新建广州南沙港铁路小榄水道公铁两用特大桥方案设计

张晓江

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

新建广州南沙港铁路小榄水道公铁两用特大桥方案设计

张晓江

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

新建广州南沙港铁路小榄水道大桥主桥为主跨200 m公铁两用斜拉桥,为解决传统分层布置线路展线过长的问题,在加劲梁的设计中创造性地采用公路与铁路同层布置,梁体采用分离式钢箱结构,桥塔采用H形桥塔,桥型新颖、线形优美、简洁美观。通过对结构整体与局部的有限元分析,满足规范各项指标要求,为今后类似工程的设计提供借鉴。

公铁两用桥;斜拉桥;分离式钢箱梁;方案设计

1 概述

广州南沙港铁路线路全长87.697 km,线路自广珠铁路鹤山站珠海端引出,终点站为南沙港站。小榄水道特大桥位于广东省中山市小榄镇,主桥于CK35+ 567.5～CK35+762.5处跨越小榄水道,小榄水道在广东省中南部,属西江水系。小榄水道现为Ⅲ级航道,规划为Ⅰ(3)级航道,通航净高18 m。

由于本桥线位与江门至广州番禺高速北延线小榄水道并行,公路桥结构方案形式为100 m+195 m+ 100 m刚构,为减少工程数量,并充分利用铁路跨越水道的资源,采用公铁并行方案。

2 主要技术标准

2.1 铁路技术标准

(1)铁路等级:国铁I级;

(2)正线数目:双线;

(3)轨道型式:有砟轨道;

(4)正线线间距:4 m;

(5)速度目标值:120 km/h;

(6)设计活载:中-活载。

2.2 高速公路主要技术标准

(1)设计基准期:100年;

(2)道路等级:高速公路;

(3)设计行车速度:120 km/h;

(4)主线设计车道:双向8车道,采用2×(0.75+ 3+3×3.75+0.75)m的行车道;

(5)设计汽车荷载:公路-Ⅰ级。

3 主桥方案设计

3.1 桥跨布置

根据通航论证,结合桥址跨越航道、港口码头情况,考虑桥墩阻水及稳流影响,主跨采用200 m一跨跨越航道。

3.2 结构总体布置

主桥采用(35+60+200+60+35)m公铁两用混合梁斜拉桥方案,主桥长391.9 m。主跨200 m跨越小榄水道。桥式布置如图1所示。

图1 主桥总体布置(单位:cm)

根据斜拉桥的结构特点,为降低温度效应对主塔、主梁产生的不利影响,主梁采用半漂浮体系。在主塔和主梁之间安装阻尼装置,以控制主梁在制动力和地震力作用下的纵向位移。在各墩上设置竖向支座,主塔上同时设置横向支座限制主梁横向位移。同时为了增加全桥刚度,边跨设置辅助墩。

3.3 结构设计

3.3.1 主梁(图2)

本桥采用分离式组合钢箱梁,全宽47.5 m,线路中心至箱梁最低点高4.5 m,采用等截面箱梁。斜拉索锚固于箱梁上。顶板纵向采用U形加劲肋,横向间距600 mm。腹板、底板纵向采用板形加劲肋,间距500 mm,厚16 mm。铁路桥面轨道下方设置工形加劲梁。钢箱梁主材采用Q370qE钢材。

分离式组合钢梁每个节段设3道箱内横隔板,间距3.375 m。组合箱梁由中间横梁连接,该横梁间距为10 m,对应斜拉索的位置布置。中间横梁横断面为矩形箱形断面,梁高约5 m,腹板中心距为3.375 m,底板厚28 mm,腹板厚16 mm,顶底板及腹板上均采用16 mm×200 mm的I肋加劲,中间横梁内每隔2 m设一隔板,板厚10 mm。

为减小边跨长度,边跨主梁采用C50预应力混凝土梁结构形式,外形轮廓同主跨钢箱梁。锚固腹板壁厚2 m,其他壁厚0.35 m,腹板厚0.5 m。吊点横梁采用箱形,跨中高5 m,腹板厚0.5 m。

图2 桥面布置及主梁标准截面(单位:mm)

在辅助墩处往跨中方向10 m左右范围内设置钢混结合段,采用整体式填充混凝土,通过施加预应力,设置抗剪栓钉,并通过加劲肋的逐渐变高,以缓解梁体刚度的突变,保证力的顺畅传递。

3.3.2 斜拉索

拉索为双索面布置,全桥共设36对斜拉索。采用强度等级为1 670 MPa的高强钢丝,斜拉索规格为PES7-199～379。拉索长度37.2～102.2 m。在塔顶,拉索锚固于塔上钢锚箱,锚点间距1.6～2.3 m;在主梁上,拉索锚固于钢嘴内钢锚箱,钢箱梁上索间距10 m,混凝土梁上索间距10～8 m。在索塔内张拉。斜拉索在主梁锚点附近设外置式阻尼器以抑制风雨振。

3.3.3 桥塔

边塔从横向看采用双柱形索塔,从顺桥向看采用单柱式索塔。桥面以上塔高52 m,桥面以下塔高32 m。桥塔顺桥向宽度由塔顶6 m渐变为塔底8 m,上塔柱横桥向宽4.5 m,下塔柱横桥向采用圆弧内缩小,横桥向宽由54 m渐变为40 m。上塔柱采用单箱单室结构,前后塔壁厚1.5 m,侧面壁厚1.2 m;下塔柱采用分离矩形截面。索塔边塔下承台尺寸为18 m× 15.68 m,厚5 m,设2 m高塔座。基础采用钻孔桩基础,桩径3 m,每个承台设8根桩。如图3所示。

4 计算模型与结果分析

4.1 模型的建立(图4)

采用Midas/Civil分析软件建立有限元模型,根据主桥结构特点,主梁采用梁单元,斜拉索采用杆单元模拟。整体结构共计313个节点,梁单元222个,桁架单元72个。材料特性按规范取值。

图3 中塔结构示意(单位:cm)

图4 MIDAS/CIVIL空间有限元整体模型

4.2 荷载组合

公路按照8车道高速公路等级设计,公路I级车道荷载,纵向计算按8车道加载,按《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60—2004)对车道数进行纵、横向折减。《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)规定,与铁路荷载组合时,公路荷载按全部活载的75%计算。

4.3 主要计算结果

4.3.1 结构刚度

对于铁路斜拉桥而言,由于车桥的共同作用,刚度是其设计控制的重要指标,铁路桥梁必须对其活载位移进行严格控制,通过调整主要构件间的刚度分布、边跨辅助墩、结构体系、桥塔形式及高度等参数,对全桥的活载刚度进行控制,以满足车桥耦和要求,其主要计算结果见表1,铁路+公路组合静活载作用下的主梁活载挠度包络图见图5。

表1 活载作用下的结构位移

图5 铁路+公路组合静活载作用下的主梁活载挠度包络图(单位:cm)

4.3.2 主梁内力

斜拉桥主梁相当于由斜拉索支撑的多点约束连续梁,其弯矩较梁式桥大为减小,本桥主梁内力计算结果如图6、图7所示。

图6 主梁轴力包络图(主力)(单位:kN)

4.3.3 斜拉索索力

斜拉索为斜拉桥重要的承重构件,在设计过程中,根据目前设计通用作法,斜拉索安全系数采用2.5,其应力计算结果如图8所示。

由图8可知,斜拉索使用阶段应力满足规范要求。

图8 斜拉索应力包络图(恒载+活载)(单位:MPa)

4.4.4 钢箱局部受力分析

对于分体式公铁两用钢箱梁斜拉桥,目前研究的较少,为使结构安全可靠,建立节段模型对钢箱进行节段分析,采用Midas/Civil软件建立计算模型,全部采用板单元。拉索处边界条件按荷载施加,按一端固定一端反力将全桥内力反加于模型。其计算模型与计算结果如图9所示。

图9 模型结构示意

通过计算可知,在最不利荷载组合下,其钢箱梁应力结果如表2所示。

表2 钢箱主梁应力MPa

钢箱梁结构各项应力指标均满足规范要求。

5 结论

(1)本桥荷载为8车道公路及双线铁路,主梁若采用普通钢桁梁,杆件尺寸较大,设计、制造均较困难。本桥采用刚度大、能承受斜拉索轴向力及桥面整体性好等优点的分离式钢箱主梁是最为合适的。

(2)本方案横向宽度较大,通过对此种类型截面的受力进行有效地分析,了解了其受力特性。通过计算可知,分离式钢箱梁用于铁路斜拉桥具有较好的受力特性。

(3)对于分体式钢箱,目前还没有针对斜拉桥的相关规范规定,本实例可供相关设计参考。

[1] 易鹏.大跨度公铁两用斜拉桥计算模型简化的探讨[J].铁道标准设计,2003(9):16-17.

[2] 马坤全,王志平.大跨度铁路斜拉桥抗震性能研究[J].铁道标准设计,2005(4):47-52.

[3] 陈开利,余天庆.混合梁斜拉桥结合段设计技术的新发展[J].铁道标准设计,2006(5):43-44.

[4] 徐升桥,刘永锋.北京市六环路斜拉桥设计关键技术[J].铁道标准设计,2009(11):52-55.

[5] 王富君.跨既有铁路矮塔斜拉桥设计与转体施工[J].铁道标准设计,2011(3):58-61.

[6] 刘士林.斜拉桥[M].北京:人民交通出版社,2002.

[7] 严国敏.现代斜拉桥[M].成都:西南交通大学出版社,1996.

[8] 杨新宝,曹雪琴.大跨度铁路斜拉桥竖向刚度的研究[J].上海铁道学院学报,1995,16(2):12-20.

[9] 易伦雄.大跨度铁路桥梁桥型方案构思与设计[J].桥梁建设, 2005(2):33-36.

[10]刘春彦.有碴正交异性板钢桥面系铁路钢桥的设计研究及优越性的探讨[J].铁道标准设计通讯,1989(2):11-16.

[11]韩衍群.三主桁道碴整体桥面板桁组合梁桥分析理论及计算方法研究[D].长沙:中南大学,2008.

[12][日]小西一郎.钢桥(第一分册)[M].北京:人民铁道出版社,1981.

Scheme Design of Xiaolan Waterway Bridge Used for Both Highway and Railway on New Nansha Port Railway in Guangzhou

ZHANG Xiao-jiang
(Bridge Engineering Department,China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)

highway-railway combined bridge;cable-stayed bridge;separated steel box beam, scheme design

U448.12+1;U448.27

A

1004-2954(2013)03-0070-04

2012-07-24;

2012-08-05

张晓江(1978—),男,工程师,2007年毕业于石家庄铁道学院,工学硕士。

Abstract:Xiaolan Waterway Bridge on New Nansha Port Railway in Guangzhou is a super major cable-stayed bridge with the main span of 200 meters,which is used for both the highway and railway.If the highway and railway are arranged at the different layer of bridge deck as traditional way,the line extension will be too long.To solve this problem,the highway and railway are creatively arranged at the same layer of bridge deck in the design of the stiffening beam.And then separated steel box girder and H-shaped bridge towers are used in this bridge with a novel,simple and beautiful appearance.Through overall and partial finite element analysis,all requirements stipulated in relevant standards can be complied with.Furthermore,this project provides a reference for future similar projects.