96 m鋼－混組合桁架梁設計

孫昆鵬 薛憲政

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

近年來，隨著我國高速鐵路建設的飛速發展，路網不斷加密，不可避免地出現了大量的鐵路立體交叉工程，受線路平縱、橋下凈空等條件控制，需要采用大跨度、低高度結構。常用的大跨度、低高度結構主要有系桿拱和下承式鋼桁梁，但系桿拱自重大、施工周期長、施工支架數量大，在跨越既有鐵路時適用性差，故下承式鋼桁梁結構成為跨越既有鐵路首選橋式。鋼桁梁常用橋面系結構主要有三種:(1)縱橫梁混凝土橋面系；(2)密橫梁混凝土橋面系；(3)密橫梁鋼橋面系[1－3]。但以上三種橋面系存在運營噪聲大、結構剛度相對較弱、與無砟軌道板結合較差、后期運營維護工作量大等缺點。鋼－混組合桁架梁做為一種新型結構形式，采用預應力混凝土槽型梁做為橋面系，則較好地克服了以上缺點。

2 工程背景

新建安九鐵路廬山特大橋右單線橋在廬山地區跨越武九客專正線，與武九客專正線夾角為16°。廬山特大橋右單線橋受線路縱坡、線路平面夾角及橋下武九客專凈空需求等條件限制，同時盡可能減少運營后既有線上方的維修保養工作量，選用1－96 m鋼－混組合桁架梁結構跨越武九客專正線。結合現場條件，考慮到原位拼裝、現澆對武九客專影響較大，不具備相應施工條件，經研究施工方案采用在線路一側澆筑預應力混凝土槽型梁并拼裝完畢鋼桁梁，以安慶側Y197號墩為轉動軸、廬山側Y198號墩架設橫梁轉體架設方案。轉體就位后的鋼－混組合桁架梁如圖1所示。

圖1 轉體就位后1－96 m鋼－混組合桁架梁

3 主要技術標準

(1)鐵路等級:客運專線；

(2)正線數目:單線；

(3)設計行車速度:350 km/h；

(4)線路情況:位于－26.7‰的直線坡道上，部分位于緩和曲線上；

(5)軌道形式:無砟軌道；

(6)設計活載:ZK活載；

(7)地震烈度:橋址區地震動峰值加速度0.05 g，相當于地震基本烈度6度。

4 組合桁架梁結構設計

本桁架梁全長98 m(含兩側梁端至支座中心各1.0 m)，主梁上部為鋼桁梁結構，下部采用預應力混凝土槽型梁結構作為橋面系。梁部分位于緩和曲線上，曲梁直做。主桁桁高12.6 m，節間長度12 m，兩片桁中心距離6.7 m[4]，如圖2所示。

圖2 桁架梁總體布置(單位:mm)

4.1 槽型梁結構

槽型梁標準段梁高1.8 m，支點部分加厚至2.3 m；槽型梁外底板寬7.9 m，內側凈寬5.5 m，腹板厚1.2 m；道床板跨中厚0.45 m，支點處加厚至0.95 m；人行道懸臂長1.0 m，懸臂根部板厚0.2 m，梗肋位置厚0.35 m。槽型梁斷面如圖3所示。

圖3 槽型梁橫斷面(單位:cm)

4.2 主桁及聯結系

加勁鋼桁為無豎桿三角形鋼桁，上弦為整體節點。上弦桿采用箱形截面，弦桿內寬600 mm，內高800 mm，板厚28～40 mm；腹桿采用箱形和工形截面，箱形桿件內高600 mm、外高800 mm，板厚為24～36 mm，與整體節點對拼連接。工形桿件外高600 mm，翼緣板寬520 mm，板厚16～24 mm，與整體節點內插連接。主桁弦桿及腹桿的連接采用M30的高強螺栓。

上弦設上平縱聯，橫向設橋門架及中間橫聯。上平縱聯為交叉式結構，橫聯為桁式結構，聯結系截面均為工形截面，上平縱聯撐桿截面高420 mm、斜桿高380 mm，板厚16～20 mm；橫聯高440 mm，板厚12～16 mm；與整體節點連接采用M24的高強螺栓栓接。

腹桿與槽型梁采用外接式節點連接，腹桿與預埋在槽型梁內的節點板對拼連接，節點板通過剪力釘、PBL剪力鍵與槽型梁連接[5－7]。主桁下弦節點構造如圖4所示。

圖4 節點構造

5 結構計算

結構采用空間梁單元模型MIDAS Civil建模計算，共分215個節點、184個單元，其中混凝土梁78個單元、鋼桁106個單元。鋼桁和混凝土采用剛臂連接[8－9]。

所建立的模型按施工階段進行劃分，計算模型見圖5。

圖5 計算模型

(1)搭設支架，拼裝鋼桁架；

(2)立模，澆筑混凝土槽型梁；

(3)張拉槽型梁縱向預應力鋼束；

(4)橋面鋪裝施工，加二恒；

(5)成橋運營。

5.1 計算結果

運營階段各荷載工況組合反力值見表1。

表1 運營階段各荷載工況支座反力(單墩) kN

運營階段下弦槽型梁控制截面應力見表2。

表2 運營階段下弦槽型梁截面應力值 MPa

?鐵路橋涵設計規范?(TB 10002—2017)第5.2.6條規定:梁端懸出長度大于0.55 m且小于0.75 m時，梁端轉角容許值為1.0‰弧度。本梁梁端懸出長度為1.0 m，等效梁端轉角容許值按0.75‰弧度考慮。靜活載和溫度作用下梁體豎向撓度和轉角見表3。

表3 活載作用下組合梁位移值

?鐵路橋涵設計規范?(TB 10002—2017)第5.2.2條規定:設計時速200 km及以上鐵路無砟軌道橋面預應力混凝土梁，軌道鋪設完成后，當跨度大于50 m時，豎向殘余徐變變形不應大于L/5 000且不大于20 mm，本梁豎向殘余徐變變形限值為19.2 mm。為保證武九客專正式開通運營前本梁正式轉體到位，工期較緊張，如按預應力張拉完畢后60 d鋪設軌道，梁體殘余徐變上拱值為20.4 mm，超過規范限值，故本梁軌道鋪設待梁體轉體到位后進行；根據全線運架梁需要，本梁軌道鋪設在梁體預應力張拉完700 d后進行，梁體殘余徐變上拱值10.5 mm，滿足規范限值要求。殘余徐變上拱值見表4。

表4 殘余徐變上拱位移值 mm

5.2 計算結論

通過空間模型計算模擬，本梁各項計算結果均滿足規范要求，并有一定的富裕度。

6 施工方案

廬山特大橋右單線橋采用1－96 m鋼－混組合桁架梁跨越武九客專，兩線夾角16°。結合現場地形條件，經過多次方案比選，最終采用側位拼裝、現澆，轉體架設的施工方案[10－13]。

(1)鋼－混組合桁架梁在Y197墩側搭設與組合梁架設中心線成16°夾角的超高支撐體系(與武九客專鐵路平行)，在Y197墩頂墊石連線及架設中心線交點設置轉軸作為拼裝及轉體架設固定圓心，拼裝支撐體系通過滑道梁與Y198主墩連接。

(2)完成鋼桁架拼裝，施工現澆預應力混凝土槽型梁，進行橋梁附屬工程施工。

(3)在鋼混組合梁四個支座墊板下方設置滑塊，通過設置在Y198墩前端的一臺水平連續千斤頂拖拉鋼混組合梁繞Y197墩頂轉軸轉體到位，到位后拆除兩主墩墩頂滑道，并在最后一步落梁施工前完成支座安裝，如圖6所示。

圖6 鋼－混組合桁架梁施工總體布置

6.1 鋼－混組合桁架梁轉體系統

鋼－混組合桁架梁轉體系統由轉軸、跨線滑道梁、牽引設備組成。

(1)轉軸:由定位軸、轉動軸和橫梁三部分組成，整套系統設置在Y197號墩墩頂。

(2)跨線滑道梁:跨線滑道梁長度16.2 m，采用鋼箱焊接結構，分段模塊化設計，每段長度8.1 m，重約40 t。拼裝時采用汽車吊提前將滑道梁吊裝至Y198號墩端臨時墩上方，現場完成4段32 m滑道梁連接。

(3)牽引設備:布置在Y198號墩墩頂，由2臺100 t水平連續千斤頂、反力支座、水平頂作業平臺及起落梁平臺組成。

6.2 施工步驟

(1)輔助工程施工:①場地平整；②支架基礎施工及支架、滑道梁制作；③支架、滑道梁安裝；④分配梁及貝雷片搭設。

(2)鋼混組合梁高位拼裝:鋼桁架由一端向另一端進行安裝，先安裝第一節間，按下弦節點、下弦桿縱、橫向連接件、腹桿、上弦節點，再拼裝門架(橫聯)、上弦桿(上平縱聯)的順序進行拼裝，盡快形成閉合框架，保證結構穩定。之后以第一節間為母段進行下一節間拼裝，依次向前推進，直至全橋拼裝結束。

(3)預應力混凝土槽型梁施工:在鋼桁架拼裝完成后，線下分步進行預應力混凝土的施工，按盤扣式腳手架搭設→主、次楞安裝→模板安裝→鋼筋綁扎、連接→套管安裝→混凝土澆筑→穿預應力筋→安裝錨具和張拉塊→張拉→管道壓漿的順序進行施工。

(4)鋼混組合梁轉體架設:鋼混組合梁施工完成后，在不影響武九客專鐵路聯調聯試的條件下轉體就位，再拆除跨線滑道梁，最后一步落梁前完成永久支座安裝。

7 結束語

作為國內第一座應用于時速350 km高速鐵路的最大孔徑鋼－混組合桁架梁結構，安九鐵路廬山特大橋96 m鋼－混組合桁架梁已于2017年8月30日順利轉體、落梁到位。

(1)在聯調聯試中，軌道平順性、運營舒適性得到了充分證明，從而也驗證了計算結果的合理性和正確性。

(2)該結構外觀簡潔美觀、建筑結構低、自重輕、跨越能力強、與無砟軌道板結合性能好、易于養護維修的特點在工程中得到了充分展示。

(3)側位拼裝、現澆，轉體架設施工技術的成功應用，進一步豐富了該類型結構的施工方法，拓展了其適用范圍。