安九高铁96 m钢－砼组合桁架梁设计关键技术研究

薛宪政

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 工程背景

安九高铁庐山特大桥右线(单线)上跨瑞九铁路，与瑞九铁路左线交角164°，根据线路总体布置，庐山特大桥线路位于R＝9 000 m的缓和曲线上，受线路轨道设置条件限制，为了满足不设置钢轨伸缩调节器的条件，桥跨不宜大于100 m；实际桥跨大小受控于Y198号墩与瑞九铁路庐山1号桥九江台及Y197号段与瑞九铁路庐山1号桥14号台的位置关系；综合考虑新建桥墩与在建桥墩的相置关系，孔跨选用96 m。庐山特大桥平面布置见图1。

图1 庐山特大桥平面布置

庐山特大桥桥位处为在建瑞九铁路庐山站1号特大桥桥尾，瑞九铁路为Ⅰ级双线电气化铁路，有砟轨道，设计速度160 km/h，采用标准跨简支T梁，线间距4.6 m，全桥宽12.1 m。墩身及桥台已经施工完毕，梁已架设完毕，正在进行铺轨作业。桥墩顶帽宽13.8 m(含接触网基础)，墩底宽度8 m。

跨越点最小轨底高差为11.2 m，桥下净空不小于7.96 m，扣除轨道结构高度0.562 m，拟建桥梁结构最大高度2.68 m。适用于线路纵坡26.7‰，跨度96 m，建筑高度不大于2.7 m的桥型有系杆拱、钢桁梁、钢－砼组合桁架梁[1－2]；钢桁梁的后期养护维修对桥下行驶的列车影响较大，系杆拱桥施工周期较长，制约在建瑞九铁路的通车时间。经综合比选，钢－砼组合桁架梁作为本桥的设计方案[3－4]。

2 设计概况

2.1 主桁高度

钢混组合桁架梁作为钢桁梁的一种结构体系，桁高选取直接影响结构的竖向刚度及用钢量指标，依据国内桁架桥的设计资料，考虑到节点构造处理的便利性及限界要求，综合考虑初定桁高为12.6 m和13.0 m进行对比计算分析，从结构基本限界的角度来看，桁架高度12.6 m时，基本满足行车限界要求；通过静力计算研究，两种桁高的力学性能相差无几，考虑到节点构造处理的便利性，推荐采用12.6 m桁高[5]50－51。

2.2 桁式

常用的桁式有三角形桁、N形桁和菱形桁等，由于三角形桁造型简洁、受力明确，中等跨度桁架桥大都采用无竖杆三角形桁，结合工程经验，确定本桥采用无竖杆三角形桁式[5]52－53。

2.3 节间

节间数值大小影响下弦杆和腹杆的内力，节间长度与下弦杆的局部弯矩值成正比，考虑下弦是整体式预应力混凝土结构，自重较大，节间过大会引起节间下弦第二体系弯矩过大，需要较大的梁截面及过多的预应力布置；其次节间长度加大，腹杆数量减少，腹杆斜率加大，相应腹杆截面尺寸需加大，势必引起腹杆用钢量加大。针对节间长度9.6 m和12.0 m进行了对比分析，相比节间长度9.6 m，12 m虽然增加了下弦杆的局部弯矩和腹杆轴力，但考虑到节点构造以及施工要求，推荐节间长度为12 m[6]。

2.4 总设计情况

计算跨度96 m，支座到梁端1.0 m，桥梁全长98 m。桥型为钢－混凝土组合桁架梁，下弦平面采用预应力混凝土槽形梁结构，加劲结构采用钢桁架，桁高12.6 m，节间距12 m，桁间距6.7 m。

下弦混凝土槽形梁高1.8 m，梁端2.5 m范围内梁高2.3 m，底板宽7.9 m，内侧净宽5.5 m，腹板厚1.2 m；道床板厚0.45 m，支点处加厚至0.95 m，道床板横向为平坡。人行道悬臂部分长1.0 m，与相邻孔简支箱梁间设置人行道顺接过渡装置。

钢－砼组合桁架梁横断面及立面布置分别见图2和图3所示。

图2 钢－砼组合桁架梁横断面布置(单位:cm)

图3 钢－砼组合桁架梁立面布置(单位:cm)

3 结构计算分析

为确保结构计算准确性及严谨性，分别采用平面杆系模型、空间梁单元模型和实体有限元模型，三种有限元分析模型针对的目标各不相同。

3.1 平面杆系模型

平面杆系模型简单，可相对容易地进行混凝土收缩徐变、预应力效应的仿真分析，主要进行结构的整体受力研究，形成与设计规范中对应的各项指标，并可对整体竖向刚度进行模拟。平面杆系模型采用西南交大BSAS4.26计算软件，为了便于描述计算结果，将计算截面进行了编号[7]19－20。平面杆系模型计算简图见图4。

图4 平面杆系模型计算简图

3.2 空间梁单元模型

本桥结构为上弦杆、联结系、腹杆、槽形梁体系，其受力呈现出明显的空间受力特性，因此单纯依靠平面杆系计算分析程序难以准确模拟结构的受力状态，须进行空间结构有限元分析[7]16－17。空间梁单元建模采用MIDAS Civil程序。本模型主要是考虑上弦杆、腹杆和节点的强度、应力，钢桁和混凝土采用刚臂连接[7]31－32。空间梁单元计算模型见图5。

图5 空间梁单元计算模型

3.3 计算结果

3.3.1 钢桁架内力

通过平面杆系及空间模型进行静力计算得出上弦杆及腹杆杆件轴力，钢桁架内力对比见表1。

表1 钢桁架内力对比

从表1中可以得出如下结论:上弦杆杆件轴力数值平面杆系模型较空间模型大10%，原因分析是空间模型考虑了上平纵联的效应，上平纵联承担10%的轴力。腹杆杆件轴力两模型计算结果较为接近。

除首根上弦杆及端斜杆弯矩数值空间模型较平面模型稍大外，其余数值均相当；原因分析桁宽仅为6.7 m，桁宽较小空间效应不明显。

3.3.2 槽形梁轴力及弯矩

平面杆系模型及空间模型混凝土槽形梁轴力及弯矩计算数值对比见表2。表中杆件编号1～4分别对应的为从梁端到跨中的四个节间范围内的槽形梁部分。

表2 混凝土槽形梁轴力及弯矩计算数值对比

考虑平面杆系模型及空间模型，混凝土槽形梁均采用单梁单元模型，因此轴力及弯矩两模型计算结果较为接近。

3.3.3 槽形梁应力计算

鉴于平面杆系模型及Midas Civil空间模型均不能对槽形梁进行有效的应力分析，因此采用实体有限元ABAQUS2019分析软件，建立全桥有限元实体模型，主要针对槽形梁受力进行精确模拟[8]。实体有限元计算模型见图6。

图6 实体有限元计算模型

计算荷载主要考虑自重、二恒以及活载作用，为尽量实现加载与实际受力模式相符，其中二恒与活载根据轨道板的宽度在桥面范围施加均布荷载。分别读取槽形梁断面范围内纵向及横向应力值，槽形梁断面应力分布点示意见图7。

图7 槽形梁断面应力分布点示意

位置1～11处的槽形梁纵向及横向应力见表3。

表3 槽形梁纵向及横向应力 MPa

从数值中得出槽形梁纵向均处于受压状态，纵向应力沿横断面方向分布较均衡；组合结构槽形梁桥面弯剪效应不突出，视为仅受轴向力作用，因此槽形梁剪力滞效应不明显，槽形梁底板全断面有效。槽形梁横向为钢筋混凝土构件，横向拉应力可通过配置钢筋控制最小裂缝宽度。

3.3.4 徐变上拱

徐变上拱数值是高速铁路桥梁重要的控制指标，若徐变计算影响考虑不完备，会严重影响行车安全。根据施工计划，庐山特大桥须在瑞九铁路联调联试前所有主体工程及附属结构施工完毕，为尽量减小徐变上拱数值，考虑空置60 d和空置700 d对比计算。

分别采用BSAS和Midas Civil软件对收缩徐变变形结果进行比对，空置60 d时徐变上拱值Civil模型与BSAS模型计算值分别为18.3 mm和20.4 mm，BSAS模型比Civil模型大10%；空置700 d时徐变上拱数值，Civil模型与BSAS模型计算值分别为9.9 mm和7.6 mm，BSAS模型比Civil模型小20%；为确保轨道铺设完成后，结构竖向残余徐变变形尽量小，庐山特大桥需在铺轨前700 d完成施工[9]。

4 车桥耦合动力响应分析

全桥所有构件及桩基础均采用空间梁单元，桩基础采用m法考虑桩土共同作用建立空间振动分析模型[10]，列车—桥梁时变系统空间振动响应结果:

当CR3高速列车以160～420 km/h通过该桥时，桥梁的动力响应均在容许值以内，列车竖、横向振动加速度满足限值要求，列车行车安全性满足要求。

当CR3高速列车以160～350 km/h通过该桥时，列车的乘坐舒适性达到“良好”标准以上；以375～420 km/h(检算速度段)通过该桥时，列车的乘坐舒适性也能够达到“良好”标准以上。

因此，96 m钢－砼组合桁架梁设计方案具有非常良好的动力特性及列车走行性，当列车通过桥梁时的安全性和乘坐舒适性均满足要求。

5 指导性施工方案

5.1 BIM技术应用

本桥下弦桥面系为槽形梁薄壁结构，横向计算按钢筋混凝土构件考虑，槽形梁腹板内预埋钢桁架节点钢板及PBL剪力键，构件繁多，采用BIM技术进行三维建模，并在现场实施施工试验段，确保各构件安装的精准度避免碰撞现象发生。节点处三维模型示意见图8。

图8 节点处三维模型示意

5.2 钢桁架与槽形梁的安装顺序

针对钢桁架与槽形梁安装的先后顺序，进行比选研究，采用如下施工步骤:

(1)支架搭设完毕后，浇筑混凝土槽形梁。

(2)张拉梁体纵向预应力钢束。

(3)进行钢桁架的拼装施工。

(4)桥面铺装施工，加二恒。

(5)成桥运营。

经过对比分析得出如下结论:先拼装钢桁架后浇筑混凝土槽形梁并张拉相应的预应力，槽形梁的有效预应力会有一部分损失，损失率达6%，并传递到钢桁架上，相应的槽形梁压应力储备会有所降低，钢桁架应力会相应增大。

考虑先浇筑混凝土槽形梁，后安装钢桁架，对结构受力影响不大，但给钢桁架安装造成不便，因此推荐采用先安装钢桁架，保证钢桁架精确定位后，后浇筑混凝土槽形梁，再张拉预应力施工[11]。

5.3 组合桁架梁的施工方案

根据现场建设条件，安九高铁小角度跨越瑞九铁路，可采用横移施工方案，分为两种[12]。

侧位拼装现浇，两端同时横移施工方案:侧位拼装钢桁架现浇混凝土槽形梁，进行两端横移就位。根据现场建设环境在Y197墩侧搭设钢桁架及槽形梁拼装支架和混凝土浇筑平台，并在Y197和Y198墩处设置横移用滑道梁，组合桁架梁完成所有主体及附属工程施工后，利用四个永久支座下方设置滑靴横移就位后落梁至设计位置。

侧位拼装现浇，单端固定，另一端转体施工方案:在Y197墩顶垫石中心与钢桁架拼装中心交点处设置固定轴作为转体中心。在Y198墩与拼装支架间设置弧形滑道梁，组合桁架梁完成施工后，通过设置在弧形滑道梁端头的千斤顶进行拖拉绕固定轴转体到设计位置，拆除滑道梁落梁就位。

从技术可行性、经济合理性、安全可靠性、工期可控性等方面进行比选分析，两种不同施工方案可行性比选内容见表4。

表4 两种不同施工方案可行性比选内容

经综合比较分析，为了更好地保证钢混组合梁架设安全，选择方案二:侧位拼装、现浇，转体架设方案作为本工程施工方案。

6 结语

安九高铁庐山特大桥上跨在建瑞九铁路采用一孔96 m钢－混凝土组合桁架梁，有效解决了不设轨温调节器、低净空、大跨度跨越既有铁路的难题。作为首次应用在时速350 km的高速铁路桥梁上，设计采用多种计算模型对比计算，确保该结构的静力及动力指标均满足规范要求。通过实施试验段及三维模型，确保复杂构造处的施工质量。为尽量降低对在建瑞九铁路的影响及确保本工程成桥后的性能指标，针对钢桁架及混凝土槽形梁的安装顺序、两种不同的施工方案进行了对比分析研究。

目前本工程已建成通车，本工程的成功实施，为同类桥梁的设计及施工提供了参考和借鉴。