郭子俊,肖海珠,徐 偉

(中鐵大橋勘測設計院有限公司,武漢 430050)

1 概述

鄭州黃河公鐵兩用橋為京廣鐵路客運專線及鄭州—新鄉(xiāng)城際公路跨越黃河的共用橋梁,公鐵合建段全長9.177 km。鐵路為雙線客運專線ZK荷載,設計時速350 km。公路為雙向6車道一級公路,設計時速100 km[1]。

2 總體布置

主橋全長1 684.35 m,共 2聯(lián),第 1聯(lián)為(120+5×168+120)m的六塔連續(xù)鋼桁結合梁斜拉橋,結構體系為塔、梁固結,墩梁分離。第2聯(lián)為5×120 m的連續(xù)鋼桁結合梁。主橋為3片主桁,邊桁傾斜[2]。采用球形支座,2聯(lián)分別在4號及8號墩頂設置縱向固定支座。橫向固定支座布置在中桁。主橋橋式布置見圖1。

上層為鋼梁上弦桿與混凝土橋面板結合形成的公路結合橋面。下層為鐵路橋面,線間距7 m,采用正交異性整體鋼橋面。主桁、鐵路橋面板等主體結構鋼材材質為Q370qE。

圖1 鄭州黃河公鐵兩用橋主橋橋式布置(單位:m)

3 結構介紹

3.1 主桁

主桁采用無豎桿的三角形桁式,桁高14 m,節(jié)間距12 m[3]。橫向布置為3片桁,中桁垂直,邊桁傾斜,傾斜角度 14.036°。下弦桁間距8.5 m,桁寬 17 m,上弦桁間距12 m,桁寬24 m。主橋橫斷面布置見圖2。

主桁上下弦桿均為箱形截面,其中邊桁弦桿適應斜主桁的形式,采用平行四邊形截面,中桁采用矩形截面,如圖3所示。

上弦桿內高1200mm,下弦桿高1 400 mm,上、下弦桿內寬均為940 mm。中桁桿件寬度在塔根節(jié)點附近寬度漸變到1 400mm,以利于與主塔連接。主桁采用整體節(jié)點形式,上、下弦桿四面等強對接拼裝。腹桿采用箱形截面及H形截面,桿件外寬940 mm,腹桿插入節(jié)點板內拼接。主桁拼接采用M30高強螺栓。

圖2 主橋橫斷面布置(單位:cm)

圖3 上、下弦桿平行四邊形截面(單位:mm)

下弦桿頂板與橋面頂板熔透焊接,弦桿頂板加寬伸出豎板,節(jié)點板范圍內弦桿頂板開槽口便于節(jié)點板穿出。弦桿豎板上焊接橫梁腹板接頭,在對應橫梁位置弦桿底板局部加寬形成橫梁底板接頭[4]。

中桁上弦節(jié)點連接主塔,錨固斜拉索,構造復雜。連接主塔節(jié)點橫向內寬1 400 mm,在弦桿頂板上四面焊接主塔底連接板與主塔根部對拼。斜拉索錨固在箱形上弦桿內,兩塊錨板與弦桿豎板熔透焊接,錨管穿出弦桿頂板及底板進人孔處焊補強板。

主桁上拱度的設置是通過上弦桿節(jié)間長度的伸縮來實現(xiàn)的。上弦桿桿件長度保持不變,通過拼接板的伸長和縮短來調節(jié)節(jié)間長度。

3.2 鐵路橋面

鐵路橋面為正交異性整體鋼橋面板,橋面頂板厚16 mm。節(jié)點處設節(jié)點橫梁,間距12m,兩片橫梁中間設節(jié)間橫梁,間距3 m。橫梁均為倒T形結構,節(jié)點橫梁腹板高 1 400 mm,板厚16 mm,翼板寬480 mm,板厚24 mm,支點處節(jié)點橫梁翼板加寬為560 mm,厚24～32mm。節(jié)間橫梁腹板高1400 mm,板厚12 mm,翼板寬400 mm,板厚24 mm。橋面板縱向采用U肋和板肋加勁,U肋頂寬400 mm,底寬300 mm,高300 mm,板厚10 mm,間距 800 mm。板肋高 160 mm,厚14 mm。鐵路橋面橫斷面如圖4所示。

圖4 1/2鐵路橋面橫斷面(單位:mm)

鐵路橋面板標準節(jié)段橫向寬6.1m,縱向長12m。橋面板與主桁的連接在工地現(xiàn)場完成。橋面頂板連接采用焊接,橫梁腹板和翼板采用M24高強螺栓連接,縱肋采用M22高強螺栓連接。

3.3 公路橋面

公路混凝土橋面板全寬32.5 m,橫向跨度12 m,懸臂長4.25 m。懸臂板端厚18 cm,跨中板厚35 cm,上弦桿頂設梗脅加厚。橋面板支撐于鋼桁梁上弦桿,通過弦桿頂板布置的φ 22 mm圓柱頭剪力釘結合在一起共同受力[5]。

混凝土橋面板為預制構件,采用C60混凝土。預制板橫橋向分為2塊,標準塊長1572 cm,寬340cm。為減少混凝土收縮徐變對結構產生的不利影響,要求預制板存放時間不少于6個月。預制板間濕接縫現(xiàn)澆C60微膨脹混凝土,橫向濕接縫寬60 cm,中桁頂沿橋長的縱向濕接縫寬為76～90cm,邊桁上弦桿剪力釘處預留40cm×92 cm濕接縫槽口。公路橋面布置見圖5。

圖5 1/2公路橋面布置(單位:cm)

混凝土板內布置有縱橫向預應力,縱橋向采用5～12φs15.2 mm 預應力束。橫橋向采用 5φs15.2 mm預應力束。

3.4 聯(lián)結系

本橋不設中間橫聯(lián)及平聯(lián)。僅在支點處設橋門架,端橋門設置在端豎桿上,中間橋門架設置在斜腹桿上,橋門架高4.0m。上弦設橫撐桿連接邊中桁弦桿,橫撐桿為高420 mm,寬618 mm的H形桿件。

3.5 主塔及斜拉索

主塔布置在中桁,塔高37 m,采用鋼箱結構。立面布置為“人”字形,從塔頂?shù)膯蜗湎蛩诐u變?yōu)殡p箱截面。塔橫橋向寬度不變,縱向寬度逐漸變化。塔根部雙箱間距12 m,連接在支點兩側的上弦節(jié)點,單箱內尺寸1.4 m×2.0 m,翼板厚28 mm,腹板厚40 mm。塔頂尺寸為1.4 m×2.0 m。橋塔豎向分為3段,塔頂段長13.1 m,中段長12.3 m,塔根段長11.6 m。各塊件在工廠制造,工地采用高強螺栓拼接。

每個主塔布置有5對斜拉索。斜拉索在塔內錨箱處張拉,采用熱鍍鋅平行鋼絲,規(guī)格為253φ 7 mm。

3.6 采用的新結構

本橋荷載具有高速、重載的特點,對橋面行車提出了很高的要求。另外本橋公鐵合建橋面具有上寬下窄的特點,傳統(tǒng)的桁架形式不能很好地適用。針對這些特點在設計中采用了一些新結構。

(1)斜主桁及平行四邊形弦桿

過去我國修建的公鐵兩用橋主桁均為直桁形式,每一片主桁架上、下弦桿及腹桿都在豎直面內。箱形弦桿形狀都采用矩形。直桁斷面比較方案見圖6。

圖6 直桁斷面比較方案(單位:cm)

鄭州黃河公鐵兩用橋主橋的公路橋面寬為32.5 m,鐵路面寬17m,寬度相差大。如果鐵路橋面寬度不變,采用直桁的形式,公路懸臂7.75 m。懸臂寬度過大,需要在每個節(jié)點處專門設置鋼托架支撐。直桁形式鋼材用量增加,且視覺雜亂。如果增加鐵路橋面寬度以減小公路懸臂板寬度,將使鐵路橋面橫向跨度增加,鐵路橫梁用鋼量增加,不經濟。

因此,主橋采用了斜主桁的形式來適應雙層橋面寬度懸殊的特點。主橋采用3片主桁的形式,其中邊桁為斜桁,弦桿相應采用平行四邊形桿件?！靶敝麒?、平行四邊形弦桿”在國內為首次采用,適應了本橋上層公路橋面寬,下層鐵路橋面窄的特點?？梢詼p小橋面板的懸臂長度,使公路橋面板橫向布置更趨合理。公路橋面不設橫梁和托架,構造簡化,線條流暢。

主桁采用斜桁的形式,優(yōu)化了桁架構造細節(jié),受力合理、構造簡單,新穎美觀。

(2)鐵路正交異性整體鋼橋面

傳統(tǒng)的鐵路橋面是縱橫梁明橋面的結構形式,但高速鐵路列車在明橋面上行駛時,噪聲大,并且由于橋面剛度和質量較小,行車速度受到限制,對于350 km/h的設計行車速度,明橋面的結構形式已經不能滿足行車要求[4]?？v橫梁橋面系與道砟槽板結合的橋面結構可以用于高速鐵路,但共同作用大,橋面整體性較差。

因此,為使高速鐵路行車平順,鐵路橋面采用了剛度大,整體性好的正交異性板整體鋼橋面[6]。鋼橋面為多橫梁構造,縱向用U肋加勁,不設縱梁。

采用多橫梁,減小了橫梁間距,橫梁受力減小,降低了橫梁高度。縱向加勁肋不僅是構造需要,也是重要受力構件,使縱肋材料得以充分發(fā)揮。不設縱梁,簡化了橋面構造,制造方便、安裝簡單,后期檢查維修工作量減少。

(3)無橋面系的公路結合橋面

常規(guī)的縱橫梁橋面系的結合橋面[7],由于設有縱橫梁結構,連接接頭眾多,構造復雜,安裝費時,維修也不方便。且橋面系構造用鋼量大,也不經濟。

因此,主橋公路橋面采用了無縱橫梁橋面系的結合橋面板,橋面板內布置了橫向預應力。這種新型橋面承載能力大,整體性好,不設鋼橋面系及平聯(lián)。結構簡潔,節(jié)約鋼材。

4 鋼梁涂裝

鋼梁涂裝按照《鐵路鋼橋保護涂裝》(TB/T1527—2004)要求的第7體系進行,要求底漆2道,每道干膜厚度 40 μ m;中間漆2道,每道干膜厚度40 μ m;面漆2道,每道干膜厚度35 μ m。涂層總的干膜厚度共 230 μ m 。

鐵路道砟槽板底面焊接剪力釘后對表面進行噴砂處理達到Sa2.5級,鋼材表面粗糙度達到Rz=50～100 μ m,涂裝 40 μ m 的環(huán)氧 富鋅底漆及表 面 100 μ m的環(huán)氧瀝青涂料。

上弦桿頂面在工地安裝公路橋面板時,對頂面進行表面噴砂處理達Sa2.5級、Rz50～100 μ m。

箱形桿件兩端設封端隔板,其內部為氣密防腐。封端隔板四角及加勁肋隅角處過焊孔須在桿件端隔板焊后用HM-106密封劑密封。

高強度螺栓拼接摩擦面要求表面清理Sa3.0級后熱噴鋁150 μ m。出廠時,栓接表面抗滑移系數(shù)試驗值不小于0.55,安裝時不應小于0.45。

5 安裝

本橋第一聯(lián)采用拖拉鋼梁的施工方法[8],在7號～8號墩間搭設支架形成施工平臺,利用龍門吊在平臺上拼裝鋼梁桿件、鐵路橋面板及聯(lián)結系,鋼梁前端設置108 m長的前導梁,拼裝幾個節(jié)間的鋼梁后,向0號墩方向拖拉鋼梁及前導梁。在空出的平臺上繼續(xù)拼裝鋼梁,再整體拖拉,如此循環(huán),完成第一聯(lián)鋼梁的架設。而后架設主塔,鋪設全橋預制公路橋面板,并分區(qū)段張拉縱橫向預應力,現(xiàn)澆濕接縫。完成公路橋面板施工后,安裝斜拉索并張拉。最后安裝預制鐵路道砟槽板及公路、鐵路橋面。

第二聯(lián)采用懸臂法架設鋼梁,安裝時要注意監(jiān)測3片主桁的高差,使鋼梁3片主桁變形符合設計要求[9]。鋼梁架設完成后,起頂鋼梁,在中間支點將鋼梁按設計指定高度頂起[10]。而后安裝全橋公路橋面板,張拉縱橫向預應力。最后將鋼梁回落到設計高程,完成主體結構施工。

6 結語

本橋規(guī)模宏大,技術含量高,結構新穎。采用的斜主桁結構開創(chuàng)了一種新型的桁架形式。鐵路正交異性板整體鋼橋面及公路結合橋面板也優(yōu)化改進了傳統(tǒng)構造。2009年12月17日主橋鋼梁順利合龍。本橋的建成將對未來橋梁結構設計有著很好的借鑒意義和參考價值。

[1]劉俊鋒,王為玉.鄭州黃河公鐵兩用橋總體設計[J].鐵道標準設計,2009(3):53-54.

[2]肖海珠,高宗余.鄭州黃河公鐵兩用橋主橋結構設計[J].鐵道勘察,2007(S1):30-34.

[3]周孟波,秦順全.蕪湖長江大橋大跨度低塔斜拉橋板桁組合結構建造技術[M].北京:中國鐵道出版社,2004.

[4]徐 偉.武漢天興洲公鐵兩用長江大橋主橋鋼梁設計[J].橋梁建設,2008(1):4-7.

[5]朱聘儒.鋼-混凝土組合梁設計原理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1989.

[6]肖海珠,劉承虞,易倫雄.南京大勝關長江大橋鐵路鋼橋面設計與研究[J].橋梁建設,2009(4):9-12.

[7]程寶輝,崔清強.武漢天興洲公鐵兩用長江大橋主橋鐵路混凝土板結合橋面系試驗模型設計[J].橋梁建設,2007(4):9-12.

[8]周外男,毛偉琦.鄭州黃河公鐵兩用大橋主橋鋼梁架設方案研究[J].橋梁建設,2008(3):59-62.

[9]朱志虎,易倫雄,高宗余.南京大勝關長江大橋三主桁結構受力特性分析與施工控制措施研究[J].橋梁建設,2009(3):1-4.

[10]黃江剛,文武松.公鐵兩用板桁結合連續(xù)梁橋架設技術[J].交通科技,2001(4):8-10.