安九高鐵96 m鋼－砼組合桁架梁設計關鍵技術研究

薛憲政

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600)

1 工程背景

安九高鐵廬山特大橋右線(單線)上跨瑞九鐵路，與瑞九鐵路左線交角164°，根據線路總體布置，廬山特大橋線路位于R＝9 000 m的緩和曲線上，受線路軌道設置條件限制，為了滿足不設置鋼軌伸縮調節器的條件，橋跨不宜大于100 m；實際橋跨大小受控于Y198號墩與瑞九鐵路廬山1號橋九江臺及Y197號段與瑞九鐵路廬山1號橋14號臺的位置關系；綜合考慮新建橋墩與在建橋墩的相置關系，孔跨選用96 m。廬山特大橋平面布置見圖1。

圖1 廬山特大橋平面布置

廬山特大橋橋位處為在建瑞九鐵路廬山站1號特大橋橋尾，瑞九鐵路為Ⅰ級雙線電氣化鐵路，有砟軌道，設計速度160 km/h，采用標準跨簡支T梁，線間距4.6 m，全橋寬12.1 m。墩身及橋臺已經施工完畢，梁已架設完畢，正在進行鋪軌作業。橋墩頂帽寬13.8 m(含接觸網基礎)，墩底寬度8 m。

跨越點最小軌底高差為11.2 m，橋下凈空不小于7.96 m，扣除軌道結構高度0.562 m，擬建橋梁結構最大高度2.68 m。適用于線路縱坡26.7‰，跨度96 m，建筑高度不大于2.7 m的橋型有系桿拱、鋼桁梁、鋼－砼組合桁架梁[1－2]；鋼桁梁的后期養護維修對橋下行駛的列車影響較大，系桿拱橋施工周期較長，制約在建瑞九鐵路的通車時間。經綜合比選，鋼－砼組合桁架梁作為本橋的設計方案[3－4]。

2 設計概況

2.1 主桁高度

鋼混組合桁架梁作為鋼桁梁的一種結構體系，桁高選取直接影響結構的豎向剛度及用鋼量指標，依據國內桁架橋的設計資料，考慮到節點構造處理的便利性及限界要求，綜合考慮初定桁高為12.6 m和13.0 m進行對比計算分析，從結構基本限界的角度來看，桁架高度12.6 m時，基本滿足行車限界要求；通過靜力計算研究，兩種桁高的力學性能相差無幾，考慮到節點構造處理的便利性，推薦采用12.6 m桁高[5]50－51。

2.2 桁式

常用的桁式有三角形桁、N形桁和菱形桁等，由于三角形桁造型簡潔、受力明確，中等跨度桁架橋大都采用無豎桿三角形桁，結合工程經驗，確定本橋采用無豎桿三角形桁式[5]52－53。

2.3 節間

節間數值大小影響下弦桿和腹桿的內力，節間長度與下弦桿的局部彎矩值成正比，考慮下弦是整體式預應力混凝土結構，自重較大，節間過大會引起節間下弦第二體系彎矩過大，需要較大的梁截面及過多的預應力布置；其次節間長度加大，腹桿數量減少，腹桿斜率加大，相應腹桿截面尺寸需加大，勢必引起腹桿用鋼量加大。針對節間長度9.6 m和12.0 m進行了對比分析，相比節間長度9.6 m，12 m雖然增加了下弦桿的局部彎矩和腹桿軸力，但考慮到節點構造以及施工要求，推薦節間長度為12 m[6]。

2.4 總設計情況

計算跨度96 m，支座到梁端1.0 m，橋梁全長98 m。橋型為鋼－混凝土組合桁架梁，下弦平面采用預應力混凝土槽形梁結構，加勁結構采用鋼桁架，桁高12.6 m，節間距12 m，桁間距6.7 m。

下弦混凝土槽形梁高1.8 m，梁端2.5 m范圍內梁高2.3 m，底板寬7.9 m，內側凈寬5.5 m，腹板厚1.2 m；道床板厚0.45 m，支點處加厚至0.95 m，道床板橫向為平坡。人行道懸臂部分長1.0 m，與相鄰孔簡支箱梁間設置人行道順接過渡裝置。

鋼－砼組合桁架梁橫斷面及立面布置分別見圖2和圖3所示。

圖2 鋼－砼組合桁架梁橫斷面布置(單位:cm)

圖3 鋼－砼組合桁架梁立面布置(單位:cm)

3 結構計算分析

為確保結構計算準確性及嚴謹性，分別采用平面桿系模型、空間梁單元模型和實體有限元模型，三種有限元分析模型針對的目標各不相同。

3.1 平面桿系模型

平面桿系模型簡單，可相對容易地進行混凝土收縮徐變、預應力效應的仿真分析，主要進行結構的整體受力研究，形成與設計規范中對應的各項指標，并可對整體豎向剛度進行模擬。平面桿系模型采用西南交大BSAS4.26計算軟件，為了便于描述計算結果，將計算截面進行了編號[7]19－20。平面桿系模型計算簡圖見圖4。

圖4 平面桿系模型計算簡圖

3.2 空間梁單元模型

本橋結構為上弦桿、聯結系、腹桿、槽形梁體系，其受力呈現出明顯的空間受力特性，因此單純依靠平面桿系計算分析程序難以準確模擬結構的受力狀態，須進行空間結構有限元分析[7]16－17。空間梁單元建模采用MIDAS Civil程序。本模型主要是考慮上弦桿、腹桿和節點的強度、應力，鋼桁和混凝土采用剛臂連接[7]31－32。空間梁單元計算模型見圖5。

圖5 空間梁單元計算模型

3.3 計算結果

3.3.1 鋼桁架內力

通過平面桿系及空間模型進行靜力計算得出上弦桿及腹桿桿件軸力，鋼桁架內力對比見表1。

表1 鋼桁架內力對比

從表1中可以得出如下結論:上弦桿桿件軸力數值平面桿系模型較空間模型大10%，原因分析是空間模型考慮了上平縱聯的效應，上平縱聯承擔10%的軸力。腹桿桿件軸力兩模型計算結果較為接近。

除首根上弦桿及端斜桿彎矩數值空間模型較平面模型稍大外，其余數值均相當；原因分析桁寬僅為6.7 m，桁寬較小空間效應不明顯。

3.3.2 槽形梁軸力及彎矩

平面桿系模型及空間模型混凝土槽形梁軸力及彎矩計算數值對比見表2。表中桿件編號1～4分別對應的為從梁端到跨中的四個節間范圍內的槽形梁部分。

表2 混凝土槽形梁軸力及彎矩計算數值對比

考慮平面桿系模型及空間模型，混凝土槽形梁均采用單梁單元模型，因此軸力及彎矩兩模型計算結果較為接近。

3.3.3 槽形梁應力計算

鑒于平面桿系模型及Midas Civil空間模型均不能對槽形梁進行有效的應力分析，因此采用實體有限元ABAQUS2019分析軟件，建立全橋有限元實體模型，主要針對槽形梁受力進行精確模擬[8]。實體有限元計算模型見圖6。

圖6 實體有限元計算模型

計算荷載主要考慮自重、二恒以及活載作用，為盡量實現加載與實際受力模式相符，其中二恒與活載根據軌道板的寬度在橋面范圍施加均布荷載。分別讀取槽形梁斷面范圍內縱向及橫向應力值，槽形梁斷面應力分布點示意見圖7。

圖7 槽形梁斷面應力分布點示意

位置1～11處的槽形梁縱向及橫向應力見表3。

表3 槽形梁縱向及橫向應力 MPa

從數值中得出槽形梁縱向均處于受壓狀態，縱向應力沿橫斷面方向分布較均衡；組合結構槽形梁橋面彎剪效應不突出，視為僅受軸向力作用，因此槽形梁剪力滯效應不明顯，槽形梁底板全斷面有效。槽形梁橫向為鋼筋混凝土構件，橫向拉應力可通過配置鋼筋控制最小裂縫寬度。

3.3.4 徐變上拱

徐變上拱數值是高速鐵路橋梁重要的控制指標，若徐變計算影響考慮不完備，會嚴重影響行車安全。根據施工計劃，廬山特大橋須在瑞九鐵路聯調聯試前所有主體工程及附屬結構施工完畢，為盡量減小徐變上拱數值，考慮空置60 d和空置700 d對比計算。

分別采用BSAS和Midas Civil軟件對收縮徐變變形結果進行比對，空置60 d時徐變上拱值Civil模型與BSAS模型計算值分別為18.3 mm和20.4 mm，BSAS模型比Civil模型大10%；空置700 d時徐變上拱數值，Civil模型與BSAS模型計算值分別為9.9 mm和7.6 mm，BSAS模型比Civil模型小20%；為確保軌道鋪設完成后，結構豎向殘余徐變變形盡量小，廬山特大橋需在鋪軌前700 d完成施工[9]。

4 車橋耦合動力響應分析

全橋所有構件及樁基礎均采用空間梁單元，樁基礎采用m法考慮樁土共同作用建立空間振動分析模型[10]，列車—橋梁時變系統空間振動響應結果:

當CR3高速列車以160～420 km/h通過該橋時，橋梁的動力響應均在容許值以內，列車豎、橫向振動加速度滿足限值要求，列車行車安全性滿足要求。

當CR3高速列車以160～350 km/h通過該橋時，列車的乘坐舒適性達到“良好”標準以上；以375～420 km/h(檢算速度段)通過該橋時，列車的乘坐舒適性也能夠達到“良好”標準以上。

因此，96 m鋼－砼組合桁架梁設計方案具有非常良好的動力特性及列車走行性，當列車通過橋梁時的安全性和乘坐舒適性均滿足要求。

5 指導性施工方案

5.1 BIM技術應用

本橋下弦橋面系為槽形梁薄壁結構，橫向計算按鋼筋混凝土構件考慮，槽形梁腹板內預埋鋼桁架節點鋼板及PBL剪力鍵，構件繁多，采用BIM技術進行三維建模，并在現場實施施工試驗段，確保各構件安裝的精準度避免碰撞現象發生。節點處三維模型示意見圖8。

圖8 節點處三維模型示意

5.2 鋼桁架與槽形梁的安裝順序

針對鋼桁架與槽形梁安裝的先后順序，進行比選研究，采用如下施工步驟:

(1)支架搭設完畢后，澆筑混凝土槽形梁。

(2)張拉梁體縱向預應力鋼束。

(3)進行鋼桁架的拼裝施工。

(4)橋面鋪裝施工，加二恒。

(5)成橋運營。

經過對比分析得出如下結論:先拼裝鋼桁架后澆筑混凝土槽形梁并張拉相應的預應力，槽形梁的有效預應力會有一部分損失，損失率達6%，并傳遞到鋼桁架上，相應的槽形梁壓應力儲備會有所降低，鋼桁架應力會相應增大。

考慮先澆筑混凝土槽形梁，后安裝鋼桁架，對結構受力影響不大，但給鋼桁架安裝造成不便，因此推薦采用先安裝鋼桁架，保證鋼桁架精確定位后，后澆筑混凝土槽形梁，再張拉預應力施工[11]。

5.3 組合桁架梁的施工方案

根據現場建設條件，安九高鐵小角度跨越瑞九鐵路，可采用橫移施工方案，分為兩種[12]。

側位拼裝現澆，兩端同時橫移施工方案:側位拼裝鋼桁架現澆混凝土槽形梁，進行兩端橫移就位。根據現場建設環境在Y197墩側搭設鋼桁架及槽形梁拼裝支架和混凝土澆筑平臺，并在Y197和Y198墩處設置橫移用滑道梁，組合桁架梁完成所有主體及附屬工程施工后，利用四個永久支座下方設置滑靴橫移就位后落梁至設計位置。

側位拼裝現澆，單端固定，另一端轉體施工方案:在Y197墩頂墊石中心與鋼桁架拼裝中心交點處設置固定軸作為轉體中心。在Y198墩與拼裝支架間設置弧形滑道梁，組合桁架梁完成施工后，通過設置在弧形滑道梁端頭的千斤頂進行拖拉繞固定軸轉體到設計位置，拆除滑道梁落梁就位。

從技術可行性、經濟合理性、安全可靠性、工期可控性等方面進行比選分析，兩種不同施工方案可行性比選內容見表4。

表4 兩種不同施工方案可行性比選內容

經綜合比較分析，為了更好地保證鋼混組合梁架設安全，選擇方案二:側位拼裝、現澆，轉體架設方案作為本工程施工方案。

6 結語

安九高鐵廬山特大橋上跨在建瑞九鐵路采用一孔96 m鋼－混凝土組合桁架梁，有效解決了不設軌溫調節器、低凈空、大跨度跨越既有鐵路的難題。作為首次應用在時速350 km的高速鐵路橋梁上，設計采用多種計算模型對比計算，確保該結構的靜力及動力指標均滿足規范要求。通過實施試驗段及三維模型，確保復雜構造處的施工質量。為盡量降低對在建瑞九鐵路的影響及確保本工程成橋后的性能指標，針對鋼桁架及混凝土槽形梁的安裝順序、兩種不同的施工方案進行了對比分析研究。

目前本工程已建成通車，本工程的成功實施，為同類橋梁的設計及施工提供了參考和借鑒。