李的平

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063； 2.中铁建大桥设计研究院,武汉 430063)

1 工程概况

珠海市区至珠海机场城际铁路二期金海特大桥跨磨刀门水道入海口，主桥采用四塔钢箱梁斜拉桥，跨度布置为(58.5+116+3×340+116+58.5) m，如图1所示。主桥采用刚构-连续体系，即中间两塔采用塔墩梁固结，边塔采用塔梁固结，塔墩分离，设双排支座[1-3]。

图1 主桥桥式立面布置(单位：m)

该桥是国内首座公铁平层合建多塔斜拉桥，中间通行双线城际列车，两侧布置高速公路，主梁采用挑臂式钢箱梁，桥塔采用四柱式钢塔，桥塔置于桥面中间，断面布置如图2所示。

图2 主桥断面布置(单位：cm)

2 技术标准

(1)铁路技术标准

铁路等级：城际铁路，有砟轨道；

正线数目：双线，线间距4.6 m；

设计行车速度：160 km/h；

设计活载：ZC活载[4]。

(2)公路技术标准

公路等级：高速公路；

设计车道数：双向6车道，预留2个应急车道；

设计行车速度：100 km/h；

设计活载：公路-Ⅰ级[5]。

3 挑臂式钢箱梁设计

3.1 总体设计

目前，公铁合建桥大多采用公铁分层布置，公路布置于上层，铁路布置于下层，主梁一般采用钢桁梁[6-7]。金海桥由于公路接线条件的限制，只能采用公铁平层布置方案，为适应公铁平层布置要求，结合钢结构桥塔布置在桥面中间的需要，并使结构更加轻盈美观，节省用钢量，主梁采用一种新型的挑臂式钢箱梁结构。

钢箱梁顶宽49.6 m，由中间宽17.6 m的主箱(单箱三室)，加上两侧各长16 m的挑臂组成，梁高4.676 m(横断面中心处内高)，顶板横向设2%的人字坡。单箱三室构造便于钢箱梁的腹板与钢塔壁板连接，实现塔梁固结。

沿纵向每隔3 m设置1道顶板横梁，在箱外每隔6 m设置1道斜撑，无斜撑的横梁通过小纵梁支承于有斜撑的横梁上。在中箱内每隔3 m设置1道斜撑，边箱内每隔3 m设置1道横隔板[8]，斜拉索锚固于边箱内。

结合受力需要及方便加工，钢箱梁除顶板行车区域采用U肋外，其余均采用板肋。钢箱梁在工厂分节段加工制造后，运至现场悬臂拼装。在工厂制造时，长24 m标准节段各构件间全部为焊接；在工地拼装时，除桥面顶板、遮板焊接外，其余均为高强螺栓连接[9]。

3.2 细节设计

(1)顶板

顶板采用正交异性钢桥面板，由横梁、纵梁、顶板、纵肋等组成[10]。顶板厚一般为16 mm，桥塔处局部加厚至24 mm。顶板主要设U形纵肋，少量I形纵肋；U肋厚8 mm，高280 m，间距一般为600 mm；I肋厚16 mm，高200 m。

顶板在每侧挑臂端部设1道倒T形边纵梁，距挑臂端部6.0 m处设1道倒T形中纵梁。边纵梁腹板高760 mm，厚16 mm；下翼板宽500 mm，厚24 mm。中纵梁腹板高960 mm，厚16 mm；下翼板宽600 mm，厚24 mm。

顶板沿顺桥向一般每隔3.0 m设置1道横梁，横梁采用倒T形截面，其腹板高一般为960 mm，厚16 mm；下翼板宽600 mm，厚24 mm。横梁在挑臂部中纵梁处与箱外斜撑连接，其腹板高渐变。

(2)底板

钢箱梁底板厚一般为16～24 mm，辅助墩处、边塔处局部加厚至32 mm，中塔处局部加厚至40 mm。底板一般设16 mm×200 mm的I形纵肋，桥塔处底板I肋局部加强为20 mm×240 mm。

底板沿顺桥向一般每隔3.0 m设置1道T形横肋[11]，底板横肋高600 mm，腹板厚16 mm，翼板宽600 mm，厚24 mm。

(3)腹板

钢箱梁主箱共设4道直腹板，外腹板与内腹板板厚一致，板厚一般为24 mm，边塔处局部加厚为32，40 mm，中塔处局部加厚为36，48 mm。腹板一般设16 mm×200 mm的I形纵肋，桥塔处腹板I肋局部加强为20 mm×200 mm。

(4)斜撑及横隔板

斜撑采用箱形截面，箱外斜撑内宽600 mm，外高500 mm，腹板厚16 mm，顶底板厚20 mm。为了便于与顶板横梁连接，箱外斜撑上端渐变为工字形截面。箱内斜撑外宽360 mm，外高360 mm，腹板厚16 mm，顶底板厚16 mm。钢箱梁边室横隔板厚一般为16 mm。

4 局部应力分析

4.1 计算模型

局部应力分析主要关注挑臂式钢箱梁的纵向局部受力和横向受力，采用通用有限元软件Ansys进行计算分析，取24 m长标准梁段建立精细的空间有限元模型，钢箱梁各板件采用Shell181单元模拟[12-14]。

纵向每隔3 m在边箱底部横隔板与腹板交界处施加位移约束，其中一个约束Ux，Uy，Uz三个方向位移，其余只约束Uy(X-横桥向，Z-顺桥向，Y-竖向)，梁段模型见图3。

图3 梁段模型

4.2 计算荷载

(1)结构自重：钢结构按γ=78.5 kN/m3。

(2)二期恒载：按桥面布置实际位置加载，总重332 kN/m。

(3)公路活载：采用车辆荷载加载，局部车轮荷载采用JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》中的车辆荷载[5]。车辆荷载550 kN，其中前轴30 kN，中轴2×120 kN，后轴2×140 kN。车辆横向布置考虑最不利的4车道靠外加载工况，如图4所示。

图4 车辆活载加载图示(单位：cm)

为了解挑臂部分在车辆荷载作用下的最不利应力状况，车辆纵向布置考虑了3种最不利加载工况[15-16]，分别为后轴布置于有斜撑横梁处、无斜撑横梁处及两横梁之间。

(4)铁路活载：采用ZC特种活载，轴重4×190 kN，间距1.6 m[4]。考虑轨枕和道砟的扩散，按3.61 m(横桥向)×5.8 m(顺桥向)的面荷载施加于桥面板。

4.3 计算结果

限于篇幅，仅列出最不利受力工况结果，如图5～图11所示，图中应力单位为kPa，受压为负。主梁节段应力分析结果中，顺桥向应力不包含全桥整体分析中顺桥向内力产生的应力。

(1)顶板及U肋应力

从图5知，汽车车行道范围钢桥面板顺桥向应力既有拉应力又有压应力，应力介于-15～30 MPa。U肋顺桥向应力介于-40～30 MPa，与常规钢箱梁受力水平相当[17]。

图5 汽车车行道范围钢桥面板顺桥向应力

列车车行道部分钢桥面板顺桥向应力见图6，顶板顺桥向应力介于-13～24 MPa，U肋顺桥向应力值介于-45～40 MPa。

图6 列车车行道部分钢桥面板顺桥向应力

汽车车行道范围钢桥面板横桥向应力值介于-15～70 MPa，列车车行道部分钢桥面板横桥向应力值介于-10～31 MPa，见图7。

图7 钢桥面板横桥向应力

(2)顶板横梁应力

挑臂横梁正应力见图8，有斜撑者正应力介于-69～62 MPa，无斜撑者正应力介于-90～60 MPa，应力图符合挑臂梁的受力特征[18]。

图8 顶板箱外挑臂横梁正应力

顶板箱内横梁正应力介于-28～31 MPa，应力水平较低，见图9。

图9 顶板箱内横梁正应力

(3)斜撑应力

箱外斜撑为受压杆件，正应力在-65～-85 MPa，连接板处有应力集中现象，但数值不大，见图10。

图10 箱外斜撑正应力

从图11看，箱内斜撑1、2均为受压杆件，受力大小与其支承刚度直接相关。斜撑1应力在-40 MPa左右；斜撑2应力在-10 MPa左右，应力水平较低。箱内斜撑的设置不仅提供对横梁的支承作用，且对限制钢箱梁畸变效应作用显著[19-20]。

图11 箱内斜撑1、2正应力

5 结论

金海桥主桥采用3×340 m四塔三主跨斜拉桥，为国内首座公铁平层合建的多塔斜拉桥。为适应公铁平层布置要求，主梁采用一种新型的大挑臂式钢箱梁结构。

(1)大挑臂式钢箱梁由中间宽17.6 m主箱加两侧各长16 m挑臂组成，桥面宽度达49.6 m。根据受力特性，较重的铁路荷载布置于中间主箱上，较轻的公路荷载布置于挑臂上，斜拉索布置在两者之间，结构受力合理，经济性好。

(2)经计算，挑臂式钢箱梁正交异性桥面板纵向局部受力与传统钢箱梁受力水平相当，应力在-40～40 MPa。挑臂横梁正应力介于-90～62 MPa，箱外斜撑正应力介于-65～-85 MPa，挑臂部分受力水平控制合理。通过合理的细节设计，未出现较大的应力集中现象。

(3)挑臂式钢箱梁受力可靠，结构轻盈，具有良好的经济性和美观性，可为今后公铁平层合建的桥梁提供借鉴。

该大桥已于2018年3月开工建设，总工期4年。