楊永明,李彥博

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055；2.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司,北京 100860)

1 設(shè)計(jì)背景

新建北京至張家口高速鐵路工程官?gòu)d水庫(kù)特大橋跨越官?gòu)d水庫(kù)，橋址位于河北省懷來(lái)縣東花園鎮(zhèn)與狼山鄉(xiāng)之間。主橋?yàn)?-108 m簡(jiǎn)支拱形鋼桁梁，引橋采用32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，軌道類型為無(wú)砟軌道。根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.3.3條要求，為協(xié)調(diào)無(wú)砟軌道梁體橫向變形，保證相鄰梁端兩側(cè)的鋼軌支點(diǎn)橫向相對(duì)位移不大于1 mm，主橋兩側(cè)鄰孔各采用1-32 m簡(jiǎn)支鋼-混結(jié)合梁進(jìn)行過渡。為響應(yīng)“開展打造京張精品工程、智慧高鐵創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案研究工作”的號(hào)召，京張高鐵32 m簡(jiǎn)支鋼-混結(jié)合梁設(shè)計(jì)采用高鐵應(yīng)急搶修鋼箱結(jié)合梁方案[1]。32 m簡(jiǎn)支鋼-混結(jié)合梁實(shí)景見圖1。

圖1 32 m簡(jiǎn)支鋼-混結(jié)合梁實(shí)景

高速鐵路為避免復(fù)雜路基地段線路沉降問題，多采用“以橋代路”方案[2-3]，橋梁占比高，同時(shí)近年來(lái)我國(guó)高速鐵路建設(shè)快速發(fā)展，因此高鐵常用跨度梁使用量巨大。雖然設(shè)計(jì)中已對(duì)地震、洪水等各種災(zāi)害對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了一定的考慮，但當(dāng)超出設(shè)計(jì)范圍的更大災(zāi)害發(fā)生時(shí)，高速鐵路橋梁的損壞和無(wú)法使用仍然是不可避免的；同時(shí)，我國(guó)既有的鐵路搶修鋼梁，如：六四式軍用梁、拆裝式桁梁[4-5]、八七型應(yīng)急搶修鋼梁[6]行車限制速度都比較低，無(wú)法適應(yīng)高速鐵路運(yùn)行的需要[7-8]，因此高鐵應(yīng)急搶修梁的研究工作意義重大。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級(jí)：高速鐵路；

正線數(shù)目：雙線；

設(shè)計(jì)荷載：ZK活載；

設(shè)計(jì)速度：350 km/h；

線間距：5.0 m；

軌道類型：無(wú)砟軌道；

直線曲線：直線；

線路坡度：2‰的上坡段或-2‰的下坡段；

地震烈度：Ag≤0.2g；

橋址溫度范圍：極端最高氣溫40.3 ℃，極端最低氣溫-21.7 ℃。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主梁結(jié)構(gòu)

官?gòu)d水庫(kù)特大橋32 m雙線簡(jiǎn)支鋼-混結(jié)合梁，計(jì)算跨度31.5 m，梁長(zhǎng)32.6 m。主梁采用雙箱單室等高度梁，橋面寬12.6 m，橫橋向支座中心距為4.5 m。結(jié)合梁截面中心線位置梁高3.11 m(梁頂?shù)搅旱讐|板底)，側(cè)面梁高3.048 m(梁頂最高點(diǎn)到梁底墊板底)。主梁部分頂板厚46 mm，懸臂翼緣部分頂板厚24 mm；主梁外側(cè)腹板斜置、內(nèi)側(cè)腹板豎直，腹板板厚均為32 mm；主梁底板單個(gè)箱體寬2.64 m，板厚64 mm。鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)采用Q345qE鋼。

主梁在箱內(nèi)設(shè)隔板、對(duì)應(yīng)兩箱體之間和外側(cè)分別設(shè)置中間橫向拼接和懸臂翼緣，將兩箱梁連成空間結(jié)構(gòu)以增加橋梁的整體剛度。為便于結(jié)構(gòu)傳力，隔板、中間橫向拼接、懸臂翼緣腹板均在同一位置設(shè)置。箱梁分段制造，工地拼接；箱梁頂板采用工地對(duì)接焊，腹板及底板采用高強(qiáng)度螺栓拼接；懸臂翼緣的腹板和底板采用高強(qiáng)度螺栓與主梁梁段連接[9]。結(jié)合梁立面布置、平面布置分別見圖2、圖3。

圖2 結(jié)合梁立面布置(單位：mm)

圖3 結(jié)合梁平面布置(單位：mm)

結(jié)合梁橋面寬12.6 m，其中混凝土橋面板寬9.9 m，板厚0.23～0.32 m?；炷翗蛎姘宀捎肅50混凝土，按整體預(yù)制、局部現(xiàn)澆設(shè)計(jì)，通過φ22×150 mm剪力釘將鋼梁與混凝土板形成共同受力體。橋面板頂面結(jié)構(gòu)坡度線與引橋32 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁(通橋(2016)2321A-Ⅱ)保持一致，頂面最高點(diǎn)位于截面中心線位置。成橋后斷面布置示意見圖4。

圖4 成橋后斷面布置示意(單位：mm)

3.2 結(jié)合梁組裝

(1)結(jié)合梁構(gòu)件

結(jié)合梁存放及運(yùn)輸時(shí)，采用單箱單室形式，橫向按“懸臂翼緣+主梁梁段+主梁梁段+懸臂翼緣”形式組成，縱向按A+B+C分為3塊，混凝土預(yù)制板與鋼梁組成一體。主梁節(jié)段A、C尺寸為12.3 m(長(zhǎng))×4.97 m(寬)，主梁節(jié)段B尺寸均為8.0 m(長(zhǎng))×4.97 m(寬)；懸臂翼緣YA、YC尺寸為12.3 m(長(zhǎng))×1.33 m(寬)，懸臂翼板YB尺寸為8.0 m(長(zhǎng))×1.33 m(寬)。

(2)主梁組裝

鋼梁節(jié)段預(yù)制完成后，將主梁梁段A、B、C及懸臂翼緣YA、YB、YC分段運(yùn)輸至橋位附近，吊裝主梁節(jié)段，先將其拼接成兩片32 m單箱單室主梁后，再橫向連接成32 m雙箱單室主梁[9]。結(jié)合梁構(gòu)件組裝順序見圖5。

(3)懸臂翼緣組裝

吊裝懸臂翼緣節(jié)段，將其與主梁連接，形成整體。

圖5 構(gòu)件組裝順序示意

3.3 支座及橫向限位裝置的設(shè)置

為協(xié)調(diào)主、引橋橫向支座中心距不同引起的梁體橫向位移差異，結(jié)合梁與主橋相鄰側(cè)梁端需設(shè)置梁側(cè)牛腿及橫向限位裝置。梁側(cè)牛腿采用工字形截面，截面高1 500 mm，腹板厚24 mm；頂、底板寬700 mm，厚40 mm。頂板、腹板、底板均采用高強(qiáng)度螺栓與鋼主梁梁段栓接。橫向限位裝置設(shè)置于梁側(cè)牛腿端部，其中心距離橋梁中心線的距離為5.6 m。梁側(cè)牛腿位置斷面布置見圖6。

支座均采用球型鋼支座，每個(gè)橋墩橫橋向設(shè)置2個(gè)支座，支座噸位5 000 kN。結(jié)合橫向限位裝置的布置情況，1號(hào)梁布置多向活動(dòng)支座1套、縱向活動(dòng)支座1套、橫向活動(dòng)支座2套；2號(hào)梁布置多向活動(dòng)支座2套、橫向活動(dòng)支座1套、固定支座1套。支座及橫向限位裝置具體布置情況見圖7。

圖6 梁側(cè)牛腿位置斷面(單位：mm)

圖7 支座及橫向限位裝置布置示意(單位：mm)

4 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)及結(jié)果

4.1 計(jì)算模型

結(jié)合梁采用橋梁設(shè)計(jì)專用軟件Midas Civil進(jìn)行計(jì)算，鋼結(jié)構(gòu)、混凝土均按板單元建立，全橋節(jié)點(diǎn)總數(shù)4 688個(gè)，單元總數(shù)4 912個(gè)。依據(jù)現(xiàn)行相關(guān)鐵路規(guī)范對(duì)結(jié)合梁進(jìn)行計(jì)算[10-13]。列車設(shè)計(jì)速度350 km/h，高速行車對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)剛度要求極高，車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)分析控制設(shè)計(jì)。32 m簡(jiǎn)支結(jié)合梁計(jì)算模型見圖8。

圖8 32 m簡(jiǎn)支結(jié)合梁計(jì)算模型

4.2 車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)分析

官?gòu)d水庫(kù)特大橋32 m簡(jiǎn)支鋼-混結(jié)合梁車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)分析主要參數(shù)為：車輛采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組，8輛編組；車速為100～420 km/h；軌道不平順譜采用TB/T 3352-2014《高速鐵路無(wú)砟軌道不平順譜》中給出的軌道譜，其中百分位數(shù)取90%，波長(zhǎng)取2～200 m[14]。采用耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法分析[15]，結(jié)合梁車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)分析控制設(shè)計(jì)，主要結(jié)論如下。

(1)列車以100～370 km/h速度通過橋梁時(shí)，最大橋梁跨中撓度動(dòng)力系數(shù)為1.472，顯示車橋之間未發(fā)生顯著的共振現(xiàn)象。

(2)列車以100～400 km/h速度過橋時(shí)，脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力安全性指標(biāo)不超出TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.3.6條之限值，列車可安全通過橋梁。

(3)列車以100～400 km/h速度過橋時(shí)，車體加速度不超出TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.3.6條之限值，斯佩林指標(biāo)滿足舒適度優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)。

(4)列車以100～400 km/h速度過橋時(shí)，橋面豎向加速度不超出TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.3.6條之限值，滿足橋梁安全性要求。

4.3 梁體的豎向撓度

根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.3.2條，當(dāng)L<40 m時(shí)，3跨及以上的雙線簡(jiǎn)支梁撓度值Δ≤L/1 600。ZK豎向靜活載作用下，結(jié)合梁梁體豎向撓度計(jì)算值見表1。

表1 結(jié)合梁梁體豎向撓度

4.4 梁端轉(zhuǎn)角

根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.3.7條，在ZK豎向靜活載作用下，梁端懸出長(zhǎng)度≤0.55 m的無(wú)砟橋面梁端豎向轉(zhuǎn)角不大于1.5‰rad，鋼梁梁端轉(zhuǎn)角計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 結(jié)合梁梁端轉(zhuǎn)角 rad

4.5 豎向自振頻率

根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.3.5條，計(jì)算跨度20 m

表3 結(jié)合梁豎向自振頻率 Hz

4.6 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力

主力、主力+附加力工況下，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況見表4。

表4 結(jié)合梁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力 MPa

4.7 支點(diǎn)反力

各荷載工況作用下，梁體單個(gè)支座反力計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 結(jié)合梁反力 kN

5 結(jié)合梁安裝

鋼-混結(jié)合梁的施工方法有原位拼接法、頂推法和平移法等[16-18]，官?gòu)d水庫(kù)32 m結(jié)合梁結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用原位節(jié)段拼接法施工，具體步驟如下。

(1)永久墩的樁基、承臺(tái)及墩身施工；在鋼梁拼接處施工臨時(shí)墩樁基、承臺(tái)、墩柱及墩頂。

(2)先吊裝安裝左線主梁梁段B，再吊裝安裝左線主梁梁段A、C；完成左線主梁梁段順橋向工地連接。

(3)依照上述步驟完成右線主梁梁段的安裝；再完成左右線主梁梁段之間的箱間橫向聯(lián)結(jié)安裝。

(4)采用與主梁梁段相同的次序，依次安裝各懸臂翼緣節(jié)段；完成各懸臂翼緣節(jié)段與主梁節(jié)段之間的縱、橫橋向連接。主梁節(jié)段安裝完成后立面布置示意見圖9。

圖9 主梁安裝完成示意(單位：mm)

(5)綁扎橋面板接縫部位鋼筋，澆筑橋面板縱、橫橋向后澆部分混凝土。

(6)拆除臨時(shí)支墩及基礎(chǔ)；施工橋面附屬及線路設(shè)備；通車運(yùn)營(yíng)。

6 結(jié)語(yǔ)

高鐵應(yīng)急搶修方案32 m簡(jiǎn)支鋼-混結(jié)合梁具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)在主梁架設(shè)完成后、懸臂翼緣拼裝之前即可實(shí)現(xiàn)限速通車。

(2)若在高鐵線路搶修中應(yīng)用該結(jié)合梁方案，可實(shí)現(xiàn)臨時(shí)結(jié)構(gòu)與永久結(jié)構(gòu)的結(jié)合，避免對(duì)線路造成二次干擾。

(3)該結(jié)合梁梁長(zhǎng)、計(jì)算跨度、支座布置、橋面寬度、頂面坡度、適用曲線半徑等均與預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁通用圖保持一致，且其箱體輪廓也與通用圖基本一致[19-20]。

(4)該結(jié)合梁可采用32 m梁構(gòu)件組裝成24 m跨度梁(取消梁段B)，實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件的通用性。

京張官?gòu)d水庫(kù)特大橋主橋兩側(cè)鄰跨采用的32 m簡(jiǎn)支鋼-混結(jié)合梁，是國(guó)內(nèi)首孔采用應(yīng)急搶修方案設(shè)計(jì)、施工的高速鐵路橋梁實(shí)體工程。該橋的建成，為今后進(jìn)一步深化高鐵應(yīng)急搶修鋼-混結(jié)合梁研究，開展高鐵應(yīng)急搶修梁相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工作奠定了基礎(chǔ)。