昌九高鐵揚子洲贛江公鐵合建連續鋼桁梁橋設計研究

黃 振

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063; 2.中國鐵建股份有限公司橋梁工程實驗室,武漢 430063)

1 概述

隨著我國對基建投入的繼續加大,高速鐵路公鐵合建的橋梁勢必會增加[1-2]。連續鋼桁梁橋具有剛度大[3-5]、通行能力強、構造簡單及施工快速等諸多優點,是國內外中小跨徑公鐵合建橋梁的常用橋型[6-9]。南昌揚子洲贛江公鐵大橋跨贛江中支主橋(以下簡稱“贛江中支主橋”)采用上、下層帶挑臂的大跨度平行弦連續鋼桁梁橋,高速鐵路與公路雙層合建,為國內外首次。以該橋為研究對象,總結本橋的設計經驗,為類似工程提供參考。

2 工程概況

南昌揚子洲贛江公鐵大橋全長18.9 km,跨贛江西支水道、贛江中支水道與北二環共建,采用公鐵分層合建方案。其中,贛江中支主橋采用(78+134+152+134+78) m連續鋼桁梁橋方案,全長577.7 m(梁端0.85 m),立面位于3.5‰縱坡上,小里程側113.2 m范圍平面位于曲線上。

橋面上層布置雙向8車道城市快速路,設計速度為80 km/h,荷載等級為城—A級。橋面下層布置雙向4車道城市主干路+雙線高速鐵路,其中城市主干路設計速度為60 km/h,荷載等級為城—A級;昌九高鐵設計速度為350 km/h,線間距5 m,軌道形式為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道,荷載等級為ZK活載。

3 總體設計

贛江中支水道為規劃的Ⅲ級航道,根據通航要求,跨贛江中支采用單孔雙向通航,通航孔跨度≮152 m,根據防洪要求橋墩阻水比≯5%。針對主跨152 m公鐵合建橋梁,適用的橋型有矮塔斜拉橋、拱橋及連續鋼桁梁橋,其中連續鋼桁梁橋具有剛度大、造價經濟等優點,推薦采用連續鋼桁梁橋。

結合堤防安全、通航、防洪及結構受力需要,贛江中支主橋孔跨布置為(78+134+152+134+78) m,小里程側水中引橋孔跨布置為(50+56+50) m+3×49 m,大里程側水中引橋孔跨布置為(3×60) m+(48+60+48) m,主橋采用連續鋼桁梁,引橋采用雙層連續梁,經濟性較好。贛江中支主橋橋式方案立面如圖1所示。

圖1 贛江中支主橋橋式方案立面(單位:m)Fig.1 Elevation of the main bridge type scheme for Ganjiang middle branch (Unit: m)

大跨徑連續鋼桁梁橋可采用增設上部或者下部加勁結構以提高跨越能力[10-11]。根據以上橋跨布置,針對主梁形式研究比選了斜拉索加勁鋼桁連續梁、剛性懸索加勁鋼桁連續梁、上變高加勁鋼桁連續梁、下變高加勁鋼桁連續梁及平行弦鋼桁連續梁,見表1。其中,平行弦鋼桁連續梁造型簡潔美觀、行車視野好、構造簡單及施工快速,最終推薦采用(78+134+152+134+78) m平行弦鋼桁連續梁。

表1 贛江中支主橋橋型比選Tab.1 Comparison and selection of bridge types for Ganjiang middle branch main bridge

4 橋梁橫斷面形式研究

根據以上橋面布置要求,研究了4種橋梁橫斷面形式:帶雙層挑臂鋼桁梁斷面、帶雙層挑臂箱桁組合截面、矩形鋼桁梁斷面、矩形箱桁組合斷面。4種方案的上橋面系均采用密橫梁形式的正交異性板體系;下橋面系分為鋼箱桁組合體系及正交異性板體系,其中,帶雙層挑臂箱桁組合截面為主桁之間采用鋼箱體系,挑臂處采用正交異性板體系。贛江中支主橋橫斷面方案見圖2。

圖2 贛江中支主橋橫斷面方案(單位:m)Fig.2 Cross section scheme of Ganjiang middle branch main bridge (unit: m)

研究表明,采用矩形鋼桁梁斷面或矩形箱桁組合斷面時,由于橫梁跨度大,下層列車活載作用下存在較大的豎向變形,難以適應梁端部軌道形位要求,需要在梁端部橫梁中間位置設置豎向支座,如圖3所示。同時,由于設置豎向支座,將導致梁端部活載轉角進一步增大而超過限值,進而需要將端部局部區域范圍橫梁及軌道下小縱梁加強以降低活載轉角。矩形斷面由于橫向跨度大,腹桿面外彎矩、橫梁彎矩等受力均較大,從而增加了此部分的用鋼量。相比矩形斷面,帯挑臂的鋼桁梁斷面結構整體性更好,主桁對軌道處橋面系的約束強,因此無需另設其他措施以解決梁端轉角等問題。

圖3 矩形斷面梁端豎向限位支座(單位:m)Fig.3 Vertical limit support at the end of rectangular cross-section beam (unit: m)

圖4、圖5分別為矩形鋼桁梁斷面、帶雙層挑臂鋼桁梁斷面墩頂處上層橋面縱向正應力橫向分布曲線。

圖4 矩形鋼桁梁斷面墩頂處上層橋面縱向正應力橫向分布曲線Fig.4 Horizontal distribution curve of longitudinal normal stress on the upper deck of a rectangular steel truss beam at the top of the pier section

圖5 帶雙層挑臂鋼桁梁斷面墩頂處上層橋面縱向正應力橫向分布曲線Fig.5 Horizontal distribution curve of longitudinal normal stress on the upper bridge deck at the top of the pier section of a double decker cantilever steel truss beam

根據剪力滯系數定義式[12-13]:λ=σ/σ0。墩頂位置上層橋面,矩形鋼桁梁斷面滯系數λ=2.02,帶雙層挑臂鋼桁梁斷面滯系數λ=1.49?？芍?帶雙層挑臂鋼桁梁斷面應力分布更加均勻,其橋面板參與到縱向受力的有效寬度更多,進而在一定程度上能提高橋梁的跨越能力。

表2是贛江中支主橋橫斷面各方案的綜合比較,可以看出,帶雙層挑臂鋼桁梁斷面具有受力狀態合理,結構整體性好、剛度大、工程經濟、技術難度相對較低、施工難度小、施工周期短等優點,因此作為推薦方案。

表2 贛江中支主橋橫斷面方案比較Tab.2 Comparison of cross section plans for Ganjiang middle branch main bridge

5 桁架結構體系研究

(1)桁高

主梁桁高主要受行車凈空、橫向桿件受力、主橋橫豎向剛度和節點構造細節控制。鋼桁梁桁高增加可以提高橋梁豎向剛度;同時桁高增加,主桁橫向受風面積增大,對橫向剛度不利[14]。國內部分已建大跨徑鐵路、公鐵兩用連續鋼桁梁橋的桁高為14～16 m[2]。

本橋與引橋橋面對應,根據引橋建筑高度,上層橋面頂至鐵路軌面處高度為11.796 m,考慮橋梁相應的結構高度,主桁中心計算高度為12.7 m,該桁高相對常規桁高偏低。以下分別以12.7,14 m和15 m桁高進行計算分析,對比結果如表3所示。

表3 桁高計算結果對比Tab.3 Comparison of beam height calculation results

由表3可知,桁高變化基本不影響總體受力;桁架高越高梁端轉角越小,主跨剛度越大;桁高加高能降低上下弦軸力,相應減少上下弦桿用鋼量,腹桿由于加長而增加用鋼量,因此主橋主桁經濟性存在一定的經濟高度范圍,但是桁高增加勢必增加引橋工程數量。本橋考慮到12.7 m桁高梁端轉角和主跨剛度均滿足設計要求,且能降低兩層橋面之間的高差,從而降低引橋工程造價。同時,為保持全橋上下層橋面間距統一,與引橋保持順接,最終確定本橋采用的桁高為12.7 m。

(2)桁式

目前鋼桁梁常用桁型主要有華倫桁架、三角桁架和N形桁架[15]。

計算分析表明,這幾種桁架形式的區別只是在于腹桿布置方式不同,結構性能沒有太大的優劣差別,技術上都是可行的。三角形桁架和N形桁架有更簡潔的線條外形,在現代桁架橋中應用比較廣泛;而且桁架節點所接桿件少,對桁架制作提供了有利條件。對于無豎桿的三角桁架,由于缺少豎桿,橫向門架和橫聯設計較為困難。綜合以上特點,從景觀、構造等角度出發,本橋采用三角形桁架方案。

6 內力分布規律研究

為揭示帶雙層挑臂鋼桁梁斷面連續鋼桁梁的內力分布規律,建立了板殼單元模型,開展墩頂及跨中位置上下層橋面系中不同構件的縱向軸力分布研究,計算結果如表4所示。

表4 橋面系構件軸力分配Tab.4 Axial force distribution of bridge deck system components

研究表明,上下層橋面系中縱向軸力的分配存在以下規律:(1)墩頂處上層橋面系,軸力主要由上層橋面板承擔,占比61.4%,上弦桿為36.8%;(2)墩頂處下層橋面系,軸力主要由下弦桿承擔,占比72.5%,下橋面占比為15.3%,由于墩頂處下弦桿受支反力存在較大的負彎矩,從而導致頂板存在一定拉應力區域,該拉應力與全橋體系的壓應力疊加,進而降低了下橋面的縱向應力;(3)跨中處上層橋面系,軸力主要由上層橋面板承擔,占比68.7%,上弦桿為27.5%;(4)跨中處下層橋面系,軸力主要由下層橋面板承擔,占比60.0%,下弦桿為25.4%;(5)上下層邊縱梁及鐵路軌道下縱梁參與軸力分配較小,最大值分別為4.1%、10.5%。

7 橋面系應力分布研究

主力組合作用下,帶雙層挑臂鋼桁梁橋跨中橋面及墩頂處下層橋面縱向正應力分布如圖6～圖8所示。結合圖5及圖6～圖8結果表明:墩頂及跨中處橋面縱向正應力分布較為不均勻,墩頂下層橋面縱向應力不均勻程度最大,下橋面系由于在支點處存在較大彎曲應力,從而出現較大的應力突變;上、下層橋面板縱向應力大小為:弦桿處應力>橋面中央(或者軌道處)應力>挑臂端部應力。

圖6 跨中處上層橋面縱向正應力橫向分布Fig.6 Horizontal distribution of longitudinal normal stress on the upper deck of the mid span bridge

圖7 跨中處下層橋面縱向正應力橫向分布Fig.7 Horizontal distribution of longitudinal normal stress on the lower deck of the mid span bridge

圖8 墩頂處下層橋面縱向正應力橫向分布Fig.8 Horizontal distribution of longitudinal normal stress on the lower deck at the top of the pier

結合以上應力分布圖,得到帶雙層挑臂鋼桁梁斷面關鍵位置剪力滯系數,如表5所示。其中,墩頂下橋面處橋面板應力分布不均勻,但應力水平低,不控制橋面板的設計,此處未列舉該處剪力滯系數。從表中可知,剪力滯系數為:墩頂上橋面>跨中下橋面>跨中上橋面,設計中應加強以上位置橋面板的結構設計。

表5 橋面系剪力滯系數Tab.5 Shear lag coefficient of bridge deck system

8 靜動力分析結果

根據以上確定的橋梁方案,橋梁靜動力分析結果如下。

(1)剛度

在汽車和列車活載最大偏載作用下主梁豎向撓度為62 mm,撓跨比為1/2 451;橫向變形撓跨比為1/9 268。

活載梁端轉角為0.88‰rad;在汽車和列車活載最大偏載作用下,3 m長度的一線兩根鋼軌豎向相對變形為0.1 mm<1.5 mm。各項剛度滿足設計要求。

(2)結構受力

主力+附加力荷載作用下,結構應力結果如表6所示,各項應力結果滿足要求。

表6 主力+附加力結構應力 MPaTab.6 Main force+additional force structural stress

(3)穩定性

穩定性分析表明:恒載+活載作用下,屈曲模態為腹桿縱橋向失穩;特征值:41.2>4.0,滿足穩定性要求。

(4)軌道線形分析

開展了橋面30,60,300 m弦測高低不平順校核[16],結論如下。

30 m弦測高低不平順值Δ=0.4 mm<2 mm,滿足要求。60 m弦測高低不平順值Δ=2 mm<7 mm,滿足要求。300 m弦測高低不平順值Δ=2.8 mm<10 mm,滿足要求。

(5)風-車-橋耦合分析

計算采用基于多體系統動力學和有限元法結合的聯合仿真技術[17-20],列車選用CRH2動車組,采用美國6級軌道譜作為軌道激勵,仿真計算了CRH2動車組在有橫風作用(風速20～30 m/s)和無橫風作用下列車以不同速度(300～400 km/h)通過橋梁時的動力響應結果。車輛評價如表7所示。

表7 贛江中支主橋車輛響應評定Tab.7 Vehicle response evaluation of Ganjiang middle branch main bridge

研究表明:在考慮橫向風荷載(風速20～30 m/s時)作用下,當CRH列車組以3種不同的車速(300,350 km/h和400 km/h)通過橋梁時,橋梁結構的橫向撓跨比、豎向撓跨比、橫向加速度及豎向加速度均滿足要求;車輛的脫軌系數、輪重減載率、輪對橫向力、橫向及豎向加速度均滿足要求。

9 結論

贛江中支主橋采用主跨152 m公鐵混層合建連續鋼桁梁橋,為世界首座高速鐵路公鐵合建采用帶上下層挑臂的大跨徑連續鋼桁梁橋,實現了多通道合建的使用功能。針對該橋低桁高、平行弦、跨度大、橋面寬及新型截面的結構特點,以及行車剛度適應性等問題,開展了分析研究。主要結論如下。

(1)結合該橋多通道合建的使用功能要求,深入研究4種截面形式,提出帶雙層挑臂連續鋼桁梁橋截面形式。研究表明,帶雙層挑臂的鋼桁梁斷面為公鐵合建橋的適宜斷面形式。

(2)針對帶雙層挑臂連續鋼桁梁橋,開展內力分布規律研究,得出了不同截面橋面系的內力分配規律,為設計提供指導。

(3)針對帶雙層挑臂連續鋼桁梁橋,開展橋面系應力狀態研究,得到剪力滯效應系數:墩頂上橋面(1.49)>跨中下橋面(1.38)>跨中上橋面(1.13)。

(4)針對帶雙層挑臂公鐵合建連續鋼桁梁橋,開展靜動力特性研究并進行了車橋耦合分析。結果表明,帶雙層挑臂的平行弦連續鋼桁梁橋能滿足時速350 km公鐵合建橋的行車運行要求,結構靜動力性能良好,適用跨徑能達150 m及以上。