合箱梁橋僅有部分綜述性的研究，并沒有已建工程。李宏江[1]通過文獻(xiàn)調(diào)研介紹了加勁撐桿PC組合箱梁橋的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，并闡述了目前對于該種橋型的理論研究以及工程應(yīng)用概況。國外將加勁鋼斜撐桿PC組合箱梁在公路橋上進(jìn)行了應(yīng)用，并開展了一些研究。國際上最早應(yīng)用加勁鋼斜撐桿PC組合箱梁截面形式的橋梁為德國1979年建設(shè)的科赫塔爾大橋，該橋?yàn)楣犯呒軜颍蓢H著名橋梁專家萊昂哈特設(shè)計(jì)。2000年以后日本建設(shè)的內(nèi)牧高架橋、芝川高架橋等均為加勁鋼斜撐桿PC組合梁的形式。SHUSHKEWICH[2]分析研究了加勁鋼斜撐桿PC組合箱梁空間受力特性，并開發(fā)了計(jì)算該橋型的分析程序；Iglesias[3]提出了該橋型長期受力的簡化分析方法；竹房秀一等[4]詳細(xì)介紹了日本內(nèi)牧大橋的設(shè)計(jì)及施工細(xì)節(jié)，該橋?yàn)榈瓤绲募觿配撔睋螚UPC組合連續(xù)箱梁，采用了梁體節(jié)段預(yù)制拼裝和懸挑翼緣支架現(xiàn)澆的施工方法。

國際上對于加勁鋼斜撐桿PC組合梁的應(yīng)用均為公路橋梁，而國內(nèi)目前沒有該類型橋梁的應(yīng)用工程[5-6]。銀西高鐵渭河特大橋主橋?yàn)閲鴥?nèi)首次將加勁鋼斜撐桿PC組合梁的橋型用于鐵路橋梁的建設(shè)，本文介紹渭河特大橋主橋60 m加勁鋼斜撐PC組合梁的設(shè)計(jì)，并對該類型橋梁的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析研究。

1 項(xiàng)目概況

銀西高鐵渭河特大橋是銀西高鐵的重點(diǎn)工程，由于需與西安至閻良城際鐵路接軌共用渭河橋位，且出于渭河防洪要求需與上游的福銀高速公路橋(30 m簡支變連續(xù)小箱梁)對孔布跨，主橋采用17孔四線整體60 m加勁鋼斜撐PC組合簡支梁的設(shè)計(jì)跨越渭河，圖1所示為渭河特大橋主橋施工時(shí)照片。

圖1 渭河特大橋主橋施工

渭河特大橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下[7]。

(1)設(shè)計(jì)使用年限：100年。

(2)設(shè)計(jì)速度：250 km/h(200 km/h)。

(3)活載：ZK活載、ZC活載。

渭河特大橋采用的60 m加勁鋼斜撐PC組合簡支梁有效施工工期較短，17孔梁均采用支架原位現(xiàn)澆的施工方法。鋼斜撐桿連同其錨板和錨筋在工廠預(yù)制加工完成后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，在現(xiàn)澆支架上精準(zhǔn)定位安裝，然后進(jìn)行混凝土箱梁的原位現(xiàn)澆施工[8]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 橋面布置

銀西高鐵渭河特大橋?yàn)樗木€整體式橋梁，中間雙線為銀西高鐵(采用ZK標(biāo)準(zhǔn)活載)，兩側(cè)為西安至閻良城際鐵路(采用ZC標(biāo)準(zhǔn)活載)，有砟軌道，線間距(5.3+4.6+5.3) m。渭河特大橋橋面布置示意如圖2所示。

圖2 渭河特大橋橋面布置(單位：cm)

2.2 梁體構(gòu)造及鋼束布置

梁體為單箱雙室等高度箱梁與鋼斜撐桿組合截面。計(jì)算跨度57.8 m，梁全長60.4 m，梁頂寬22.8 m，底寬11.5 m，最低點(diǎn)梁高5.3 m，室寬4.5 m。混凝土箱梁采用C55混凝土，頂板厚40～80 cm，底板厚36～85 cm，中腹板厚40～80 cm，邊腹板厚40～100 cm。箱梁懸挑翼緣兩側(cè)沿梁長度方向每隔4 m設(shè)置鋼斜撐桿，鋼斜撐桿采用Q345qD鋼材，直徑360 mm，壁厚18 mm。箱梁兩端設(shè)置200 cm厚橫隔墻。跨中箱梁截面如圖3所示。

圖3 1/2 60m加勁鋼斜撐桿PC組合梁跨中截面(單位：cm)

梁體腹板及底板縱向預(yù)應(yīng)力鋼束以及頂板橫向預(yù)應(yīng)力鋼束均采用1860 MPa級的體內(nèi)束，底板布置30束17-φj15.2 mm鋼束，腹板布置35束15-φj15.2 mm鋼束，頂板橫向間隔50 cm布置4-φj15.2 mm鋼束。

2.3 斜撐桿錨固構(gòu)造

斜撐桿兩端均采用相同的錨固構(gòu)造，錨固構(gòu)造主要是在斜撐桿兩端焊接鋼錨板，錨板設(shè)置錨筋與混凝土箱梁連接，整體錨固構(gòu)造連同斜撐桿均在工廠加工完成后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場。斜撐桿上部錨固在翼緣端部的小縱梁上，下部錨固在箱梁腹板下緣外側(cè)設(shè)置的錨固塊上。

3 加勁鋼斜撐PC組合簡支梁計(jì)算分析

加勁鋼斜撐PC組合梁與傳統(tǒng)的單箱單室箱梁比較呈明顯的空間受力特點(diǎn)，因此分別建立實(shí)體模型、梁格模型和單梁模型對該橋的空間受力進(jìn)行精確分析[9-12]。

3.1 加勁鋼斜撐PC組合簡支梁整體計(jì)算

針對加勁鋼斜撐PC組合梁空間受力的特性，在結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)之前，對比分析自重、二期恒載及活載作用下，實(shí)體模型、梁格模型及單梁模型的計(jì)算結(jié)果，通過對單梁模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核后穩(wěn)定橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)造尺寸，并進(jìn)行縱向鋼束的設(shè)計(jì)。運(yùn)營階段主要計(jì)算結(jié)果見表1，根據(jù)表列結(jié)果可知，本橋縱向受力滿足規(guī)范相關(guān)規(guī)定。

表1 主力工況主要計(jì)算結(jié)果

3.2 加勁鋼斜撐PC組合簡支梁頂板橫向分析

渭河特大橋60 m加勁鋼斜撐PC組合簡支梁頂板橫向結(jié)構(gòu)寬度22.8 m，橫向布置2個(gè)支座，支座間距8 m，橫向懸挑翼緣作用有一線ZC活載，因此需要對梁體扭轉(zhuǎn)引起的軌面不平順性進(jìn)行檢算。而單箱雙室主梁兩側(cè)翼緣懸挑6.2 m，箱室凈寬4.5 m，需通過計(jì)算分析進(jìn)行頂板橫向預(yù)應(yīng)力鋼束的布置[13]。

(1)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)

高速鐵路和城際鐵路橋梁需要確保其軌道在列車靜活載作用下的平順性，因此對靜活載作用下由梁體扭轉(zhuǎn)引起的3 m長線路范圍內(nèi)一線兩根鋼軌豎向相對變形量限值有所要求[14]。加勁鋼斜撐PC組合簡支梁翼緣懸挑6.2 m，斜撐桿順橋向間距4 m，兩側(cè)城際鐵路線路軌道位于翼緣上方，軌道運(yùn)行平順性的問題相對于傳統(tǒng)箱梁橋軌道位于箱室上方的情況更為突出。

通過全橋?qū)嶓w模型分析，在軌道實(shí)際位置進(jìn)行列車靜活載的加載，分別計(jì)算一線城際鐵路和一線高速鐵路軌道底部3 m長線路范圍內(nèi)一線兩根鋼軌豎向相對變形量。

表2所示為渭河四線橋外側(cè)一線城際鐵路軌道兩根鋼軌的豎向相對變形計(jì)算值，其中縱向坐標(biāo)規(guī)定梁端為坐標(biāo)原點(diǎn)，每隔3 m取計(jì)算點(diǎn)，表2中計(jì)算數(shù)值為相鄰兩計(jì)算點(diǎn)的豎向位移差值。計(jì)算時(shí)分別在4條線上進(jìn)行加載，得到在每條線上加載時(shí)相應(yīng)外側(cè)城際鐵路軌道兩根鋼軌的豎向相對變形，組合最大值為按照TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》4.3條中規(guī)定的活載進(jìn)行組合后比較得到的最大值。計(jì)算結(jié)果表明，跨中梁體扭轉(zhuǎn)引起的鋼軌的豎向相對變形較小，為0.36 mm，而梁端支座中心線附近鋼軌的豎向相對變形達(dá)到1.35 mm。分析結(jié)果表明，加勁鋼斜撐PC組合梁整體梁端1/4跨范圍受到列車偏載效應(yīng)的影響較為明顯，梁端的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)尤為突出。同時(shí)可知，順橋向同一位置處，中間兩線高鐵軌道鋼軌的豎向相對變形相比外側(cè)城際軌道較小。

表2 城際軌道兩根鋼軌豎向相對變形

表3所示為渭河四線橋內(nèi)側(cè)一線高速鐵路軌道的兩根鋼軌的豎向相對變形計(jì)算值，其余各列數(shù)值與表2中數(shù)值含義相同。

表2、表3的計(jì)算結(jié)果表明，城際鐵路和高速鐵路3 m長線路范圍內(nèi)一線兩根鋼軌豎向相對變形量最大值分別為1.35 mm和1.33 mm，均滿足TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求，最大值的位置位于梁端支點(diǎn)附近。

表3 高鐵軌道兩根鋼軌豎向相對變形

(2)頂板橫向鋼束

本橋箱梁截面采用單箱雙室的形式，懸挑翼緣外側(cè)有加勁斜撐桿支撐，頂板橫向近于五點(diǎn)支撐且結(jié)構(gòu)寬度達(dá)22.8 m，同時(shí)五點(diǎn)支撐的剛度不盡相同，因此頂板橫向受力分析及設(shè)計(jì)也是本橋需要解決的關(guān)鍵問題[15-19]。

傳統(tǒng)單箱單室箱梁的橫向計(jì)算有著成熟的理論計(jì)算基礎(chǔ)，TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定“箱形梁橫截面可按被支撐在主梁腹板中心線下緣的箱形框架進(jìn)行計(jì)算”。但是本橋在翼緣端部沿橋梁縱向間隔4 m有鋼斜撐桿支撐，頂板橫向預(yù)應(yīng)力的設(shè)計(jì)必須考慮斜撐桿的作用。采用全橋?qū)嶓w有限元模型分析橫向應(yīng)力分布，橋面系各部件按照實(shí)際位置加載，圖4所示為縱向4 m梁長在恒載作用下橫向應(yīng)力分布云圖。由圖4可知，設(shè)斜撐桿斷面和相鄰兩斜撐桿之間的斷面在恒載作用下的橫向應(yīng)力分布均勻，結(jié)果表明：沿著梁縱向4 m間距設(shè)置斜撐桿時(shí)，箱梁頂板的橫向鋼束設(shè)計(jì)可按照4 m取梁長均勻設(shè)計(jì)。

圖4 1/2頂板橫向應(yīng)力云圖

圖5所示為計(jì)算時(shí)采用的橫向環(huán)框有限元模型，邊腹板及中腹板底部設(shè)置豎向支撐，底板橫向類似兩跨連續(xù)梁的邊界條件。分析結(jié)果表明，橋梁頂板間隔50 cm設(shè)計(jì)4-φj15.2 mm鋼束，可以使得橋梁頂板的受力滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 頂板橫向環(huán)框有限元模型

3.3 斜撐桿受力分析

斜撐桿是加勁鋼斜撐PC組合簡支梁橫向受力的關(guān)鍵構(gòu)件，采用全橋?qū)嶓w模型分析斜撐桿在恒載和活載作用下的受力，并通過環(huán)框模型分析溫度荷載和頂板橫向預(yù)應(yīng)力對斜撐桿受力的影響，以合理地確定斜撐桿的截面形式和尺寸，并設(shè)計(jì)斜撐桿的錨固形式[20]。

表4中所示為60 m加勁斜撐桿PC組合梁橋半跨一側(cè)的斜撐桿在恒載和活載作用下的桿件內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，其中A1桿為支點(diǎn)處斜撐桿，A8桿為跨中處斜撐桿。

表4 斜撐桿內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

表4中軸力的正值為壓力，結(jié)果表明：恒載作用下?lián)螚U均為壓桿，而活載作用下在斜撐桿上所產(chǎn)生的拉力均遠(yuǎn)小于恒載的壓力。因此在不考慮溫度荷載作用和頂板橫向預(yù)應(yīng)力的作用，斜撐桿為壓桿，彎矩軸力比不大于0.05，計(jì)算得到的最大壓應(yīng)力為65.3 MPa，考慮壓桿的穩(wěn)定性，斜撐桿的設(shè)計(jì)滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

通過橫向環(huán)框模型分別分析頂板橫向預(yù)應(yīng)力在斜撐桿上產(chǎn)生的次應(yīng)力以及鋼斜撐桿和混凝土箱梁之間的溫度差對斜撐桿受力的影響，分析計(jì)算結(jié)果表明，兩種荷載在斜撐桿上產(chǎn)生的最大應(yīng)力均小于5 MPa。

綜上分析可知，斜撐桿作為加勁鋼斜撐PC組合簡支梁橫向的主要受力構(gòu)件，對懸挑翼緣伸出端起到支撐作用，主要承受結(jié)構(gòu)頂板以上恒載和活載，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)綜合懸挑翼緣所需支撐剛度和斜撐桿自身受力特點(diǎn)確定構(gòu)造尺寸。

4 結(jié)論

銀西高鐵渭河特大橋主橋四線整體設(shè)計(jì)，所采用的加勁鋼斜撐PC組合簡支梁為國內(nèi)首次將該結(jié)構(gòu)用于鐵路橋梁的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)新穎，造型優(yōu)美。

(1)銀西高鐵渭河特大橋四線橋采用加勁鋼斜撐PC組合簡支梁的形式，通過橫向斜撐桿增大懸挑翼緣的長度，減小底板寬度，為下部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)造有利條件。

(2)加勁鋼斜撐PC組合梁縱向受力以預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁為主，設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮斜撐桿對結(jié)構(gòu)縱向受力的影響。

(3)斜撐桿是加勁鋼斜撐PC組合梁橫向受力的關(guān)鍵構(gòu)件，其主要承受頂板上部恒載和活載。斜撐桿的錨固連接構(gòu)造需考慮端部的受力和具體施工方法的需求。

(4)銀西高鐵渭河特大橋四線加勁鋼斜撐PC組合梁的順利建成為大跨多線橋梁的設(shè)計(jì)提供新的思路。