上跨京滬高鐵大跨度連續(xù)鋼桁梁橋設(shè)計(jì)

朱勇戰(zhàn)

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 工程概況

廊坊市光明道上跨京滬高鐵四股道、京滬鐵路六股道、規(guī)劃京津四道以及西牽出線，斜交角度33°。主橋采用(118＋268＋118)m上加勁弦體系連續(xù)鋼桁梁，在傳統(tǒng)鋼桁梁上增設(shè)了圓弧形剛性上加勁弦，外觀如自錨式懸索橋。我國(guó)已經(jīng)建成通車的該類橋梁結(jié)構(gòu)有東莞東江大橋和濟(jì)南黃河橋，東江大橋?yàn)橹骺?08 m雙層公路橋[1]，濟(jì)南黃河橋?yàn)橹骺?80 m雙層公鐵兩用橋[2]。上加勁弦體系既克服了傳統(tǒng)懸索橋剛度低的缺點(diǎn)，又繼承了鋼桁梁建筑高度小、造型優(yōu)美的優(yōu)點(diǎn)，在上跨運(yùn)營(yíng)鐵路限界要求高、小角度斜交等復(fù)雜條件下具有更好的適應(yīng)性。主橋全長(zhǎng)505.8 m，立面與平面布置見圖1～圖2。

圖1 橋型布置立面(單位:m)

圖2 橋型布置平面(單位:m)

1.1 氣象與地質(zhì)資料

橋址位于暖溫帶半濕潤(rùn)～半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為11.9℃，最冷月平均氣溫為-4.7℃，最熱月平均氣溫為26.2℃，極端最低溫為-16.7℃，極端最高溫為40.6℃。最大風(fēng)速為23 m/s。橋址區(qū)地層巖性主要為粉質(zhì)黏土、粉砂和中砂。

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)上跨橋梁道路等級(jí)為城市主干路，行車速度50 km/h，雙向六車道；

(2)活載采用1.3倍城-A級(jí)；

(3)橋面橫坡±2.0%，主橋位于2%的人字坡；

(4)橋下凈空不小于14.7 m，包含防護(hù)小車高2.5 m、安全距離1.5 m以及接觸網(wǎng)桿控制點(diǎn)至控制軌面高度10.7 m；

(5)橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.2 g，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，場(chǎng)地特征周期為0.55 s。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

主橋?yàn)樯霞觿畔殷w系連續(xù)變高鋼桁梁結(jié)構(gòu)，兩片主桁橫向中心距為24.2 m，主桁平弦為N形桁架，節(jié)間長(zhǎng)度分為11.2 m、12.2 m和12 m三種。兩側(cè)邊跨由4個(gè)11.2 m節(jié)間和6個(gè)12.2 m節(jié)間組成，中跨由20個(gè)12.2 m節(jié)間和2個(gè)12.0 m節(jié)間組成，平弦桁高12.0 m。中墩處加勁弦高30 m，主桁總桁高42 m。加勁弦與上弦之間豎腹桿平行布置，靠近中支點(diǎn)附近斜腹桿采用K型腹桿。主橋鋼材采用Q345qE和Q420qE兩種，節(jié)點(diǎn)為整體焊接節(jié)點(diǎn)，桿件之間采用高強(qiáng)螺栓連接。鋼梁線形按照線路±2.0%縱坡進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，跨中曲線范圍以折代曲形成豎曲線。為減小施工運(yùn)營(yíng)對(duì)京滬高鐵的影響，首次采用大跨度鋼桁梁非對(duì)稱轉(zhuǎn)體法施工，考慮轉(zhuǎn)體施工和成橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，分別在邊支點(diǎn)兩個(gè)節(jié)間范圍設(shè)置轉(zhuǎn)體臨時(shí)壓重和成橋永久壓重。

2.2 主桁桿件設(shè)計(jì)

主桁下弦、上弦和加勁弦均采用帶肋箱型截面，兩塊豎板在節(jié)點(diǎn)范圍內(nèi)伸出成為節(jié)點(diǎn)板。下弦桿內(nèi)寬1 000 mm，內(nèi)高1 200 mm，板厚24～44 mm；上弦桿內(nèi)寬1 000 mm，一般桿件內(nèi)高800 mm，中跨跨中12個(gè)節(jié)間范圍桿件內(nèi)高變?yōu)? 200 mm，板厚20～40 mm；加勁弦內(nèi)寬1 000 mm，內(nèi)高1 600 mm，板厚28～48 mm。加勁弦、上弦采用四面對(duì)拼連接，下弦與橋面連接頂板采用熔透焊接，其他三面采用對(duì)拼連接。

主桁斜、豎腹桿根據(jù)內(nèi)力大小以及拉壓桿的分類，分別采用箱型截面和H型截面。其中H型截面桿件外高998 mm，外寬720～900 mm不等；箱型截面桿件外高998 mm，內(nèi)寬800～1 200 mm不等；腹板板厚20～40 mm，均采用內(nèi)插與節(jié)點(diǎn)板兩面連接。

2.3 短腹桿連接設(shè)計(jì)

鋼桁梁設(shè)計(jì)采用剛性連接桿件，當(dāng)桿件的截面高度與桿件長(zhǎng)度比值超過1/15時(shí)，節(jié)點(diǎn)次彎矩效應(yīng)明顯。本橋加勁弦與上弦連接過渡區(qū)域，相連兩個(gè)節(jié)間的腹桿長(zhǎng)度較小，此時(shí)桿件軸力較小而次彎矩極大，截面設(shè)計(jì)不能滿足規(guī)范要求。本次設(shè)計(jì)加勁弦與上弦連接過渡區(qū)域兩個(gè)節(jié)點(diǎn)短腹桿連接采用鉸接，在連接耳板上開設(shè)橢圓形銷孔，采用軸銷連接，如圖3所示。

圖3 短吊桿連接

2.4 橋面設(shè)計(jì)

主桁橫向中心間距24.2 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面兩側(cè)懸臂長(zhǎng)4 m，橋面寬度32.2 m，上跨京滬高鐵防異物侵限防護(hù)范圍內(nèi)兩側(cè)懸臂長(zhǎng)5 m，橋面寬度34.2 m。采用密橫梁形式的正交異性鋼橋面，縱向采用U型加勁肋，每節(jié)間內(nèi)設(shè)置4道橫梁，主桁間橫梁采用倒T型截面，支點(diǎn)及壓重區(qū)橫梁采用U型截面。橫梁內(nèi)高1 200～1 800 mm，縱肋全橋連續(xù)，遇橫梁開孔穿過，縱梁、橫梁均與橋面板焊接成整體。

考慮目前正交異性鋼橋面采用雙層SMA、雙層環(huán)氧及澆筑式瀝青混凝土鋪裝的橋面均出現(xiàn)不同程度的病害問題[3-5]，為減少上跨高鐵橋梁鋼橋面養(yǎng)護(hù)維修對(duì)高鐵運(yùn)營(yíng)的影響，設(shè)計(jì)采用50 mm厚UHPC超高性能混凝土＋30 mm SMA10與正交異性鋼橋面組合鋪裝體系。橋面布置見圖4。

2.5 轉(zhuǎn)體施工設(shè)計(jì)

上跨高鐵橋梁的施工主要有轉(zhuǎn)體、頂推和橫移三種[6-8]，本橋鋼梁施工采用帶輔助滑道簡(jiǎn)支體系非對(duì)稱轉(zhuǎn)體施工方案。主墩承臺(tái)安裝轉(zhuǎn)體支座及牽引系統(tǒng)，邊跨側(cè)距中墩五個(gè)節(jié)間處(61 m)設(shè)輔助滑動(dòng)系統(tǒng)，調(diào)整邊支點(diǎn)壓重，控制輔助滑道單支點(diǎn)反力為200 t，保證非對(duì)稱轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性。上部結(jié)構(gòu)非對(duì)稱不平衡問題表現(xiàn)為輔助滑道和主墩支座的豎向反力差異，球鉸受力明確。鋼桁梁豎向位移的調(diào)整可通過輔助支點(diǎn)的下沉實(shí)現(xiàn)主梁的剛性旋轉(zhuǎn)，調(diào)整大懸臂狀態(tài)下兩側(cè)懸臂端的高程相同，合龍完成后再將邊支點(diǎn)頂回至設(shè)計(jì)高程，調(diào)整主梁結(jié)構(gòu)的線形和內(nèi)力。

圖4 橋面布置(單位:m)

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

3.1 總體計(jì)算

本橋計(jì)算采用空間有限元分析程序Midas Civil，通過提取各控制工況下的桿件內(nèi)力，按《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]和《鐵路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果見表1。

主橋邊跨和中跨最大活載位移分別為32.8 mm和127 mm，相應(yīng)的撓跨比分別為1/3 597和1/2 078，均小于1/500，滿足規(guī)范要求。疲勞驗(yàn)算采用疲勞計(jì)算模型Ⅰ，疲勞活載按0.7倍車輛活載折減，并考慮1.3倍載荷放大系數(shù)。計(jì)算得到鋼桁梁上弦、加勁弦以及加勁弦斜腹桿的活載應(yīng)力幅值較小，均不超過35 MPa，按相應(yīng)疲勞細(xì)節(jié)等級(jí)驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。

表1 主桁控制桿件驗(yàn)算結(jié)果

3.2 UHPC超高性能混凝土正交異性鋼橋面組合體系鋪裝計(jì)算

分別對(duì)80 mm厚傳統(tǒng)柔性瀝青鋪裝方案、16 mm鋼板＋45 mm UHPC＋30 mm SMA10方案、14 mm鋼板＋45 mm UHPC＋30 mm SMA10方案、14 mm鋼板＋50 mm UHP C＋30 mm SMA10方案進(jìn)行鋼橋面板疲勞性能的有限元分析，研究車輛軸載對(duì)正交異性鋼橋面板疲勞易損細(xì)節(jié)處的應(yīng)力幅值影響。橋面板疲勞應(yīng)力幅值計(jì)算結(jié)果見表2。采用14 mm鋼板＋50 mm UHPC＋30 mm SMA方案，可降低各構(gòu)造細(xì)節(jié)的應(yīng)力幅值，能有效節(jié)省用鋼量，綜合成本更低。

表2 正交異性鋼橋面板各應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)最大應(yīng)力幅 MPa

3.3 門架立柱受壓穩(wěn)定計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)分析

鋼主梁、加勁弦、中支點(diǎn)立桿共同組成受力體系。立桿作為主要的受壓構(gòu)件，沒有合理的受壓桿件計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。研究采用有限元計(jì)算方法建模，考慮上加勁弦約束影響，對(duì)需要研究的受壓桿件在節(jié)點(diǎn)位置施加軸向力，在整體模型中計(jì)算單根桿件局部失穩(wěn)的穩(wěn)定系數(shù)，然后根據(jù)桿件的受力和相應(yīng)的屈曲穩(wěn)定系數(shù)，利用歐拉公式反算壓桿的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)。按該方法計(jì)算得到本橋控制桿件受壓穩(wěn)定計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)在0.46～0.67之間，計(jì)算結(jié)果與劉世忠針對(duì)東江大橋[11]關(guān)于剛性懸索加勁鋼桁梁豎桿縱向穩(wěn)定計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)研究的結(jié)果一致。

3.4 無應(yīng)力狀態(tài)法線形控制設(shè)計(jì)計(jì)算

鋼桁梁設(shè)計(jì)圖紙給出的均為成橋線形，而成橋線形實(shí)際為結(jié)構(gòu)在恒載作用下發(fā)生變形以后的線形，恒載和活載變形一般以預(yù)拱度給出，預(yù)拱度通過調(diào)整上弦桿件的長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)[12]。本橋設(shè)計(jì)采用無應(yīng)力狀態(tài)法進(jìn)行鋼桁梁的設(shè)計(jì)線形控制，以線路橋面坐標(biāo)為目標(biāo)線形，將預(yù)拱度代入模型迭代求解設(shè)計(jì)線形，圖紙按桿件的無應(yīng)力狀態(tài)繪制，具體計(jì)算過程見表3。迭代誤差小于規(guī)定容許值即停止迭代，最終的成橋線形需要通過合理的施工過程控制來實(shí)現(xiàn)。

表3 無應(yīng)力狀態(tài)法線形控制設(shè)計(jì)過程

本橋采用的非對(duì)稱轉(zhuǎn)體施工，大懸臂狀態(tài)懸臂端兩側(cè)高差約16 cm，如何實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)線形是施工控制的關(guān)鍵問題。通過控制輔助支點(diǎn)沉降實(shí)現(xiàn)主梁剛性旋轉(zhuǎn)，兩側(cè)輔助支點(diǎn)分別下降0.371 m和0.32 m，剛性旋轉(zhuǎn)的角度分別為0.348°和0.3°。此時(shí)合龍段兩側(cè)桿件端頭高程和桿件轉(zhuǎn)角相同?？缰袟U件合龍后，將左右側(cè)邊支點(diǎn)分別頂升至設(shè)計(jì)高程，調(diào)整結(jié)構(gòu)內(nèi)力，兩側(cè)的頂升高度分別為0.841 m和0.717 m。最終計(jì)算得到本橋的成橋線形與目標(biāo)線形差異不超過5 mm，如圖5所示。

圖5 成橋線形與設(shè)計(jì)線形差異

4 結(jié)論

廊坊光明道首次采用上加勁弦體系連續(xù)鋼桁梁長(zhǎng)懸臂非對(duì)稱轉(zhuǎn)體施工跨越京滬高鐵，各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的新穎性和獨(dú)特性總結(jié)如下:

(1)鋼桁梁建筑結(jié)構(gòu)高度低，能有效解決上跨高鐵凈空受限問題，上加勁弦體系更有利于轉(zhuǎn)體施工。

(2)采用軸銷連接能顯著改善短吊桿受力，剛性上加勁弦橫向約束明顯，能夠控制門架立柱受壓穩(wěn)定計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)不超過0.7。

(3)超高性能混凝土(UHPC)與正交異性鋼橋面組合鋪裝體系，可提高橋面板的局部剛度，解決正交異性板疲勞開裂和鋪裝層損壞兩大技術(shù)難題。

(4)采用帶輔助滑道簡(jiǎn)支體系轉(zhuǎn)體方案，球鉸受力明確，剛性旋轉(zhuǎn)位移調(diào)整能夠保證主梁順利合龍，解決長(zhǎng)懸臂非對(duì)稱轉(zhuǎn)體傾覆穩(wěn)定以及合龍的各項(xiàng)技術(shù)難題。