公铁平层超宽钢箱梁过塔方案设计与分析

王玉珏

中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031

大跨斜拉桥主梁常采用钢桁梁或钢箱梁两种结构形式，与钢桁梁主梁相比，钢箱梁主梁截面整体性好，能够承受更大的轴力，抗风稳定性和抗扭刚度好，方便制造及施工，后期养护维修方便，但是车道（线路）不能上、下分层布置，只能布置在同一平面上。对于公铁两用斜拉桥或其他车道（线路）数较多的斜拉桥，如采用整体钢箱梁截面，由于所有车道、线路等只能布置在桥面位置，从而导致桥面较宽，在过塔位置桥塔下横梁跨度较大，增加了桥塔下横梁设计难度、施工难度和风险。

川南城际铁路位于四川境内，成渝经济圈腹地，连通内江、自贡、宜宾和泸州。宜宾临港公铁两用长江大桥位于宜宾市临港区，跨越长江，见图1。

图1 桥位示意

为节约通道资源和工程投资，桥上布置4线铁路、6车道公路、人行道和非机动车道。该桥采用国内首创公铁平层设计，桥面宽度达63.9 m，设计时为世界上宽度及跨度第一的公铁两用钢箱斜拉桥。由于桥面较宽，主梁过塔时会导致桥塔下横梁跨度达80 m，且该桥下横梁距承台顶面高75 m，在如此高的位置施工大跨度下横梁风险较高。因此，本文综合考虑设计难度、施工风险、经济性等因素，选择合理的主梁过塔方案，以减小过塔桥面宽度和下横梁跨度。

1 技术标准

铁路部分为4线客运专线，采用有砟轨道，设计荷载为ZK荷载，设计速度300 km/h。采用川南城际铁路外包渝昆高速铁路的方式，线间距为（6.5+5.0+6.5）m。公路部分为双向6车道的城市主干道，主线设计速度80 km/h，匝道设计速度小于等于40 km/h，城-A级荷载。

2 主梁过塔设计

2.1 结构概述

宜宾临港公铁两用长江大桥全长1 742.49 m，主桥长1 075.2 m，采用双索面整体式钢箱梁斜拉桥，全桥孔跨布置为9×40.0 m（铁路简支梁或公路连续梁）+（72.5+203+522+203+72.5）m（主桥）+7×40.0 m（铁路或公路连续梁），桥梁整体效果见图2。

图2 桥梁整体效果

国内设计的公铁两用桥主梁常选用公路在上、铁路在下的三主桁结构形式。渝昆高速铁路与川南城际铁路并线共站后，采用川南城际铁路外包渝昆高速铁路的布置方式。该桥三主桁须增加线间距，线路过渡长约11 km。考虑公铁同层可减小线间距、节约投资，公路桥面维修对铁路无影响，还可降低公路桥面标高、节能环保，且钢箱梁外露表面少，后期养护量少等因素，最终主梁采用公铁同层的钢箱梁方案。4线高速铁路设置在桥面中间，桥面两侧各布置3车道城市道路、人行道和非机动车道，如图3所示。

图3 宜宾临港公铁两用长江大桥主桥断面布置（单位：mm）

2.2 过塔方案比选

钢箱梁过塔方案有3种：①梁部直接过塔；②慢行系统（非机动车道、人行道［1］）部分或全部下置［2-4］，见图4（a）。③慢行系统（非机动车道、人行道）外绕桥塔［5-6］，见图4（b）。

图4 钢箱梁过塔方案

由于该桥桥宽63.9 m，梁部直接过塔会导致桥塔下横梁跨度达到80 m，对结构受力及施工均不利。因此，考虑慢行系统下置或外绕桥塔方案，二者对比见表1。可知，慢行系统非机动车道与人行道均下置或慢行系统外绕桥塔，穿塔处桥面宽度及桥塔下横梁跨度较小。考虑行人视野、整体景观效果等因素，最终确定慢行系统外绕桥塔方案。

表1 慢行系统下置方案与慢行系统外绕桥塔方案对比 m

2.3 慢行系统外绕桥塔方案设计

绕塔区采用纵横梁体系，在转弯处考虑非机动车转弯半径须要进行局部加宽，纵梁采用I20b工字钢，横梁采用I28b工字钢，横梁下方压杆采用箱形截面。横梁及压杆通过预埋钢板和预埋件与桥塔连接。由于绕塔区人行道和非机动车道固定在桥塔上，其他位置人行道和非机动车道是固定在主梁上，在温度、地震等作用下，主梁与桥塔有位移差。经计算，绕塔区结构与主梁横向预留2 cm的伸缩缝，主梁与桥塔预留62.4 cm的纵向缝隙，见图5。

图5 慢行系统外绕桥塔方案平面和横断面（单位：mm）

选取慢行系统绕塔断面最宽处，取4根横梁范围内的纵横梁体系，采用MIDAS/Civil建立有限元模型。

2.3.1 荷载

1）自重。考虑加劲肋及焊缝，自重系数取1.15。

2）二期恒载。人行道铺装5.8 kN/m2，非机动车道铺装5.6 kN/m2。U形排水槽及人行道栏杆3.2 kN。

3）非机动车及人行荷载。根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》4.3.6条，按标准值4kN/m2的均布荷载计算。

4）温度荷载。按整体升降温20℃考虑。

2.3.2 计算结果

1）杆件应力结果。主力作用下，Q345qD容许正应力与剪应力分别为210、120 MPa；主力+附加力作用下，则分别为273、156 MPa。在主力和主力+附加力作用下，纵横梁的正应力及剪应力计算结果见表2。可知，杆件应力满足要求。

2）稳定性计算结果。偏心受压斜撑最大轴力N为175.3 kN，对应弯矩M为13.6 kN·m。根据TB10091—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》4.2.2条计算偏心受压斜撑稳定性：工字钢高度h=280 mm，毛截面面积Am=61 cm2，毛截面抵抗矩Wm=534 cm2。根据TB 10091—2017确定构件计算长度L0=4.29 m，杆件长细比λ=4.29/0.28=15.3，则折减系数ψ1=0.9；x轴回转半径γx=11.1 cm，y轴回转半径γy=2.44 cm，α为系数，焊接杆件取1.8，铆接杆件取2.0，换算长细比λe=αL0γx/（hγy）=125.5，则折减系数ψ2=0.41。

钢材容许应力［σ］为200 MPa，N/Am＞0.15ψ1［σ］，则考虑弯矩因构件受压的增大系数μ1=0.994。N/Am+ψ1M/（μ1ψ2Wm）=28.7+56.2=84.9 MPa＜ψ1［σ］，杆件稳定性满足规范要求。

3）挠度计算结果。对有限元模型施加最不利荷载，慢行系统外绕桥塔方案纵横梁最大挠度为4.5 mm，根据GB 50017—2017《钢结构设计标准》附录B要求，纵横梁挠度容许值为L/150=124 mm，结构挠度满足要求。

3 结论

1）慢行系统外绕桥塔方案纵横梁的应力、稳定性、挠度等各项指标均满足规范要求，结构受力安全可靠。

2）慢行系统外绕桥塔方案可有效减小主梁过塔宽度，从而减小下横梁跨度，降低设计难度与施工风险。

3）慢行系统外绕桥塔方案整体外形流畅美观、行人视野开阔、行车无压抑感、整体气动外形较优、非机动车行车安全舒适、引桥净高不受限。