跨兰西高速公路特大桥主桥连续梁-钢桁组合结构设计

盖小红

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

兰新第二双线自甘肃兰州至新疆乌鲁木齐,跨兰西高速特大桥位于青海省西宁市,距新西宁站约2 km,为跨越兰西高速公路而设。桥位处兰西高速与新建铁路夹角20°,高速公路为沥青路面双向四车道,宽度26 m,同时受西宁站站坪高度和韵家口隧道埋深的限制,线路高程不能抬高,而桥下净空要求不小于5.5 m,为满足高速公路限界要求,需采用主跨160 m以上且建筑高度较低的桥梁结构。经方案比选,结构采用一联(80+168+80) m连续梁-钢桁组合结构,主梁为预应力混凝土连续梁,在主跨156 m范围内设置无竖杆三角桁加劲钢桁。桥梁总体布置见图1,桥梁效果图见图2。

图1 桥梁立面布置(单位:cm)

图2 主桥效果图

2 连续梁-钢桁组合结构方案的提出

为保证高速行车,高等级铁路对轨道平顺度要求很高,由于无砟轨道的可调整量非常小,这就对桥梁的刚度及附加变形控制提出了更高的要求。连续梁-钢桁组合结构为一种新型桥梁形式,由主要承重结构预应力混凝土梁和加劲钢桁梁组合而成,与梁式桥相比,结构整体刚度大幅提高,结构徐变变形明显减小,极大改善梁端转角。与梁-拱组合结构相比,由于加劲桁为平弦结构,因此温度引起的附加变形明显减小,而且由于桥下净空较低,如果采用连续梁加拱的结构,则拱肋矢高将达30 m以上,从桥梁美学角度来说显得头重脚轻,与周围景观协调性差。加劲钢桁梁钢桁架沿纵桥向对梁部实施的局部加强,正好弥补了T构或连续梁截面高度大幅变小区域竖向刚度不足的弱点,使整个桥梁结构的竖向刚度变化趋于一致,满足了特殊桥位对跨度和净空的双重要求。在高速铁路需大跨跨越且结构高度受限的环境中有较为明显的优势。梁高和跨度相同时,连续梁-钢桁组合结构与连续梁的刚度比较见表1。

表1 连续梁-钢桁组合结构与连续梁刚度比较

3 主要技术标准及建筑材料

3.1 主要技术标准

(1)铁路等级：Ⅰ级;

(2)双线铁路桥,位于R=7 000 m的曲线,线间距5.0 m;

(3)轨道类型：双块式无砟轨道;

(4)速度目标值： 200 km/h,线下预留提速至250 km/h的条件;

(5)建筑限界：《高速铁路设计规范》(试行);

(6)设计活载： ZK活载。

(7)主体结构设计使用年限为100年；

(8)桥址处的地震动峰值加速度值为0.1g,相当于地震基本烈度7度,地震动反应谱特征周期0.45 s；

(9)环境类别及作用等级：梁部结构环境类别为碳化环境,作用等级为T2。

3.2 主要建筑材料

(1)混凝土：主梁有节点梁段及0号梁段混凝土采用C55聚丙烯纤维混凝土,

(2)钢绞线：箱梁纵向预应力钢束采用φS15.20 mm、竖向预应力钢束采用φS28.6 mm,标准强度fpk=1 860 MPa、低松弛钢绞线。

(3)钢材：钢桁梁的主桁采用Q370qE级钢。高强螺栓采用M24、M27的10.9S级高强度螺栓；M24材质为20MnTiB,M27材质为35VB。

4 主桥结构构造

主桥一联(80+168+80)m连续梁-钢桁组合结构,全桥位于R=7 000 m的曲线及7.5%的下坡道上,全联箱梁均按照曲线梁设计,中跨钢桁按直线节间折线布置。主梁为预应力混凝土连续梁, 在主跨156 m范围内设置无竖杆三角桁加劲钢桁,下节点采用PBL剪力键与梁体连接。跨中横截面布置见图3。

图3 主梁支点及跨中截面(单位:cm)

4.1 主梁构造

主梁全长329.5 m,梁体采用单箱双室变高度箱形截面,边跨及中跨直线段梁高5.0 m,中支点处梁高11 m,梁底缘按1.8次抛物线变化,抛物线方程为：y=0.003 365 327 1x1.8。主梁顶板全梁等宽15.2 m,顶板厚0.5 m,底宽11.6 m。底板厚度由0.5 m变化至1.2 m,腹板厚度由0.45 m渐变到0.9 m,并在中支点根部一定范围内加厚到1.5 m。主梁横截面见图3。

4.2 加劲钢桁

加劲钢桁为整体节点无竖杆三角形桁,横桥向设在行车道外侧设2榀钢桁,桁中心距11.2 m,桁高12 m,节间长度采用12 m,全桥13个节间。主桁构造见图4。

图4 主桁构造(单位:cm)

主桁弦杆采用等高度焊接箱形截面,弦杆内宽为750 mm,竖板高度1 000 mm,板厚24～36 mm。腹杆采用“H”形截面,高700 mm,外宽750 mm,板厚20～24 mm。弦杆及腹杆构造见图5，主桁弦杆及腹杆的连接采用M27的高强度螺栓。

图5 弦杆及腹杆构造(单位:mm)

主桁上、下节点均采用整体节点形式,其中下节点埋入梁体68～80 cm,采用PBL剪力键与梁体连接。上平纵联与整体节点连接螺栓采用M24的高强度螺栓。弦杆采用四面拼接,腹杆采用两面拼接。主桁弦杆及腹杆的连接采用M27高强度螺栓。主梁与钢桁的连接构造见图6。

图6 主梁与钢桁连接构造(单位:mm)

钢桁两端斜杆上设有斜向桥门架,桥门架为板式结构,其构件焊于上平纵联支杆和端斜杆上。

5 主桥结构设计

5.1 纵向平面静力计算分析

纵向平面静力分析采用西南交大“桥梁结构分析系统BSAS”,按照主桥梁部的实际构造进行结构离散,梁部划分单元124个、节点125个,钢桁共38单元,钢桁与梁采用刚臂连接。并依据规范对结构的强度及刚度进行验算。主要计算结果如下。

(1)主梁

主梁为预应力混凝土受弯构件,施工阶段及运营阶段计算结果见表2。从表2中可以看出,主梁强度及刚度均满足规范要求。

(2)钢桁

计算出钢桁杆件轴力并考虑节点刚性引起的次应力后进行检算。计算结果为弦杆最大压应力σmax=-155.0 MPa,腹杆最大压应力σmax=-156.1 MPa, 均满足Q370qE级钢材的基本容许应力。

高强螺栓容许荷载按下式计算

P=mч0N/K

表2 主梁计算结果

注：表中L为桥梁中跨或边跨跨度,mm。

式中P——高强螺栓容许荷载，kN；

m——高强螺栓连接处的抗滑面数；

ч0——高强螺栓连接的钢材表面抗滑移系数；

N——M24高强螺栓设计预拉力N=240 kN,M27高强螺栓设计预拉力N=290 kN；

K——安全系数,取1.7。

PBL剪力键是一种应用于钢-混凝土组合结构的新型剪力连接件。这种连接件的基本形式是在钢板上开孔后浇筑混凝土,利用穿过孔中的混凝土榫来抵抗剪力流,若在钢板孔中穿受力钢筋可以进一步提高其承载力。剪力连接件在混凝土中受力较为复杂,除理论分析外,还须通过大量的试验来确定其承载力。

5.2 空间结构分析

桥梁采用多自由度有限元模型,以空间梁单元为基本单元,墩梁间支座的约束条件通过主从节点处理,基础刚度以承台底位置处的等效弹簧刚度模拟,二期恒载取为140 kN/m,作为均布质量分配到梁部结构对应的单元中。动力特性计算结果见表3。

表3 结构动力特性

5.3 车桥耦合动力分析

列车模型是由多节机车和车辆组成的列车。每节车辆(机车)都是由车体、转向架、轮对、弹簧和阻尼器组成的多自由度空间振动系统。分析结果表明,本桥最大垂向振动加速度为0.300 m/s2,远小于0.35g,最大横向振动加速度为0.196 m/s2,远小于0.14g,主梁跨中最大横向动位移为0.403 mm,钢桁上弦最大横向动位移为0.806 mm,墩顶最大横向动位移为0.349 mm,跨中最大动挠度为10.296 mm,动力系数最大为1.211,可认为无共振现象,桥梁的动力响应均满足要求。当德国ICE3高速列车、国产高速列车、日本500系车以及CRH2动车组通过桥梁时,所有计算工况下的轮重减载率、脱轨系数和轮轴横向力均小于限值,行车安全性满足要求。当采用德国低干扰谱,国产高速列车和德国ICE3高速列车以速度250～420 km/h通过桥梁时,所有工况下乘坐舒适度达到优或良,当日本500系高速列车以速度250～420 km/h通过桥梁时,除400 km/h及以上车速时乘坐舒适度为合格外,其他所有工况下列车乘坐舒适度为良。总之本结构满足中速客车在160～250 km/h和高速客车在250～420 km/h范围内安全舒适运行。

6 结语

兰西高速特大桥主桥采用一联(80+168+80)m连续梁-钢桁组合结构,该桥结构新颖、建筑高度低、跨越能力大,结构分析结果也表明,该桥式结构刚度大,动力性能优越,适用于对轨道平顺度要求高、无砟轨道的可调整量小的高等级铁路。另外由于本桥为一种新型的桥梁结构,在施工过程中应该重视钢结构制造及安装、下节点精确定位、桥梁施工线形控制、大吨位挂篮、下节点摩擦面防护等关键性技术问题。

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