余艳霞

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

混合梁桥在跨中设置钢梁减小了结构自重,增加了跨越能力,能有效降低工后徐变,可避免大跨度混凝土梁设置拉索或拱肋加劲,在我国公路梁式桥中已有较多应用[1-3]。而混合梁在我国铁路桥梁上主要应用于斜拉桥[4-5],如我国首座大跨度铁路混合梁斜拉桥—宁波铁路枢纽主跨468 m的甬江特大桥[6-8]、我国首座四线铁路高低塔混合梁斜拉桥—福厦高铁乌龙江特大桥[9-11]等。

近年来,混合梁在铁路梁式桥中开始探索与发展,新建杭温铁路永嘉右行线跨甬台温特大桥主跨216 m单线桥梁[12-14]为我国首座在铁路上运用混合梁技术的刚构连续梁桥。本梁则为混合梁在四线铁路连续梁桥中的探索应用。

1.1 工程概况

京广高铁联络线流溪河特大桥位于广州市白云区江高镇境内,桥址区属于珠江三角洲冲积平原,地势较平坦,起伏较小,植被不发育,线路左侧为既有线京广铁路,附近开辟为村庄、公路及流溪河。

场区的岩土层按其成因分类主要有:第四系人工堆积层(填筑土、杂填土)、第四系冲洪积层(淤泥、粉质黏土、粉砂、中砂、砾砂等)、下伏基岩为石炭系灰岩、砂岩、泥灰岩、炭质灰岩,本桥基础持力层在灰黑色、深灰色,弱风化炭质灰岩。

综合桥址接线条件、河道条件、施工组织及工程投资等因素,本桥采用(70+160+70) m四线混合连续梁跨越流溪河左汊航道,河流与线路夹角77°。混凝土梁段采用悬灌施工,钢梁段采用整体吊装施工。

流溪河左汊航道为Ⅲ级航道,单孔双向通航净宽≮110 m,通航净高≮10 m,最高通航水位3.5 m,最低通航水位0.03 m。

桥址平面及全桥立面分别如图1、图2所示。

图1 桥址平面(单位:m)Fig.1 Bridge site plane (unit: m)

图2 全桥立面(单位:m)Fig.2 Full bridge elevation (unit: m)

1.2 主要技术标准

轨道类型:有砟轨道;

正线数目:四线,线间距(5.3+4.2+5.3) m;

设计速度:160 km/h;

曲线半径:R=1 400 m;

设计活载:ZK标准活载;

地震烈度:7度。

1.3 桥式方案确定

根据防洪及通航评价批复意见,主跨采用160 m跨越流溪河左汊航道,此跨度桥梁可采用的结构形式有连续梁拱、部分斜拉桥、钢混连续梁。由于桥址邻近京广既有线128 m钢桁梁,采用钢混连续梁可避免结构形式杂乱,也避免了邻近既有线上方的高空作业风险,并且造价低、施工方便、工期短、后期维护费用低,经过综合比选,该桥采用钢混连续梁桥式方案。

2 结构设计

2.1 总体布置

(70+160+70) m四线混合连续梁,桥梁全长300 m,其中,跨中50 m为整体吊装钢箱梁段,两侧设6.5 m钢混结合+钢梁连接段,其余为预应力混凝土梁段。各支点横向均设置3个支座,边支座横向中心距(7.5+7.5) m,中支座横向中心距(6+6) m。

中支点梁高11 m,边支点梁高6.0 m,中支点等高平段长5.0 m,边支点等高平段长8 m,中间59.5 m梁高按圆曲线变化。

全梁共分57个梁段,编号A0、AB1～AB12、边跨合龙段A13、边跨现浇段A14、中跨钢混结合段+钢梁连接段B13、中跨钢梁吊装段B14,其中0号梁段长14 m,混凝土合龙段2.0 m,其他混凝土梁段分别长3,3.5,4.0 m,钢梁整体吊装段长50 m。

主梁梁段划分如图3所示,四线桥梁桥面布置如图4所示。

图3 主梁节段划分(单位:m)Fig.3 Main beam segment division (unit: m)

图4 四线桥梁桥面布置(单位:cm)Fig.4 Deck layout of four-line bridge (unit: m)

2.2 混凝土主梁构造

混凝土主梁为预应力混凝土结构,采用单箱三室截面,直腹板。主梁顶板宽度为22.5 m,厚度65 cm,底板宽16 m,底板厚度由50 cm渐变至中支点附近100 cm,局部加厚至200 cm。箱梁腹板厚度分别为80,100 cm,支点附近局部加厚至130 cm。

全梁共布置横隔板4道,在梁的两端各设200 cm厚横隔板,中墩处设置400 cm厚横隔板,所有横隔板均设过人孔。典型横截面如图5所示。

图5 混凝土主梁典型横截面(单位:cm)Fig.5 Typical cross section of concrete main beam (unit: cm)

2.3 钢梁构造

钢箱梁长度63 m,具体组成为:中间36 m等高钢箱梁+2×10.5 m变高钢箱梁+2×3 m钢混结合段。3 m长的钢混结合段和3.5 m的钢箱连接段一起加工制作,其余50 m钢箱梁为工厂分段制作,现场拼装,整体吊装钢箱梁。

中间钢箱梁最低点梁高6.06～6.316 m,顶板宽22.5 m,底板宽16 m。钢梁采用单箱三室或分离双箱截面均可行,考虑本梁梁高较高,梁宽亦较宽,分离双箱截面更便于运输,施工方案选择更灵活(可采用单幅分别吊装或整幅整体吊装),且分离双箱截面更经济,经过比选本梁钢梁采用分离双箱钢箱梁截面。

钢梁顶板采用(16+3) mm等厚度复合不锈钢板。采用U肋+板肋加劲,U肋上口宽300 mm,下口宽180 mm,高度280 mm,间距600 mm。U形加劲肋厚度为8 mm。

底板采用24 mm等厚度钢板,底板加劲肋采用220 mm×20 mm的钢板,基本间距750 mm。

腹板采用24 mm等厚度钢板,腹板加劲肋采用260 mm×24 mm的钢板,竖向基本间距600～900 mm。钢箱梁横隔板采用桁架式,与顶底板均保持垂直,标准间距3.0 m。

钢主梁典型横截面如图6所示。

图6 钢主梁典型横截面(单位:cm)Fig.6 Typical cross section of steel main beam (unit: cm)

2.4 钢混结合段

钢混结合段长度3.0 m,起到顺畅可靠传递各种轴力、弯矩、扭矩和剪力的作用。结合段采用有格室的后承压板形式;将钢箱梁端部的顶、底板和腹板做成双壁板,在双壁板内部设置PBL剪力板和剪力钉,形成钢格室,在钢格室内部填充混凝土。钢混结合段立面布置如图7所示。

图7 钢混结合段立面布置(单位:cm)Fig.7 Typical cross section of steel main beam (unit: cm)

2.5 主要计算结果

(1)运营阶段混凝土主梁应力主要计算结果汇总于表1,正值为压,负值为拉。

表1 运营阶段主梁混凝土应力 MPaTable 1 Concrete stress of main beam during operation stage

强度安全系数:主力最小2.38,主+附最小2.31;抗裂安全系数:主力最小1.51,主+附最小1.45。

(2)运营阶段钢梁应力主要计算结果汇总于表2,正值为压,负值为拉。

表2 运营阶段钢梁应力 MPaTable 2 Steel beam stress during operation stage

(3)刚度:ZK静活载最大挠度为72.7 mm,挠跨比L/2 215,最大梁端转角为0.58‰rad,满足规范梁端折角不大于2‰rad的规定。

(4)工后徐变:线路铺设后,主梁最大工后徐变值为边跨上拱2.9 mm,中跨下挠10.9 mm。

(5)钢混结合段受力

钢混结合段[15]受力是混合梁的关键,本桥为梁式桥,钢混结合段受力不同于斜拉桥钢混结合段,其主要受力行为仍具有梁式结构特点,截面同时承受弯矩、轴力和剪力。经过计算比选确定钢混结合段位置,详见本文3.3节。同时,为保证钢混结合段钢梁与混凝土梁段的紧密结合受力,在钢混结合段与相邻混凝土梁段内均匀设置纵向预应力短束,分别锚固于钢混结合段承压板上和混凝土梁段内。

采用有限元软件ANSYS对钢混结合段进行实体分析,结果表明:结合段钢结构顶板受拉底板受压,最大拉应力约50 MPa,最大压应力约58 MPa;钢结构等效应力最大为70 MPa,位置靠近承压板;钢混结合段整体应力水平较低,传力较匀顺。

3 关键技术及创新点

3.1 等效跨度

钢混连续梁在跨中设置钢梁后可有效减小自重,增大跨越能力,为研究采用钢混连续梁与普通预应力混凝土连续梁的等效性,分析出合适的等效主跨跨度,从120～160 m共8种常规四线预应力混凝土梁与160 m钢混连续梁进行对比分析,其中普通连续梁边中跨比按0.6,支点梁高按1/13.5L,跨中梁高按1/24.3L进行计算。

不同跨度主梁中墩墩顶弯矩、中跨跨中弯矩结果汇总于表3,下缘受拉为正,受压为负,余同。

表3 不同跨度主梁内力汇总Table 3 Summary of Internal forces of main beams with different spans

(1)从主跨160 m的普通连续梁和混合连续梁受力比较可知,采用混合连续梁主梁受力均有较大改善,中墩墩顶负弯矩可减小1.3倍,中跨跨中弯矩减小最多,可达2倍。

(2)160 m四线混合连续梁中墩墩顶负弯矩与主跨140 m预应力混凝土连续梁相当,中跨中正弯矩与主跨120 m预应力混凝土连续梁相当。可知,采用中跨钢梁减轻自重后,主跨可放大1.15～1.3倍;设计时可参考0.875倍等效跨度预应力混凝土梁拟定梁高等设计参数,进一步体现了混合连续梁较普通连续梁的优越性。

本钢混连续梁支点梁高采用11 m(L/12.78,L为140 m等效跨度),跨中梁高采用6 m。

3.2 边中跨比

常规变高度悬灌连续梁一般边中跨比为0.5～0.6[16],当边中跨比小于0.5时,需要设置拉力支座或者压重。而钢混连续梁中跨中采用钢箱梁,既提高了桥梁的跨越能力,又显著减轻中跨质量[17],边跨长度可显著减小。

为研究钢混连续梁边跨长度变化对主梁受力的影响,拟定主跨160 m,中跨钢梁长度按63 m(包含钢混结合段),边跨采用60～90 m共4种长度进行对比分析,其中主梁按支点梁高11 m,跨中梁高6 m进行计算。不同边跨长度主梁内力、刚度、支反力汇总于表4～表6。表中挠度向下为负。

表4 不同边中跨比主梁内力汇总Table 4 Summary of internal forces of main beams with different side to midspan ratios

表5 不同边中跨比主梁刚度汇总Table 5 Summary of stiffness of main beams with different side to midspan ratios

表6 不同边中跨比主梁边墩支反力汇总(负值为拉,正值为压)Table 6 Summary of side pier support reactions of main beams with different midspan ratios (negative values are tensile, positive values are compressive)

主梁受力:当边跨长度增加时,边跨受力呈不利趋势,并且变化趋势明显;中墩墩顶负弯矩随着边跨长度增加呈先减小后增大的趋势;中跨跨中正弯矩随着边跨增加先增加后减小,但变化趋势平缓。本钢混连续梁边中跨比最优取值在0.45～0.5。

主梁刚度:当边跨跨度增加时,主梁梁端转角变大,主梁刚度减小,故边跨跨度太长时,对主梁整体刚度不利。

边墩支反力:当结构没有采用压重方案时,边中跨比在0.38时出现了较大负反力,需要压重。

从构造上考虑,中跨钢梁采用吊装施工方案,边跨不需要考虑对称悬浇施工,仅需要考虑支反力不出现负反力即可,同时如果边跨过长,反而出现边跨现浇段过长,边跨合龙阶段边跨受力难以通过等不利情况。

综上,从主梁受力、刚度、支反力、构造等情况综合考虑,钢混连续梁边中跨比在0.45～0.5为最优。

3.3 钢梁长跨比

钢梁长度需根据结构受力最佳﹑构造尺寸合理、技术难度较小及节省造价等方面综合比较,同时钢混结合接头位置以选取受弯效应较小的位置为佳[18-19]。

为研究最优钢梁长度,拟定钢梁长度(不含钢混结合段长度)为54,57,60,63 m四种方案进行对比分析,重点关注钢混结合部位整体受力情况,其中主梁按支点梁高11 m,跨中梁高6 m进行计算。不同钢梁长度主梁内力见表7。

表7 不同钢梁长跨比主梁内力结果汇总Table 7 Summary of internal force results of main beams with different length to span ratios of steel beams

根据表7计算可得如下结论。

(1)混合梁1/2边跨弯矩、墩顶负弯矩和中跨跨中正弯矩均随钢箱梁段长度增大而减小,钢梁长度增加对整体受力有利。

(2)中跨钢梁长度的决定性因素为钢混结合段中心位置应在恒载弯矩(考虑预应力影响)0点,恒载弯矩0点为钢梁长跨比0.36工况,此时钢混结合段范围在各工况下受力最优。

(3)四线混合连续梁的中跨钢梁合理长跨比(不包含钢混结合段)在0.35～0.4,与陈康明[20]研究结论基本一致。

中跨钢梁长度变化对主梁在活载工况下受力和主梁刚度基本无影响(计算结果不再计列)。

3.4 技术创新点

(1)在四线铁路梁式桥中创造性采用钢混混合结构,减小了结构自重和梁高,提高了桥梁的跨越能力,减小了工后徐变,进一步创新发展了铁路梁式桥。

(2)中跨63 m钢梁替换混凝土梁,大大减小了主跨自重,边跨长度可进一步减小,有利于满足高速铁路刚度要求,进一步发展了铁路梁式桥。

(3)钢梁截面采用易于运输、施工方案更灵活的分离双箱截面,提高了该类结构的适应性。

(4)钢梁采用整体吊装施工方案,减少了悬灌节段数,极大缩短了施工工期,为铁路高速发展提供了便利。

4 结语

京广高铁联络线流溪河特大桥主桥设计过程中,结合通航、防洪要求,综合考虑既有线安全、结构形式协调性,创造性采用主跨160 m四线铁路钢混混合梁式桥,大大减小了大跨度连续梁桥的梁高,增大了连续梁桥的跨越能力,减小了大跨度连续梁桥工后徐变;中跨63 m钢梁的设置,减小了主跨自重及悬灌长度,边跨进一步缩短,梁端转角控制良好,进一步优化了跨中梁高;钢梁采用整体吊装的施工方案极大缩短了施工工期,经济性好。

该桥为国内首座大跨度四线铁路钢混连续梁桥,该桥的成功应用创新发展了铁路混合梁梁式桥,拓宽了铁路混合梁梁式桥的发展前景,为今后类似桥梁设计提供借鉴和参考。