王偉民

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

1 工程概況

貴廣南廣鐵路四線橋上跨桂丹路，與既有貴廣南廣鐵路并行，線間距約為17 m。對于跨越城市道路的鐵路橋梁，應(yīng)盡量考慮景觀協(xié)調(diào)。常用大跨連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)由于梁高較高，影響城市美觀，而拱橋跨度較大，且梁高較低，具有良好的適用性［1-5］。結(jié)合既有四線橋和現(xiàn)場地形情況，橋梁孔跨形式采用主跨160 m剛架系桿拱鋼箱連續(xù)梁組合橋。線路標(biāo)準(zhǔn)等級為客貨共線、單線、有砟軌道鐵路；速度目標(biāo)值為120 km/h；設(shè)計(jì)荷載為ZKH標(biāo)準(zhǔn)荷載；主橋位于直線、平坡線路上。

2 結(jié)構(gòu)形式

主橋采用160 m下承式鋼管拱肋鋼箱梁系桿拱橋，全長164.4 m，計(jì)算跨徑L=160 m，結(jié)構(gòu)體系為簡支系桿拱，拱梁固結(jié)［6］。墩頂橫橋向設(shè)2個(gè)支座，采用簡支梁支座體系。

2.1 主梁

系梁采用單箱三室鋼箱梁，兩邊設(shè)風(fēng)嘴構(gòu)造，見圖1。頂板采用復(fù)合不銹鋼板，基層材料采用厚14 mm的Q345qD鋼材，復(fù)層材料采用厚3 mm的不銹鋼板，復(fù)合不銹鋼板總公稱厚度為17 mm。頂板中間按0.6 m間距布置6道8 mm厚V形加勁肋，兩邊按0.35 m間距布置16 mm厚I形加勁肋；箱梁底板厚14 mm，梁端一定范圍內(nèi)加厚至20mm，按0.35～0.40m間距布置14mm厚I形加勁肋。腹板主要設(shè)置在箱梁靠邊位置，由2道腹板組成1個(gè)箱體。該箱體中心正對吊桿中心布置，腹板厚16 mm，拱腳處局部加厚至28 mm。風(fēng)嘴厚8 mm。橫隔板間距2.65～2.70 m，拱腳處適當(dāng)加密。支點(diǎn)處橫隔板厚24 mm，拱腳處橫隔板厚20 mm，吊點(diǎn)處橫隔板厚16 mm，其余位置橫隔板厚14 mm。

圖1 主梁截面（單位：cm）

2.2 拱肋

拱肋采用鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)矢高40.0 m，矢跨比為1/4，拱軸線采用m=1.15次懸鏈線。2榀拱肋橫向中心距8.4 m。

拱肋采用等高度啞鈴形截面，截面高3.9 m。鋼管直徑1.25 m，壁厚20 mm。腹腔寬1.0 m，腹腔鋼板厚16 mm。鋼管及腹腔內(nèi)不灌注混凝土，軸力和彎矩均由鋼結(jié)構(gòu)承擔(dān)。

2.3 吊桿

吊桿順橋向間距8.0 m，橫向吊桿間距8.4 m，采用順橋向單吊桿體系，全橋共設(shè)17組吊桿，吊桿拉索型號為PES（FD）7?85。鋼絲為抗拉強(qiáng)度1 670 MPa、直徑7 mm的低松弛鋅鋁合金鍍層鋼絲，錨具采用與吊桿拉索型號匹配的LZM7?85型冷鑄錨具。

2.4 系桿

鋼箱梁內(nèi)不設(shè)置體外索，鋼箱梁作為系梁承擔(dān)拱肋水平推力及自重產(chǎn)生的豎向荷載。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

3.1 靜力分析

采用MIDAS/Civil 2017建立有限元模型（圖2），拱肋、主梁均采用梁單元，吊桿采用桁架單元，主梁與兩側(cè)拱肋在拱腳處剛性連接。考慮實(shí)際車道位置及荷載分布加載，設(shè)置簡支雙支座進(jìn)行豎向支撐的模擬。

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.1.1 施工階段受力分析

主橋采用平面轉(zhuǎn)體施工方法［7］，先搭設(shè)支架，異位拼裝鋼箱梁系梁，安裝拱肋及吊桿；然后拆除支架，開始進(jìn)行平面轉(zhuǎn)體；待平面轉(zhuǎn)體至橋位后，鋪設(shè)道砟及橋面設(shè)施并調(diào)整吊桿力。施工階段主橋應(yīng)力、內(nèi)力和位移見表1。

表1 施工階段應(yīng)力、內(nèi)力和位移

由表1可知，施工過程中主梁應(yīng)力最大值為31.8 MPa，拱腳彎矩最大值為3 791 kN·m，鋼管拱最大應(yīng)力為-73.4 MPa，吊桿內(nèi)力最大值為695 kN，轉(zhuǎn)體支座反力為5 583 kN，成橋支座反力9 117 kN，成橋主梁豎向位移為30.0 mm（上拱），拱頂豎向位移為-64.0 mm（下?lián)希?/p>

3.1.2 運(yùn)營階段受力分析

1）主梁。主梁計(jì)算分為第一體系和第二體系，對于疲勞應(yīng)力幅，頂板第一體系及底板疲勞容許應(yīng)力幅類別為Ⅰ類（母材），頂板第二體系檢算位置為頂板與橫隔板連接處，疲勞容許應(yīng)力幅類別為Ⅸ類（橫向角接焊縫）。鋼箱梁應(yīng)力檢算結(jié)果見表2?？芍髁簯?yīng)力滿足相關(guān)規(guī)范［8］要求。

2）拱肋。拱肋為啞鈴形空鋼管，主力工況下拱肋全截面受壓，最大壓應(yīng)力為106.6 MPa，最小壓應(yīng)力為14.7 MPa。主力+附加力工況下，最大壓應(yīng)力為144.1 MPa，最大拉應(yīng)力為19.5 MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳。

3）吊桿。恒載作用下吊桿最大應(yīng)力為214.0 MPa，主力+附加力工況下吊桿最大應(yīng)力為351.3 MPa，安全系數(shù)K=4.75＞3.00。吊桿疲勞應(yīng)力幅見表3。可知，吊桿疲勞應(yīng)力幅最大值為151.5 MPa，容許值為200 MPa，滿足要求。

表2 鋼箱梁應(yīng)力檢算結(jié)果 MPa

表3 吊桿疲勞應(yīng)力幅

3.1.3 梁體剛度分析

主梁豎向位移見表4?？芍?種荷載組合作用下主梁撓跨比均滿足要求。

ZKH靜荷載作用下，梁端轉(zhuǎn)角為+2.70×10-3，-2.10×10-3rad，滿足不大于3×10-3rad的要求［9］。在列車橫向搖擺力、風(fēng)力的作用下，梁體最大橫橋向水平位移18.7 mm＜40.0 mm（L/4 000）。主梁跨中成橋豎向位移為+30.0 mm（上拱），拱頂成橋豎向位移為-64.0 mm（下?lián)希Ｖ髁涸诤爿d作用下上拱，故不再設(shè)置預(yù)拱度。拱肋拱頂按恒載+1/2活載設(shè)置預(yù)拱度，由于活載作用下拱頂位移為-28.6 mm，因此需設(shè)置+80 mm預(yù)拱度。

3.2 動(dòng)力分析

建立含基礎(chǔ)的全橋空間模型，所有構(gòu)件均采用梁單元進(jìn)行模擬，樁基礎(chǔ)采用m法模擬。根據(jù)動(dòng)力學(xué)勢能駐值原理及形成矩陣的“對號入座”法則，建立橋梁剛度、質(zhì)量、阻尼等矩陣，對橋梁空間自振特性及車橋耦合動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析［10-11］。前10階自振頻率見表5。

對該橋進(jìn)行車-橋系統(tǒng)空間耦合振動(dòng)分析，分別計(jì)算客車過橋和貨車過橋時(shí)的車橋系統(tǒng)空間動(dòng)力響應(yīng)，其中客車采用CRH2客車，貨車采用C80貨車。在車橋動(dòng)力仿真分析中，用脫軌系數(shù)（≤0.8）和輪重減載率（≤0.6）作為安全性指標(biāo)，用Sperling指標(biāo)作為乘坐舒適性指標(biāo)（針對客車車輛）和平穩(wěn)性指標(biāo)（針對貨車車輛）。列車乘坐舒適性和平穩(wěn)性指標(biāo)見表6。

表4 主梁豎向位移

表5 橋梁自振頻率

表6 列車乘坐舒適性和平穩(wěn)性指標(biāo)

客車和貨車過橋時(shí)動(dòng)力響應(yīng)最大值計(jì)算結(jié)果分別見表7和表8。由表7可知，當(dāng)CRH2客車以120～200 km/h通過該橋時(shí)，所有計(jì)算工況下橋梁的動(dòng)力響應(yīng)均在容許值以內(nèi)，列車豎向、橫向振動(dòng)加速度滿足限值要求，行車安全性滿足要求；當(dāng)CRH2客車以120～160 km/h通過該橋時(shí)，其乘坐舒適性達(dá)到“良好”以上。由表8可知，當(dāng)C80貨車以80～140 km/h通過該橋時(shí)，所有計(jì)算工況下橋梁的動(dòng)力響應(yīng)均在容許值以內(nèi)，列車豎向、橫向振動(dòng)加速度滿足限值要求，行車安全性滿足要求；當(dāng)C80貨車以80～120 km/h通過該橋時(shí)，其運(yùn)行平穩(wěn)性達(dá)到“良好”以上。

表7 客車過橋時(shí)動(dòng)力響應(yīng)最大值計(jì)算結(jié)果

表8 貨車過橋時(shí)動(dòng)力響應(yīng)最大值計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

1）對160 m簡支鋼箱梁系桿拱進(jìn)行了靜力和動(dòng)力分析，其受力和變形均滿足規(guī)范要求。

2）由于本線為單線鐵路，采用空鋼管拱肋能夠滿足受力要求，且施工更加方便。

3）通過計(jì)算可知該簡支拱梁端轉(zhuǎn)角雖滿足規(guī)范要求，但其值較大，可將梁端橋面板內(nèi)縮，引橋伸入拱橋范圍內(nèi)，從而減小梁端軌道結(jié)構(gòu)豎向位移。