铺设无砟轨道的平面折线钢桁结合梁设计及施工关键技术研究

郑亚鹏,万田保,杨光武,邹敏勇

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司,武汉 430056)

1 工程概况

福州市道庆洲大桥是福州主城与长乐连接的一条快速通道，大桥位于青州闽江大桥和福泉高速乌龙江大桥之间，距离青州闽江大桥约7 km，距离乌龙江大桥约5 km，在道庆洲湿地边缘通过。

跨江大桥采用“公路+轨道”双层合建方式，上层公路为6车道城市主干道兼一级公路，下层为双线地铁6号线。跨江桥全线长2 268.5 m，均为双层钢桁结合梁结构，其中跨江引桥第5联，采用2×84 m(墩中心线跨度)的连续钢桁结合梁[1]。见图1。

2 桥梁设计技术难点

相比其他同类型桥梁，本桥在技术方面具有以下难点。

(1)为适应线路平曲线的变化，本桥采用以折代曲方案，以平面折线钢桁梁适应线路平曲线变化，折线钢桁梁的设计难度较为复杂。

(2)为节省施工临时设施费用，本桥架设方式采用悬臂拼装[2]。与常规直线钢桁梁相比，折线钢桁梁在大悬臂状态下其受力状态存在整体扭曲的效应。

(3)中墩处上层桥面混凝土板在负弯矩区，为保证此处混凝土桥面板裂缝宽度满足规范要求，采取中墩顶落梁措施。折线钢桁梁在中墩顶落梁情况下，存在上、下层桥面横向偏移的效应。

(4)地铁桥面采用无砟轨道。为适应线路平曲线的要求，无砟轨道需要设置超高[3]。同时，为避免桥面积水，地铁桥面系为双向横坡结构。在双向横坡桥面上，无砟轨道的超高设计更为复杂。

3 主要技术标准

(1)设计基准期100年。

(2)上层桥面线路标准：城市主干道兼一级公路，6车道，设计行车速度60 km/h，城市A级。

(3)下层桥面线路标准：地铁6号线，双线通行，设计运行速度100 km/h，线间距4.2 m，采用国家标准B2车型，列车编组6辆，接触网受电，车辆最大轴重140 kN，最小轴重65 kN，空载轴重80 kN。

4 结构设计

4.1 总体布置

桥梁所在线路立面纵坡0.3%，平面线路左线线型为R=1 003.9 m的平曲线，右线线型为R=1 008.1的平曲线。

桥梁跨度布置为：(0.95+83.8+83.8+1.09) m=169.64 m两跨布置，见图1所示。为适应线路平曲线变化，在中墩处主桁平面折角为177.617°，见图2。

图2 桥梁平面布置

公路和轨道交通采用分层布置方案[4]，上层桥面采用6车道公路和两侧非机动车道，下层为双线轻轨。桥梁横断面布置见图3。

图3 桥梁横断面(单位：m)

由于折线钢桁梁，折点处受力较大(见后文受力分析)，钢桁梁主桁在中墩附近各1个节间采用Q420qE钢材[5]，其余主桁采用Q345qD钢材。公路桥面板采用C50混凝土，桥面板钢筋采用HRB400钢筋。

4.2 主桁

主桁采用三角形桁架[6]，标准节间长度12 m，桁高 9.5 m。上、下弦杆均采用箱形截面，腹杆采用箱形截面或H形截面。主桁节点采用焊接整体节点，节点外拼接。上弦杆高1.56 m，下弦杆高1.46 m，内宽均为1.0 m。

主桁在中墩处弯折，倒圆半径为R5 m。上弦杆在节间中间弯折，结构设计相对常规。下弦杆在节点处弯折，结构设计比较复杂，曲线内侧主桁腹杆在节点处夹角为63.16°，曲线外侧主桁腹杆在节点处夹角为65.85°；同时每个节点有2块节点板，弯折处共有4块节点板，结构尺寸参数均不一致，其中一块节点板的结构参数见图4。由于折线钢桁梁的复杂性，主桁结构采用BIM软件三维正向设计[7]，钢梁制造单位也采用三维放样制造[8]。

图4 主桁弯折处节点板构造(单位：mm)

4.3 轨道交通桥面系

轨道交通桥面系采用“纵横梁+正交异性板整体钢桥面”[9]。每隔12 m设置1道大横梁，中间设置3道横肋。铁路桥面系顶板厚16 mm，顶板采用板式加劲肋。铁路桥面系与主桁连接采用栓焊结合方式[10]，铁路桥面系顶面设置1%横坡。铁路桥面系横梁在主桁弯折处采用箱型横梁，以约束弯折主桁的扭转效应[11]。

4.4 公路桥面系

公路桥面系采用钢混结合梁[12]，混凝土板厚220 mm，钢横梁采用密横梁体系，混凝土板和钢横梁通过剪力钉连接。公路桥面系顶板设置2%横坡。

混凝土桥面板采用C50高性能混凝土，纵横向分块预制，板厚220 mm。桥面板主筋采用HRB400钢筋，纵向钢筋直径φ20 mm，间距12.5 cm，横向钢筋直径φ22 mm，间距12.5 cm。混凝土板预制存梁期180 d。

4.5 预拱度

主桁设有预拱度[13-14]，预拱度由上弦杆长度伸缩形成，伸长或缩短的值在上弦杆拼接板的拼缝中变化，弦杆和斜杆仍交汇于节点中心。纵向预拱度考虑恒载和竖曲线的影响，由于平面折线钢桁梁，内外侧主桁的恒载挠度不一致，预拱度的设置需考虑此影响。

4.6 无砟轨道及其他地铁附属

本桥轨道交通设计速度为100 km/h，采用6辆B2编组车型。根据调研，国内外轨道交通钢桥轨道型式主要有明桥面木枕轨道、碎石道床轨道、板式轨道、梯形轨枕轨道、减振垫浮置板轨道等[15]。

经过综合比较考虑，本桥采用减振垫浮置板轨道[16](图5)。减振垫浮置板轨道在普通板式轨道下设一层减振垫，减振垫与板式轨道组成质量弹簧系统，以起到减振作用[16]。减振垫直接铺设在钢梁面，限位装置简单，限位凸台与桥面之间采用焊接。

图5 减振垫浮置板轨道(单位：mm)

对于折线钢桁梁，轨道板会存在横向超高问题，同时叠加钢梁横坡变化，轨道板设计比较复杂。本桥曲线段的钢限位凸台，每一个结构尺寸均不同，均根据位置进行调整。

5 受力分析

采用桥梁空间结构分析软件Midas Civil，建立结构分析模型。弦杆、腹杆、纵横梁采用梁单元，混凝土板和下层桥面钢板采用板单元。混凝土板施工考虑收缩徐变的影响。

结构荷载：①一恒，按照密度调整系数施加，调整系数为1.33；②二恒，按照压力荷载施加，其中地铁二恒92 kN/m；③公路活载，6车道“城A”；④轨道交通活载，6辆编组“B2型车”。

5.1 悬臂拼装计算

为节省施工临时设施费用，本桥架设方式采用悬臂拼装[2]。为减小悬臂长度，在每跨的中间设置1个临时支墩。悬臂拼装的最不利工况是：钢桁梁拼装到第2跨的临时墩处(大悬臂阶段，未上临时墩)。

在大悬臂阶段，中墩处钢桁梁的上、下弦杆会发生横向错动变形，相对变形最大值为10 mm，见图6。

图 6 大悬臂阶段单片桁架横向变形(单位：mm)

经过简单的力学模型分析，以上所述的横向变形，主要由于在大悬臂阶段上弦杆受拉，因此，在折弯点存在向内侧变形的趋势，位移假设为D1；类似的，在大悬臂阶段下弦杆受压，因此，在折弯点存在向外侧变形的趋势，位移假设为D2。位移D1+D2=10 mm。上、下弦杆变形趋势示意见图7。

图7 上、下弦杆变形趋势示意

在大悬臂阶段由于存在上、下弦杆的横向错动变形，因此，中墩处弦杆和腹杆会承受较大的面外弯矩作用。腹杆最大面外弯矩1 205 kN·m，弦杆最大面外弯矩1 646 kN·m。

5.2 中墩顶落梁计算

(1)折线钢桁梁顶落梁受力状态分析

在拉力作用下，结合梁的混凝土板易产生裂缝，因此，在结合梁的设计中，尽量保证混凝土板受压或保证裂缝宽度满足规范要求[18]。为控制墩顶处混凝土板裂缝宽度，一般可采用顶落梁法[19]或配置预应力束法，本桥为两跨一联桥梁，采用顶落梁法。

对于常规钢桁结合梁，顶落梁步骤为：①左右侧中墩同时起顶相同高度H1；②结合墩顶处混凝土桥面板；③左右侧中墩同时下落相同高度H1。由于中墩处钢桁梁存在平面折角，与大悬臂阶段类似，在起顶工况下，上、下弦杆会发生横向错动变形。但是更为复杂的情况是，当起顶后，结合墩顶混凝土板，中支点下落后，由于混凝土板强大的约束作用，弦杆的横向错动变形并不能完全复原，而使得施工阶段内力的不利影响存留在结构中。当左、右两侧主桁起顶相同的高度25 cm时，中墩处变形和弯矩见表1。

表1 中墩处错动变形和弯矩

从表1可以看出，起顶工况中，由于后结合混凝土板的约束作用，结构变形和内力无法复原到起顶前的状态。

(2)折线钢桁梁顶落量值分析

常规钢桁结合梁，顶落梁为左、右两侧主桁起顶相同的高度。由于折线钢桁梁，内、外侧主桁跨度不同，且顶落梁过程中结构横向错动变形偏大，因此，考虑内、外侧主桁分别起顶不同的高度。

经过计算分析内侧主桁起顶25 cm，外侧起顶23 cm。可以使得起顶中横向错动变形为11 mm，与起顶前一致，同时保证混凝土板裂缝宽度[19]控制满足规范要求。

5.3 结构刚度

根据计算，活载挠跨比[21]1/2 800。根据JTGD64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》简支或连续桁架，挠跨比限值为1/500。本桥活载挠度满足规范要求。根据GB50517—2013《地铁设计规范》L>80 m的桥梁，竖向挠跨比限值1/1 000。本桥活载挠度满足规范要求。

6 结语

本文通过对道庆洲大桥第5联设计、施工中的关键技术进行研究，成果总结如下。

(1)为适应线路平曲线变化，采用折线钢桁梁结构，减少了伸缩缝数量，提高行车舒适性。

(2)采用悬臂拼装的施工工艺，虽然可节省工期，降低施工成本。但是折线钢桁梁会产生整体扭曲效应，在设计过程中需特殊考虑。

(3)为控制中墩处混凝土板裂缝，可采用顶落梁措施。需特别注意顶落梁所引起的中墩横向错动变形和杆件面外弯矩的增加。

(4)为减少中墩顶落梁所引起的错动变形，可采取内、外侧主桁分别起顶不同的高度(外侧比内侧偏小)的方法解决。

(5)铁路桥面系采用正交异性板整体钢桥面，有利于提高结构刚度。轨道结构采用减振垫浮置板轨道，减轻了结构自重。平曲线段的轨道板根据实际结构位置进行特殊设计。

(6)由于折线钢桁梁弯折处的结构比较复杂，特殊节点设计可以采用BIM软件正向设计，以利于结构尺寸的放样。

平面折线钢桁结合梁为钢桁梁中的特殊结构，在目前的桥梁工程领域比较新颖，通过本文的介绍以期对今后类似桥梁的设计和施工有所参考和借鉴。福州道庆洲大桥于2017年开工建设，预计2022年开通运营。