劉桂紅

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司， 北京 102600)

灌河大橋連續(xù)鋼桁拱梁設(shè)計

劉桂紅

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司， 北京 102600)

灌河特大橋為(120+228+120) m三跨連續(xù)剛桁柔拱組合體系的鋼桁梁橋，是連鹽鐵路的關(guān)鍵工程。重點闡述灌河特大橋方案選擇、靜力計算、結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)的構(gòu)造細節(jié)、鋼梁防腐涂裝體系和鋼梁安裝等。灌河特大橋結(jié)構(gòu)受力明確，安裝方案合理，具有較好的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性能。

三跨連續(xù)剛桁柔拱鋼桁梁橋 整體道碴鋼橋面 結(jié)構(gòu)計算 結(jié)構(gòu)細節(jié)

1 工程概述

灌河特大橋位于連鹽鐵路線上，在連云港地區(qū)上跨灌河，橋址處河面寬約500 m，上游約1 km處有已建成的主跨340 m高速公路斜拉橋，其通航凈空140 m×19 m，斜拉橋建成后發(fā)生過海輪桅桿撞擊事件。為保障通航的安全，經(jīng)方案比選，主橋通航孔為單孔雙向，橋梁形式為(120+228+120) m三跨連續(xù)剛性梁柔性拱鋼桁梁，邊跨為平弦桁梁，中跨剛梁柔拱(如圖1所示)。

圖1 主橋桁式(單位： m)

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級：Ⅰ級 。

正線數(shù)目：雙線，線間距4.4 m。

線路條件：橋上平坡、直線。

橋上建筑限界：采用200 km/h客貨共線電力牽引，KH-200基本建筑限界及橋隧建筑限界。

設(shè)計時速：客車200 km，貨車120 km。

設(shè)計通航凈空：200 m×21 m。

3 橋式的比選

橋型選擇需結(jié)合橋址條件、環(huán)境，遵循合理、實用、經(jīng)濟、美觀的原則。

本橋橋位處地形、地質(zhì)條件較差，需采用跨越能力強、自重輕、建筑高度低、便于施工的橋梁形式，以降低工程造價?？紤]與周圍景觀的協(xié)調(diào)性，較為合理的橋式有：

(120+228+120) m連續(xù)剛桁柔拱橋；

(120+228+120) m連續(xù)鋼桁拱橋；

(36+90+228+90+36) m連續(xù)鋼桁斜拉橋。

各方案技術(shù)經(jīng)濟比較如表1所示。

綜上比較結(jié)果：剛桁柔拱較鋼桁拱橋每延米的用鋼量及梁端轉(zhuǎn)角均較小，且施工架設(shè)更為便捷。鋼桁斜拉橋雖梁部用鋼量少，但其自振特性較剛桁柔拱橋有明顯劣勢，結(jié)合地質(zhì)條件等因素，最終確定采用(120+228+120) m連續(xù)剛桁柔拱橋方案。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

主桁采用”N”形桁式，桁高15 m，桁寬13.5 m，節(jié)間長度邊跨及中跨跨中12個節(jié)間為12 m，中跨靠近中支點處的6個節(jié)間距為13 m；中間支點處設(shè)加勁弦，加勁弦高15 m。拱肋采用圓曲線，矢高69 m，矢跨228 m，矢跨比為1/3.3，拱肋在拱腳與主桁桿件通過節(jié)點相連。加勁弦的設(shè)置增加了主桁的剛度，同時與拱肋勻順過渡連為一體，線形流暢、橋型美觀。

表1 各方案技術(shù)經(jīng)濟比較

4.1 主桁

主桁上、下弦及拱肋桿件均為箱形截面；腹桿桿力大的采用箱形，桿力較小者采用H形；吊桿采用抗風(fēng)性能較強的箱形。主桁桿件的板厚控制在50 mm以下(除節(jié)點板外)。主桁除桿力大的中間支承節(jié)點和拱與系桿相交的特殊節(jié)點處的桿件采用Q420qE外，其余大部分桿件和橋面系等構(gòu)件均采用Q370qE。主桁的拼接采用M30高強螺栓。

主桁采用整體節(jié)點(即在工廠內(nèi)把桿件和節(jié)點板焊成一體，工地架設(shè)時在節(jié)點之外用高強度螺栓拼接)。拱肋處的節(jié)點板較大，拼接縫離節(jié)點中心較遠，桿件間的夾角較大，若在拼接縫處彎折，桿件將增加次彎矩。為減少桿件產(chǎn)生次應(yīng)力，把通常設(shè)在拼接縫處的彎折點移至到節(jié)點中心，這樣既保持了節(jié)點間桿件順直傳力，也避免桿件產(chǎn)生次彎矩

4.2 橋面

高速行駛的列車要求有較高的橋面剛度和軌道順直平穩(wěn)，且橋面不宜設(shè)置斷縫。可采用的橋面形式由縱、橫梁結(jié)合的整體道碴混凝土橋面和正交異性鋼橋面。通過計算比較，由縱、橫梁結(jié)合的整體道碴橋面由于橫梁產(chǎn)生較大的面外彎矩，使結(jié)構(gòu)設(shè)計難度加大；若采用結(jié)合梁方式，由于恒載加大，結(jié)構(gòu)的用鋼量相應(yīng)地增加。因此，決定采用由縱、橫肋組成的正交異性鋼橋面板，它和主桁的下弦桿焊接成一體，組成板桁新結(jié)構(gòu)，使橋面板直接參與弦桿的受力，同時取消下平聯(lián)、伸縮縱梁及制動架，節(jié)省鋼料，又保持了橋面結(jié)構(gòu)的連續(xù)完整和行車的平順。

主桁與橋面系的連接為本橋關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，也是重要的構(gòu)造細節(jié)和制造難點。設(shè)計中將箱形的下弦桿上水平板加寬510 mm，伸過弦桿豎板與16 mm厚的橋面頂板以不等厚對接焊焊連，遇主桁節(jié)點，在弦桿的上水平板上開槽，讓節(jié)點板從槽中穿出，使節(jié)點板保持為一個整體。節(jié)點板與下弦桿上水平板處為圍焊縫，節(jié)點板兩側(cè)及開槽的端部以熔透焊縫與弦桿上水平板焊連，這樣能使橋面板更有效地和下弦桿、主桁節(jié)點板連接在一起，共同受力。在制造過程中須嚴(yán)格按照施工規(guī)則和施工工藝，確保焊接和加工質(zhì)量。

鋼橋面板分塊制造和安裝。各塊件在工廠制造時均為焊接連接。工地安裝時，除橋面板為熔透焊接外，其余的縱、橫向連接均采用高強度螺栓連接。橋面布置如圖2所示。

圖2 橋面布置(單位：mm)

4.3 主桁預(yù)拱度

主桁平弦的預(yù)拱度：恒載+1/2靜活載撓度曲線值反向設(shè)置。在上弦節(jié)點設(shè)置不同的伸縮值，迫使下弦節(jié)點起拱，拱肋以折代曲盡可能地接近設(shè)計線形，通過調(diào)節(jié)豎桿的長度來以確保橋梁的線形。

5 主橋計算

主橋采用程序Midas建模，除橋面板采用板單元外，其余桿件均用梁單元模擬，全橋共3 646個梁單元，1 064個板單元，見圖3。

圖3 計算模型

恒載反力：端支點=7 776.5 kN；

中支點=43 771.8 kN。

主力最大反力：端支點=13 044.4 kN；

中支點=60 046.9 kN。

桿件設(shè)計強度如表2所示。

表2 桿件應(yīng)力 MPa

注：表中應(yīng)力受拉為正，受壓為負。

主橋的豎向剛度如表3所示。

表3 活載作用下變形

注：表中位移向上為正，向下為負。

主橋的橫向剛度：

在橫向荷載作用下，中跨跨中最大橫向變形50.3 mm，撓跨比1/4 533，滿足規(guī)范要求。

自振特性：

一階橫向自振頻率為0.469 Hz；

一階縱向自振頻率為0.650 Hz；

一階豎向自振頻率為1.126 Hz。

均滿足要求。

6 鋼梁的制造

采用的整體節(jié)點和鋼橋面板有焊接工作量大、焊接接頭類型多、焊接變形大的特點，焊接的質(zhì)量與桿件的組裝精度是控制工程質(zhì)量的關(guān)鍵點。平弦桁梁需進行平面輾轉(zhuǎn)試拼裝，應(yīng)選擇有代表性的包含上弦伸長和縮短節(jié)段，平聯(lián)和橫聯(lián)也需選擇有代表性區(qū)段試拼裝，以確保結(jié)構(gòu)的空間尺寸能夠吻合。

鋼橋面板的焊接應(yīng)采用雙面焊接或帶陶瓷襯墊的單面焊雙面成型工藝，以保證焊縫熔透并打磨勻順。同一截面上的拼縫、縱橫向焊縫、相鄰焊縫應(yīng)按規(guī)定相互錯開，橋面板的縱、橫向工地焊縫應(yīng)控制鋼板間的板縫不超過工藝規(guī)定值。鋼梁的焊縫尤其是坡口熔透焊，應(yīng)按規(guī)范的要求，經(jīng)過嚴(yán)格的探傷檢查。

7 鋼梁安裝

充分結(jié)合建橋條件和柔性拱橋的特點，邊跨架設(shè)時采用設(shè)臨時墩的方法，中跨架設(shè)分兩步，首先利用吊索塔架安裝平弦，然后在平弦上架設(shè)柔拱，鋼橋面與平弦主桁同步安裝，既降低了安裝難度，又節(jié)省了施工臨時設(shè)施費用。

8 鋼梁防腐

按照《鐵路鋼橋保護涂裝》(TB/T 1527—2004)要求的第7體系進行。

9 主要專題研究

灌河特大橋整體靜力計算時，采用空間程序計算，桿件強度、穩(wěn)定、疲勞以及鋼橋面板參與整體計算的有效寬度等問題有待于進一步的研究。

灌河橋吊桿長度約12～39 m，焊接箱形截面，需對吊桿進行風(fēng)動試驗，研究它的風(fēng)振、渦振及馳振，檢算其截面形式及采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

本橋采用整體道碴槽，其重量約占恒載總重的50%，二恒的自重直接影響全橋的用鋼量，應(yīng)進一步研究采用新型輕質(zhì)材料橋面系。

10 結(jié)束語

灌河特大橋是一座跨度為(120+228+120) m的連續(xù)鋼桁拱鐵路橋，主橋揉合了拱橋和下承式桁梁橋兩種橋梁的形式，結(jié)構(gòu)受力合理、簡潔，線形流暢。其采用的新型整體鋼橋面，在吸收其他已建高速鐵路整體橋面優(yōu)點的基礎(chǔ)上，對鋼橋面細節(jié)構(gòu)造進行創(chuàng)新，將節(jié)點橫梁及節(jié)間橫肋設(shè)計成等高度，既簡化了制造工藝，又方便運輸及安裝，也節(jié)省了用鋼量。正交異性鋼橋面和混凝土道碴組成的整體結(jié)構(gòu)不僅具有較高的橫向、豎向剛度，還能提供足夠的抑振質(zhì)量、平順的軌道支承結(jié)構(gòu)，為列車的運行提供了更平穩(wěn)、安全的保障。

[1] 中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司.新建連鹽鐵路灌河特大橋施工圖[R].北京：中鐵五院，2013

[2] 西南交通大學(xué).灌河特大橋吊桿抗風(fēng)性能風(fēng)洞模型試驗研究報告[R].成都：西南交通大學(xué)，2013

[3] 西南交通大學(xué).新建連云港至鹽城鐵路灌河特大橋車橋耦合動力仿真分析報告[R].成都：西南交通大學(xué)，2010

[4] 易倫雄.大跨度鐵路橋梁橋型方案構(gòu)思與設(shè)計[J].橋梁建設(shè),2005

[5] 楊帆，徐升橋.包神線黃河特大橋總體設(shè)計[J].鐵道勘察,2007(增刊)

[6] 劉桂紅，劉承虞.南京大勝關(guān)長江大橋2×84 m連續(xù)鋼桁梁設(shè)計[J].鐵道勘察,2007(增刊)

[7] 劉桂紅，易倫雄.采用正交異性鋼橋面板的鐵路鋼桁梁設(shè)計[J].橋梁建設(shè),2007(增刊2)

[8] 劉桂紅，易倫雄.采用正交異性鋼橋面板的鐵路鋼桁梁設(shè)計[J].橋梁建設(shè),2007(增刊2)

[9] 徐偉.武漢天興州公鐵兩用長江大橋主橋鋼梁設(shè)計[J].橋梁建設(shè),2008(1)

Design of Steel Truss Arch Bridge of GuanHe Bridge

LIU Guihong

2013-11-01

劉桂紅(1963—)，女，2007年畢業(yè)于中南大學(xué)土木工程專業(yè)，高級工程師，E-mail：liuguihong63@163.com。

1672-7479(2014)01-0094-03

U442.5

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