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        公鐵平層合建多塔斜拉橋大挑臂式鋼箱梁設(shè)計(jì)

        2019-11-29 07:41:48李的平
        關(guān)鍵詞:順橋公鐵鋼橋

        李的平

        (1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063; 2.中鐵建大橋設(shè)計(jì)研究院,武漢 430063)

        1 工程概況

        珠海市區(qū)至珠海機(jī)場(chǎng)城際鐵路二期金海特大橋跨磨刀門水道入海口,主橋采用四塔鋼箱梁斜拉橋,跨度布置為(58.5+116+3×340+116+58.5) m,如圖1所示。主橋采用剛構(gòu)-連續(xù)體系,即中間兩塔采用塔墩梁固結(jié),邊塔采用塔梁固結(jié),塔墩分離,設(shè)雙排支座[1-3]。

        圖1 主橋橋式立面布置(單位:m)

        該橋是國(guó)內(nèi)首座公鐵平層合建多塔斜拉橋,中間通行雙線城際列車,兩側(cè)布置高速公路,主梁采用挑臂式鋼箱梁,橋塔采用四柱式鋼塔,橋塔置于橋面中間,斷面布置如圖2所示。

        圖2 主橋斷面布置(單位:cm)

        2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

        (1)鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

        鐵路等級(jí):城際鐵路,有砟軌道;

        正線數(shù)目:雙線,線間距4.6 m;

        設(shè)計(jì)行車速度:160 km/h;

        設(shè)計(jì)活載:ZC活載[4]。

        (2)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

        公路等級(jí):高速公路;

        設(shè)計(jì)車道數(shù):雙向6車道,預(yù)留2個(gè)應(yīng)急車道;

        設(shè)計(jì)行車速度:100 km/h;

        設(shè)計(jì)活載:公路-Ⅰ級(jí)[5]。

        3 挑臂式鋼箱梁設(shè)計(jì)

        3.1 總體設(shè)計(jì)

        目前,公鐵合建橋大多采用公鐵分層布置,公路布置于上層,鐵路布置于下層,主梁一般采用鋼桁梁[6-7]。金海橋由于公路接線條件的限制,只能采用公鐵平層布置方案,為適應(yīng)公鐵平層布置要求,結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)橋塔布置在橋面中間的需要,并使結(jié)構(gòu)更加輕盈美觀,節(jié)省用鋼量,主梁采用一種新型的挑臂式鋼箱梁結(jié)構(gòu)。

        鋼箱梁頂寬49.6 m,由中間寬17.6 m的主箱(單箱三室),加上兩側(cè)各長(zhǎng)16 m的挑臂組成,梁高4.676 m(橫斷面中心處內(nèi)高),頂板橫向設(shè)2%的人字坡。單箱三室構(gòu)造便于鋼箱梁的腹板與鋼塔壁板連接,實(shí)現(xiàn)塔梁固結(jié)。

        沿縱向每隔3 m設(shè)置1道頂板橫梁,在箱外每隔6 m設(shè)置1道斜撐,無斜撐的橫梁通過小縱梁支承于有斜撐的橫梁上。在中箱內(nèi)每隔3 m設(shè)置1道斜撐,邊箱內(nèi)每隔3 m設(shè)置1道橫隔板[8],斜拉索錨固于邊箱內(nèi)。

        結(jié)合受力需要及方便加工,鋼箱梁除頂板行車區(qū)域采用U肋外,其余均采用板肋。鋼箱梁在工廠分節(jié)段加工制造后,運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)懸臂拼裝。在工廠制造時(shí),長(zhǎng)24 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段各構(gòu)件間全部為焊接;在工地拼裝時(shí),除橋面頂板、遮板焊接外,其余均為高強(qiáng)螺栓連接[9]。

        3.2 細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

        (1)頂板

        頂板采用正交異性鋼橋面板,由橫梁、縱梁、頂板、縱肋等組成[10]。頂板厚一般為16 mm,橋塔處局部加厚至24 mm。頂板主要設(shè)U形縱肋,少量I形縱肋;U肋厚8 mm,高280 m,間距一般為600 mm;I肋厚16 mm,高200 m。

        頂板在每側(cè)挑臂端部設(shè)1道倒T形邊縱梁,距挑臂端部6.0 m處設(shè)1道倒T形中縱梁。邊縱梁腹板高760 mm,厚16 mm;下翼板寬500 mm,厚24 mm。中縱梁腹板高960 mm,厚16 mm;下翼板寬600 mm,厚24 mm。

        頂板沿順橋向一般每隔3.0 m設(shè)置1道橫梁,橫梁采用倒T形截面,其腹板高一般為960 mm,厚16 mm;下翼板寬600 mm,厚24 mm。橫梁在挑臂部中縱梁處與箱外斜撐連接,其腹板高漸變。

        (2)底板

        鋼箱梁底板厚一般為16~24 mm,輔助墩處、邊塔處局部加厚至32 mm,中塔處局部加厚至40 mm。底板一般設(shè)16 mm×200 mm的I形縱肋,橋塔處底板I肋局部加強(qiáng)為20 mm×240 mm。

        底板沿順橋向一般每隔3.0 m設(shè)置1道T形橫肋[11],底板橫肋高600 mm,腹板厚16 mm,翼板寬600 mm,厚24 mm。

        (3)腹板

        鋼箱梁主箱共設(shè)4道直腹板,外腹板與內(nèi)腹板板厚一致,板厚一般為24 mm,邊塔處局部加厚為32,40 mm,中塔處局部加厚為36,48 mm。腹板一般設(shè)16 mm×200 mm的I形縱肋,橋塔處腹板I肋局部加強(qiáng)為20 mm×200 mm。

        (4)斜撐及橫隔板

        斜撐采用箱形截面,箱外斜撐內(nèi)寬600 mm,外高500 mm,腹板厚16 mm,頂?shù)装搴?0 mm。為了便于與頂板橫梁連接,箱外斜撐上端漸變?yōu)楣ぷ中谓孛?。箱?nèi)斜撐外寬360 mm,外高360 mm,腹板厚16 mm,頂?shù)装搴?6 mm。鋼箱梁邊室橫隔板厚一般為16 mm。

        4 局部應(yīng)力分析

        4.1 計(jì)算模型

        局部應(yīng)力分析主要關(guān)注挑臂式鋼箱梁的縱向局部受力和橫向受力,采用通用有限元軟件Ansys進(jìn)行計(jì)算分析,取24 m長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)梁段建立精細(xì)的空間有限元模型,鋼箱梁各板件采用Shell181單元模擬[12-14]。

        縱向每隔3 m在邊箱底部橫隔板與腹板交界處施加位移約束,其中一個(gè)約束Ux,Uy,Uz三個(gè)方向位移,其余只約束Uy(X-橫橋向,Z-順橋向,Y-豎向),梁段模型見圖3。

        圖3 梁段模型

        4.2 計(jì)算荷載

        (1)結(jié)構(gòu)自重:鋼結(jié)構(gòu)按γ=78.5 kN/m3。

        (2)二期恒載:按橋面布置實(shí)際位置加載,總重332 kN/m。

        (3)公路活載:采用車輛荷載加載,局部車輪荷載采用JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中的車輛荷載[5]。車輛荷載550 kN,其中前軸30 kN,中軸2×120 kN,后軸2×140 kN。車輛橫向布置考慮最不利的4車道靠外加載工況,如圖4所示。

        圖4 車輛活載加載圖示(單位:cm)

        為了解挑臂部分在車輛荷載作用下的最不利應(yīng)力狀況,車輛縱向布置考慮了3種最不利加載工況[15-16],分別為后軸布置于有斜撐橫梁處、無斜撐橫梁處及兩橫梁之間。

        (4)鐵路活載:采用ZC特種活載,軸重4×190 kN,間距1.6 m[4]。考慮軌枕和道砟的擴(kuò)散,按3.61 m(橫橋向)×5.8 m(順橋向)的面荷載施加于橋面板。

        4.3 計(jì)算結(jié)果

        限于篇幅,僅列出最不利受力工況結(jié)果,如圖5~圖11所示,圖中應(yīng)力單位為kPa,受壓為負(fù)。主梁節(jié)段應(yīng)力分析結(jié)果中,順橋向應(yīng)力不包含全橋整體分析中順橋向內(nèi)力產(chǎn)生的應(yīng)力。

        (1)頂板及U肋應(yīng)力

        從圖5知,汽車車行道范圍鋼橋面板順橋向應(yīng)力既有拉應(yīng)力又有壓應(yīng)力,應(yīng)力介于-15~30 MPa。U肋順橋向應(yīng)力介于-40~30 MPa,與常規(guī)鋼箱梁受力水平相當(dāng)[17]。

        圖5 汽車車行道范圍鋼橋面板順橋向應(yīng)力

        列車車行道部分鋼橋面板順橋向應(yīng)力見圖6,頂板順橋向應(yīng)力介于-13~24 MPa,U肋順橋向應(yīng)力值介于-45~40 MPa。

        圖6 列車車行道部分鋼橋面板順橋向應(yīng)力

        汽車車行道范圍鋼橋面板橫橋向應(yīng)力值介于-15~70 MPa,列車車行道部分鋼橋面板橫橋向應(yīng)力值介于-10~31 MPa,見圖7。

        圖7 鋼橋面板橫橋向應(yīng)力

        (2)頂板橫梁應(yīng)力

        挑臂橫梁正應(yīng)力見圖8,有斜撐者正應(yīng)力介于-69~62 MPa,無斜撐者正應(yīng)力介于-90~60 MPa,應(yīng)力圖符合挑臂梁的受力特征[18]。

        圖8 頂板箱外挑臂橫梁正應(yīng)力

        頂板箱內(nèi)橫梁正應(yīng)力介于-28~31 MPa,應(yīng)力水平較低,見圖9。

        圖9 頂板箱內(nèi)橫梁正應(yīng)力

        (3)斜撐應(yīng)力

        箱外斜撐為受壓桿件,正應(yīng)力在-65~-85 MPa,連接板處有應(yīng)力集中現(xiàn)象,但數(shù)值不大,見圖10。

        圖10 箱外斜撐正應(yīng)力

        從圖11看,箱內(nèi)斜撐1、2均為受壓桿件,受力大小與其支承剛度直接相關(guān)。斜撐1應(yīng)力在-40 MPa左右;斜撐2應(yīng)力在-10 MPa左右,應(yīng)力水平較低。箱內(nèi)斜撐的設(shè)置不僅提供對(duì)橫梁的支承作用,且對(duì)限制鋼箱梁畸變效應(yīng)作用顯著[19-20]。

        圖11 箱內(nèi)斜撐1、2正應(yīng)力

        5 結(jié)論

        金海橋主橋采用3×340 m四塔三主跨斜拉橋,為國(guó)內(nèi)首座公鐵平層合建的多塔斜拉橋。為適應(yīng)公鐵平層布置要求,主梁采用一種新型的大挑臂式鋼箱梁結(jié)構(gòu)。

        (1)大挑臂式鋼箱梁由中間寬17.6 m主箱加兩側(cè)各長(zhǎng)16 m挑臂組成,橋面寬度達(dá)49.6 m。根據(jù)受力特性,較重的鐵路荷載布置于中間主箱上,較輕的公路荷載布置于挑臂上,斜拉索布置在兩者之間,結(jié)構(gòu)受力合理,經(jīng)濟(jì)性好。

        (2)經(jīng)計(jì)算,挑臂式鋼箱梁正交異性橋面板縱向局部受力與傳統(tǒng)鋼箱梁受力水平相當(dāng),應(yīng)力在-40~40 MPa。挑臂橫梁正應(yīng)力介于-90~62 MPa,箱外斜撐正應(yīng)力介于-65~-85 MPa,挑臂部分受力水平控制合理。通過合理的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì),未出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

        (3)挑臂式鋼箱梁受力可靠,結(jié)構(gòu)輕盈,具有良好的經(jīng)濟(jì)性和美觀性,可為今后公鐵平層合建的橋梁提供借鑒。

        該大橋已于2018年3月開工建設(shè),總工期4年。

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