繆文輝

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 西安 710043)

銀西高速鐵路拱加勁連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

繆文輝

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 西安 710043)

依據(jù)防洪評(píng)價(jià)報(bào)告，銀西高鐵銀川黃河特大橋跨越黃河主河槽最小跨徑需160 m以上。文章從美觀、造價(jià)、施工難易度、結(jié)構(gòu)受力分析等方面綜合比較分析了平行弦連續(xù)鋼桁梁、變高弦連續(xù)鋼桁梁、拱加勁連續(xù)鋼桁梁3種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終推薦采用3×168 m等跨拱加勁連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu)跨越黃河主河槽方案。介紹了該方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、組合結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律、結(jié)構(gòu)的剛度、材料用量及施工方案，通過(guò)增加拱肋的方式，大大增加了結(jié)構(gòu)的剛度，使每孔結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律與簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)類(lèi)似，改善結(jié)構(gòu)的受力條件，克服等跨布置受力缺陷。該橋在施工及運(yùn)營(yíng)階段的剛度、強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，具有良好的動(dòng)力特性，為同類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)施工起借鑒作用。

黃河特大橋； 168 m連續(xù)鋼桁； 拱加勁鋼桁梁； 橋式方案

1 工程概況

銀西鐵路(正線)從陜西西安北站引出，途經(jīng)禮泉、乾縣、永壽、彬縣、慶陽(yáng)、慶城、環(huán)縣、惠安堡、吳忠、銀川等縣市，線路總長(zhǎng)617 km，設(shè)計(jì)行車(chē)速度先期250 km/h，預(yù)留350 km/h，Ⅰ級(jí)鐵路，線間距5.0 m,有砟軌道。

銀西高速鐵路在河?xùn)|機(jī)場(chǎng)處跨越黃河，百年一遇洪峰流量 6 160 m3/s，上游距既有太中銀黃河橋16.5 km，距正在建設(shè)的永寧黃河公路橋7.5 km，下游距銀古高速黃河特大橋3.2 km?？紤]橋位下游不足4km有3座橋，同時(shí)為盡量減少建橋后壅水高度及影響范圍，黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院編制的《銀川機(jī)場(chǎng)黃河特大橋防洪評(píng)價(jià)報(bào)告》建議主河槽最小跨徑160 m以上。

寧夏回族自治區(qū)交通運(yùn)輸廳回函說(shuō)明，該段黃河通航等級(jí)為內(nèi)河航道Ⅴ級(jí)，黃河特大橋凈空受通航橋孔凈空尺寸：凈寬80 m、上底寬72 m、側(cè)高5.5 m，凈高8 m，以及百年一遇洪水位1 109.58 m控制。

該處黃河河堤寬1 800 m，河堤內(nèi)橋梁孔跨布置形式為96 m簡(jiǎn)支鋼桁+2聯(lián)(3×168)m拱加勁連續(xù)鋼桁梁+96 m簡(jiǎn)支鋼桁梁+12-56 m簡(jiǎn)支箱梁，分別采用96 m鋼桁和56 m簡(jiǎn)支箱梁跨越河堤路，且在主河槽內(nèi)的主墩偏向河堤側(cè)，不影響主河槽內(nèi)的通航要求，主橋立面如圖1所示。

圖1 主橋立面示意圖(cm)

2 結(jié)構(gòu)形式比選

能夠適應(yīng)上述跨度的結(jié)構(gòu)均為鋼結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計(jì)比較了平行弦連續(xù)鋼桁梁、變高弦連續(xù)鋼桁梁、拱加勁連續(xù)鋼桁梁3種方案。

在荷載條件相同的前提下，簡(jiǎn)支鋼桁架橋與同等跨度簡(jiǎn)支箱梁橋相比，外荷載產(chǎn)生的彎矩并沒(méi)有變化，只是外彎矩的平衡機(jī)理不同。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般情況下桁高為跨度的1/8左右。

2.1 平行弦連續(xù)鋼桁梁

平行弦連續(xù)鋼桁梁方案(如圖2所示)支點(diǎn)上弦48 767 kN，支點(diǎn)下弦400 584 kN，跨中上弦39 803 kN，跨中下弦40 371 kN。優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，施工方便，可采用平推就位或拖拉法進(jìn)行施工，工期較短；缺點(diǎn)：由于跨度大，需要鋼桁桁高較高，用鋼量大，且在施工中，需在河道中設(shè)置臨時(shí)墩，對(duì)河道影響較大，同時(shí)跨中撓度和梁端轉(zhuǎn)角難以滿足要求，對(duì)于3跨等跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，受力極不合理。

圖2 平行弦連續(xù)鋼桁梁景觀效果

2.2 變高弦連續(xù)鋼桁梁

變高弦連續(xù)鋼桁梁方案(如圖3所示)支點(diǎn)上弦39 484 kN，支點(diǎn)下弦29 971 kN，跨中上弦42 004 kN，跨中下弦42 032 kN。優(yōu)點(diǎn)：在支點(diǎn)處增加桁高，符合連續(xù)梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，技術(shù)較成熟，施工較方便，可采用平推就位或懸臂拼裝進(jìn)行施工；缺點(diǎn)：用鋼量較大，因桿件類(lèi)型較多，施工復(fù)雜，跨中撓度和梁端轉(zhuǎn)角不滿足要求。

圖3 變高弦連續(xù)鋼桁景觀效果

2.3 拱加勁連續(xù)鋼桁梁

拱加勁連續(xù)鋼桁梁比較了平行弦加拱和加勁弦加拱2個(gè)方案。

若采用平行弦連續(xù)鋼桁梁加拱，支點(diǎn)上弦 28 360 kN，支點(diǎn)下弦9 902 kN，跨中上弦6 773 kN，跨中下弦23 102 kN，拱頂軸力18 950 kN，拱腳軸力 23 820 kN，支點(diǎn)斜腹桿軸力31 730 kN。

采用加勁弦連續(xù)鋼桁梁加拱方案(如圖4所示)，支點(diǎn)上弦23 297 kN，支點(diǎn)下弦8 157 kN，跨中上弦5 859 kN，跨中下弦22 200 kN，拱頂軸力18 400 kN，拱腳軸力22 544 kN，支點(diǎn)斜腹桿軸力28 841 kN，V撐軸力29 948 kN。優(yōu)點(diǎn)：加拱后結(jié)構(gòu)剛度較大，造型美觀，施工方便，用鋼量較省，也可采用平推或懸臂拼裝進(jìn)行施工，若采用對(duì)稱(chēng)懸拼施工方案，可不設(shè)置臨時(shí)墩，對(duì)河道影響較小，在支點(diǎn)處設(shè)V撐增加桁高后，結(jié)構(gòu)受力更合理，可減小墩高，降低基礎(chǔ)工程量；缺點(diǎn)：加拱后結(jié)構(gòu)高度變高，采用鋼絞線作為吊桿，并施加預(yù)應(yīng)力，施工工藝復(fù)雜，要求更高，中支點(diǎn)處為結(jié)構(gòu)受力薄弱點(diǎn)，支點(diǎn)負(fù)彎矩集中，上弦受拉較大，采用加高桁高后，可明顯改善。

圖4 拱加勁連續(xù)鋼桁梁景觀效果

2.4 比選結(jié)論

綜合上述論述的主要內(nèi)容，整理如表1所示。

表1 方案比選表

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主桁構(gòu)造

主梁采用下承式連續(xù)鋼桁梁橋，為加大結(jié)構(gòu)剛度，減小主梁分擔(dān)彎矩，在各跨均設(shè)置鋼箱加勁拱。主梁采用帶豎桿的等高度三角形桁架，桁高12 m，兩片主桁間距12.2 m，節(jié)間距根據(jù)邊中跨吊桿布置不同采用11.0 m、12.0 m，拱肋按圓曲線布置，矢高24 m，中跨矢跨120 m，矢跨比1/5，中跨矢跨132 m，矢跨比1/5.5。為抵抗連續(xù)鋼桁支點(diǎn)處較大負(fù)彎矩，在中支點(diǎn)處設(shè)置V撐增加桁高，V撐高14 m。

主桁梁部位采用焊接整體節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式，上、下弦桿在節(jié)點(diǎn)外拼接，斜腹桿采用對(duì)接形式與整體節(jié)點(diǎn)拼接，其腹板接頭板焊于節(jié)點(diǎn)板上。上、下弦桿及斜腹桿均采用全截面拼接。拱采用拼裝節(jié)點(diǎn)。主桁上下弦桿采用帶肋箱形截面，上弦桿內(nèi)寬 1 000 mm、高 1 100 mm，下弦桿內(nèi)寬1 100 mm、內(nèi)高1 300 mm。拱肋弦桿采用箱形截面，桿件外寬1 000 mm，桿件高1 300 mm，每塊板各設(shè)一道加勁肋。主桁斜桿、豎桿采用箱形或H形截面，腹板內(nèi)寬1 000 mm，翼板寬800 mm。

3.2 吊桿設(shè)計(jì)

一聯(lián)梁部共設(shè)62根鋼絞線吊桿，吊桿間距邊跨11 m，中跨12 m，吊桿采用柔性吊桿，圓形截面，外徑9.7 cm，其構(gòu)成為OVM250-61Z智能型平行鋼絞線拉索體系，由 61根φ7環(huán)氧涂覆鋼絞線組成(σb=1 860 MPa)，外套雙層 HDPE 護(hù)套保護(hù)層，吊桿外露部分用鋼護(hù)套包裹。吊桿在拱肋頂單端張拉，在上弦桿設(shè)固定端錨箱。

3.3 橋面系構(gòu)造

正交異性板整體橋面結(jié)構(gòu)是節(jié)點(diǎn)橫梁、節(jié)間橫梁及帶U型縱肋的鋼橋面板組合結(jié)構(gòu)。U型縱肋橫向間距800 mm，板厚10 mm，頂寬400 mm、底寬300 mm、高300 mm。U型縱肋的跨距是3.125 m，并且全聯(lián)連續(xù)，遇節(jié)點(diǎn)橫梁、節(jié)間橫梁的腹板時(shí)開(kāi)孔穿越。節(jié)點(diǎn)橫梁、節(jié)間橫梁均為倒T形截面，在下弦節(jié)點(diǎn)處設(shè)置節(jié)點(diǎn)橫梁，節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置節(jié)間橫梁，其間距為3.125 m，節(jié)點(diǎn)橫梁、節(jié)間橫梁高約為1.5 m，節(jié)點(diǎn)橫梁翼緣板寬600 mm，節(jié)間橫梁翼緣板寬460 mm。跨中橋面布置如圖5所示。

圖5 跨中橋面布置示意圖(mm)

3.4 聯(lián)結(jié)系構(gòu)造

上弦及拱肋間設(shè)上平面縱向聯(lián)結(jié)系，交叉式結(jié)構(gòu)?？v向平聯(lián)斜桿及橫撐均采用工字形截面桿件，端橫撐翼板厚24 mm，寬420 mm，腹板厚20 mm，外高500 mm。中間橫撐翼板厚20 mm，寬420 mm，腹板厚16 mm，外高496 mm。斜桿翼板厚20 mm，寬400 mm，腹板厚16 mm，外高496 mm。 鋼桁梁端斜桿上設(shè)斜向橋門(mén)架，在上弦每個(gè)節(jié)點(diǎn)均設(shè)中間橫聯(lián)，橋門(mén)架及橫聯(lián)均采用板式結(jié)構(gòu)。

4 推薦方案計(jì)算分析

4.1 簡(jiǎn)化計(jì)算比較

推薦方案為鋼桁梁與拱的組合結(jié)構(gòu)，為探明結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，掌握組合結(jié)構(gòu)的荷載傳遞規(guī)律，采用簡(jiǎn)化平面模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，簡(jiǎn)化思路為將簡(jiǎn)支鋼桁和簡(jiǎn)支梁、簡(jiǎn)支鋼桁加拱和簡(jiǎn)支梁加拱進(jìn)行受力分析。

首先比較簡(jiǎn)支梁與簡(jiǎn)支鋼桁，使簡(jiǎn)支梁能完全模擬鋼桁的剛度，主力下，簡(jiǎn)支梁和簡(jiǎn)支鋼桁跨中豎向位移155 cm。

簡(jiǎn)支梁加拱后，跨中位移27 cm，加拱后位移變?yōu)槲醇庸暗?7%，考慮正交異性板的剛度貢獻(xiàn)后，整體剛度可增加12.5%，即加拱后，梁體分擔(dān)的彎矩約為未加拱簡(jiǎn)支梁彎矩的20%。

簡(jiǎn)支梁加拱跨中彎矩165 000 kN·m，為純簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)跨中彎矩的18%。簡(jiǎn)支鋼桁加拱下弦拉力24 600 kN，上弦壓應(yīng)力2 700 kN，跨中彎矩為163 800 kN·m，與簡(jiǎn)支梁加拱效果等效，符合該結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。

4.2 連續(xù)鋼桁加拱計(jì)算

內(nèi)力比較，三跨等跨純連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，邊跨跨中彎矩M=0.08×ql2=573 500kN·m，中跨跨中彎矩M=0.025×ql2=179 200kN·m，支點(diǎn)彎矩M=0.1×ql2=717 000kN·m，所以邊跨和中跨的彎矩差異太大。連續(xù)梁加拱后，簡(jiǎn)支梁與連續(xù)梁的跨中彎矩差別不大，均為160 000kN·m左右，但考慮是連續(xù)鋼桁施工方便，采用連續(xù)鋼桁方案。中支點(diǎn)加V撐后，可減小支點(diǎn)負(fù)彎矩，同時(shí)減少中跨跨中彎矩。

4.3 主要計(jì)算結(jié)論

縱向計(jì)算采用MidasCivil程序進(jìn)行平面及整體桿系受力分析。將主桁、拱、吊桿按照實(shí)際斷面建模，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工順序進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，按照實(shí)際結(jié)構(gòu)的支撐情況模擬結(jié)構(gòu)邊界條件。

橫向計(jì)算及下部計(jì)算時(shí)，建立空間梁格模型，主桁桿件采用空間梁?jiǎn)卧?，橋面橫梁、橫肋和縱向加勁肋采用空間梁?jiǎn)卧鞑繕?gòu)件均按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸建模，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散。計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 空間計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)在各項(xiàng)荷載作用下的支座反力如表2所示。

表2 支反力表

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》，該橋168 m跨度主桁在ZK靜活載作用下,梁體的豎向撓度不大于123 mm，梁部結(jié)構(gòu)在列車(chē)靜活載作用下，橋梁梁端豎向轉(zhuǎn)角不應(yīng)大于2‰。主桁豎向剛度見(jiàn)表3。

表3 主力下主梁變形計(jì)算結(jié)果表

梁端最大轉(zhuǎn)角為1.67‰ rad。最大豎向位移為63 mm，撓跨比為1/2 666。主桁豎向剛度滿足規(guī)范要求。在列車(chē)橫向搖擺力、風(fēng)力的作用下，梁體的水平撓度最大17.2 mm，水平撓跨比1/9 767，滿足規(guī)范橫向撓度不大于1/4 000要求。

4.4 主橋梁工程量分析

本橋主桁及拱肋桿件材質(zhì)采用Q370qE和Q370qE-Z35，拼接板及填板材質(zhì)采用Q345qD，連接系、橋面系材質(zhì)采用Q345qD和Q345D。 一聯(lián)主結(jié)構(gòu)用鋼量95 694 t，平均19.4 t/m，具體分項(xiàng)數(shù)量表見(jiàn)表4。

表4 主橋主要數(shù)量表

4.5 施工方案簡(jiǎn)述

鋼桁梁采用懸臂拼裝，鋼桁梁所有桿件均在工廠制造，試拼裝后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼裝。

步驟一：基礎(chǔ)、墩身施工完成后，在邊墩承臺(tái)旁拼裝墩臺(tái)，用塔吊在墩旁拼裝50 t提升站架梁吊機(jī)；在邊跨安裝支架，并在其他各橋跨的跨中位置修建臨時(shí)墩。

步驟二：利用提升站吊機(jī)架設(shè)前5個(gè)鋼梁節(jié)間；然后用提升站吊機(jī)在第5個(gè)鋼梁節(jié)間上拼裝架梁吊機(jī)。

步驟三：利用架梁吊機(jī)，在支架上拼裝第一孔鋼梁；在鋼梁的下弦鋪設(shè)運(yùn)梁走道；利用架梁吊機(jī)，對(duì)稱(chēng)懸臂拼裝平弦部分剩余桁梁。

步驟四：利用架梁吊機(jī)由右向左拼裝拱肋和吊桿；通過(guò)頂落支點(diǎn)等措施，在拱頂按順序進(jìn)行拱肋合攏。

步驟五：拱肋合攏后，拆除支架、拱肋間臨時(shí)連接；拆除支架吊機(jī)及塔吊；進(jìn)行橋面槽碴槽板施工。本橋計(jì)劃總工期32個(gè)月。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于大跨橋梁結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的單一結(jié)構(gòu)形式難以滿足結(jié)構(gòu)跨度要求，所以必須采用組合結(jié)構(gòu)，尋找組合結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律，才能更好地認(rèn)識(shí)和利用該結(jié)構(gòu)。本文比較了平行弦連續(xù)鋼桁梁、變高弦連續(xù)鋼桁梁、拱加勁連續(xù)鋼桁梁3種結(jié)構(gòu)方案，通過(guò)美觀、造價(jià)、施工難易度、結(jié)構(gòu)受力分析等技術(shù)比較，推薦采用拱加勁連續(xù)鋼桁梁方案，介紹了該方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、組合結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律、結(jié)構(gòu)的剛度、材料用量及施工方案。

由于高速鐵路對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度要求較高，所以梁體截面剛度很大，如拱肋截面剛度與系梁截面剛度的比值小于1/80～1/100時(shí)，拱肋可視為僅承受軸向壓力的柔性拱。本橋拱肋剛度為主梁剛度的1/210，但因主梁為受彎構(gòu)件，拱肋為受壓構(gòu)件，所以組合后整體剛度增加5倍。

本橋采用3×168 m等跨結(jié)構(gòu)跨越黃河主河槽，對(duì)于一般連續(xù)結(jié)構(gòu)，等跨布置受力極不合理，但通過(guò)增加拱肋后，大大增加了結(jié)構(gòu)的剛度，使每孔結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律與簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)類(lèi)似。平行弦支點(diǎn)處負(fù)彎矩較大，上弦桿應(yīng)力大，在支點(diǎn)處下弦增加加勁弦，可明顯改善拱腳處的受力狀況。

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Design of Arch Stiffening Continuous Steel Truss on Yinchuan-Xi’an High Speed Railway

MIAO Wenhui

(China Railway First Survey and Design Group Ltd., Xi’an 710043， China)

According to flood control evaluation report, the minimum span of Yinchuan Yellow River Bridge on Yinchuan-Xi’an high speed railway across the Yellow River main river channel shall be more than 160m. The design uses a 168m span continuous structure across the main river channel. This paper compares the merits and demerits of three designing schemes such as parallel chord continuous steel truss girder, truss high variability continuous steel truss girder and arch stiffening continuous steel trussfrom the aesthetics, cost, difficulty of construction, structural stress analysis and other factors, finally 3×168 m equal span stiffening chord continuous steel truss girder is recommended. Then the design point of the program, the forced law of composite structure, stiffness of the structure, the amount of material and construction programs are introduced. The results show that the bridge meets regulatory requirements of stiffness and strength in the construction and operation by adding the arch ribs. The bridge has a good dynamic characteristics, design and construction of similar bridges from reference.

Yellow River super major bridge；168 m continuous steel truss；arch stiffening steel truss；bridge type scheme

2016-01-04

繆文輝(1982-)，男，工程師。

1674—8247(2016)02—0080—05

U448.2

A