鄭亞鵬,萬田保,楊光武,鄒敏勇

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司,武漢 430056)

1 工程概況

福州市道慶洲大橋是福州主城與長樂連接的一條快速通道，大橋位于青州閩江大橋和福泉高速烏龍江大橋之間，距離青州閩江大橋約7 km，距離烏龍江大橋約5 km，在道慶洲濕地邊緣通過。

跨江大橋采用“公路+軌道”雙層合建方式，上層公路為6車道城市主干道兼一級公路，下層為雙線地鐵6號線?？缃瓨蛉€長2 268.5 m，均為雙層鋼桁結合梁結構，其中跨江引橋第5聯(lián)，采用2×84 m(墩中心線跨度)的連續(xù)鋼桁結合梁[1]。見圖1。

2 橋梁設計技術難點

相比其他同類型橋梁，本橋在技術方面具有以下難點。

(1)為適應線路平曲線的變化，本橋采用以折代曲方案，以平面折線鋼桁梁適應線路平曲線變化，折線鋼桁梁的設計難度較為復雜。

(2)為節(jié)省施工臨時設施費用，本橋架設方式采用懸臂拼裝[2]。與常規(guī)直線鋼桁梁相比，折線鋼桁梁在大懸臂狀態(tài)下其受力狀態(tài)存在整體扭曲的效應。

(3)中墩處上層橋面混凝土板在負彎矩區(qū)，為保證此處混凝土橋面板裂縫寬度滿足規(guī)范要求，采取中墩頂落梁措施。折線鋼桁梁在中墩頂落梁情況下，存在上、下層橋面橫向偏移的效應。

(4)地鐵橋面采用無砟軌道。為適應線路平曲線的要求，無砟軌道需要設置超高[3]。同時，為避免橋面積水，地鐵橋面系為雙向橫坡結構。在雙向橫坡橋面上，無砟軌道的超高設計更為復雜。

3 主要技術標準

(1)設計基準期100年。

(2)上層橋面線路標準：城市主干道兼一級公路，6車道，設計行車速度60 km/h，城市A級。

(3)下層橋面線路標準：地鐵6號線，雙線通行，設計運行速度100 km/h，線間距4.2 m，采用國家標準B2車型，列車編組6輛，接觸網(wǎng)受電，車輛最大軸重140 kN，最小軸重65 kN，空載軸重80 kN。

4 結構設計

4.1 總體布置

橋梁所在線路立面縱坡0.3%，平面線路左線線型為R=1 003.9 m的平曲線，右線線型為R=1 008.1的平曲線。

橋梁跨度布置為：(0.95+83.8+83.8+1.09) m=169.64 m兩跨布置，見圖1所示。為適應線路平曲線變化，在中墩處主桁平面折角為177.617°，見圖2。

圖2 橋梁平面布置

公路和軌道交通采用分層布置方案[4]，上層橋面采用6車道公路和兩側非機動車道，下層為雙線輕軌。橋梁橫斷面布置見圖3。

圖3 橋梁橫斷面(單位：m)

由于折線鋼桁梁，折點處受力較大(見后文受力分析)，鋼桁梁主桁在中墩附近各1個節(jié)間采用Q420qE鋼材[5]，其余主桁采用Q345qD鋼材。公路橋面板采用C50混凝土，橋面板鋼筋采用HRB400鋼筋。

4.2 主桁

主桁采用三角形桁架[6]，標準節(jié)間長度12 m，桁高 9.5 m。上、下弦桿均采用箱形截面，腹桿采用箱形截面或H形截面。主桁節(jié)點采用焊接整體節(jié)點，節(jié)點外拼接。上弦桿高1.56 m，下弦桿高1.46 m，內(nèi)寬均為1.0 m。

主桁在中墩處彎折，倒圓半徑為R5 m。上弦桿在節(jié)間中間彎折，結構設計相對常規(guī)。下弦桿在節(jié)點處彎折，結構設計比較復雜，曲線內(nèi)側主桁腹桿在節(jié)點處夾角為63.16°，曲線外側主桁腹桿在節(jié)點處夾角為65.85°；同時每個節(jié)點有2塊節(jié)點板，彎折處共有4塊節(jié)點板，結構尺寸參數(shù)均不一致，其中一塊節(jié)點板的結構參數(shù)見圖4。由于折線鋼桁梁的復雜性，主桁結構采用BIM軟件三維正向設計[7]，鋼梁制造單位也采用三維放樣制造[8]。

圖4 主桁彎折處節(jié)點板構造(單位：mm)

4.3 軌道交通橋面系

軌道交通橋面系采用“縱橫梁+正交異性板整體鋼橋面”[9]。每隔12 m設置1道大橫梁，中間設置3道橫肋。鐵路橋面系頂板厚16 mm，頂板采用板式加勁肋。鐵路橋面系與主桁連接采用栓焊結合方式[10]，鐵路橋面系頂面設置1%橫坡。鐵路橋面系橫梁在主桁彎折處采用箱型橫梁，以約束彎折主桁的扭轉效應[11]。

4.4 公路橋面系

公路橋面系采用鋼混結合梁[12]，混凝土板厚220 mm，鋼橫梁采用密橫梁體系，混凝土板和鋼橫梁通過剪力釘連接。公路橋面系頂板設置2%橫坡。

混凝土橋面板采用C50高性能混凝土，縱橫向分塊預制，板厚220 mm。橋面板主筋采用HRB400鋼筋，縱向鋼筋直徑φ20 mm，間距12.5 cm，橫向鋼筋直徑φ22 mm，間距12.5 cm?；炷涟孱A制存梁期180 d。

4.5 預拱度

主桁設有預拱度[13-14]，預拱度由上弦桿長度伸縮形成，伸長或縮短的值在上弦桿拼接板的拼縫中變化，弦桿和斜桿仍交匯于節(jié)點中心?？v向預拱度考慮恒載和豎曲線的影響，由于平面折線鋼桁梁，內(nèi)外側主桁的恒載撓度不一致，預拱度的設置需考慮此影響。

4.6 無砟軌道及其他地鐵附屬

本橋軌道交通設計速度為100 km/h，采用6輛B2編組車型。根據(jù)調(diào)研，國內(nèi)外軌道交通鋼橋軌道型式主要有明橋面木枕軌道、碎石道床軌道、板式軌道、梯形軌枕軌道、減振墊浮置板軌道等[15]。

經(jīng)過綜合比較考慮，本橋采用減振墊浮置板軌道[16](圖5)。減振墊浮置板軌道在普通板式軌道下設一層減振墊，減振墊與板式軌道組成質量彈簧系統(tǒng)，以起到減振作用[16]。減振墊直接鋪設在鋼梁面，限位裝置簡單，限位凸臺與橋面之間采用焊接。

圖5 減振墊浮置板軌道(單位：mm)

對于折線鋼桁梁，軌道板會存在橫向超高問題，同時疊加鋼梁橫坡變化，軌道板設計比較復雜。本橋曲線段的鋼限位凸臺，每一個結構尺寸均不同，均根據(jù)位置進行調(diào)整。

5 受力分析

采用橋梁空間結構分析軟件Midas Civil，建立結構分析模型。弦桿、腹桿、縱橫梁采用梁單元，混凝土板和下層橋面鋼板采用板單元?；炷涟迨┕た紤]收縮徐變的影響。

結構荷載：①一恒，按照密度調(diào)整系數(shù)施加，調(diào)整系數(shù)為1.33；②二恒，按照壓力荷載施加，其中地鐵二恒92 kN/m；③公路活載，6車道“城A”；④軌道交通活載，6輛編組“B2型車”。

5.1 懸臂拼裝計算

為節(jié)省施工臨時設施費用，本橋架設方式采用懸臂拼裝[2]。為減小懸臂長度，在每跨的中間設置1個臨時支墩。懸臂拼裝的最不利工況是：鋼桁梁拼裝到第2跨的臨時墩處(大懸臂階段，未上臨時墩)。

在大懸臂階段，中墩處鋼桁梁的上、下弦桿會發(fā)生橫向錯動變形，相對變形最大值為10 mm，見圖6。

圖 6 大懸臂階段單片桁架橫向變形(單位：mm)

經(jīng)過簡單的力學模型分析，以上所述的橫向變形，主要由于在大懸臂階段上弦桿受拉，因此，在折彎點存在向內(nèi)側變形的趨勢，位移假設為D1；類似的，在大懸臂階段下弦桿受壓，因此，在折彎點存在向外側變形的趨勢，位移假設為D2。位移D1+D2=10 mm。上、下弦桿變形趨勢示意見圖7。

圖7 上、下弦桿變形趨勢示意

在大懸臂階段由于存在上、下弦桿的橫向錯動變形，因此，中墩處弦桿和腹桿會承受較大的面外彎矩作用。腹桿最大面外彎矩1 205 kN·m，弦桿最大面外彎矩1 646 kN·m。

5.2 中墩頂落梁計算

(1)折線鋼桁梁頂落梁受力狀態(tài)分析

在拉力作用下，結合梁的混凝土板易產(chǎn)生裂縫，因此，在結合梁的設計中，盡量保證混凝土板受壓或保證裂縫寬度滿足規(guī)范要求[18]。為控制墩頂處混凝土板裂縫寬度，一般可采用頂落梁法[19]或配置預應力束法，本橋為兩跨一聯(lián)橋梁，采用頂落梁法。

對于常規(guī)鋼桁結合梁，頂落梁步驟為：①左右側中墩同時起頂相同高度H1；②結合墩頂處混凝土橋面板；③左右側中墩同時下落相同高度H1。由于中墩處鋼桁梁存在平面折角，與大懸臂階段類似，在起頂工況下，上、下弦桿會發(fā)生橫向錯動變形。但是更為復雜的情況是，當起頂后，結合墩頂混凝土板，中支點下落后，由于混凝土板強大的約束作用，弦桿的橫向錯動變形并不能完全復原，而使得施工階段內(nèi)力的不利影響存留在結構中。當左、右兩側主桁起頂相同的高度25 cm時，中墩處變形和彎矩見表1。

表1 中墩處錯動變形和彎矩

從表1可以看出，起頂工況中，由于后結合混凝土板的約束作用，結構變形和內(nèi)力無法復原到起頂前的狀態(tài)。

(2)折線鋼桁梁頂落量值分析

常規(guī)鋼桁結合梁，頂落梁為左、右兩側主桁起頂相同的高度。由于折線鋼桁梁，內(nèi)、外側主桁跨度不同，且頂落梁過程中結構橫向錯動變形偏大，因此，考慮內(nèi)、外側主桁分別起頂不同的高度。

經(jīng)過計算分析內(nèi)側主桁起頂25 cm，外側起頂23 cm?？梢允沟闷痦斨袡M向錯動變形為11 mm，與起頂前一致，同時保證混凝土板裂縫寬度[19]控制滿足規(guī)范要求。

5.3 結構剛度

根據(jù)計算，活載撓跨比[21]1/2 800。根據(jù)JTGD64—2015《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》簡支或連續(xù)桁架，撓跨比限值為1/500。本橋活載撓度滿足規(guī)范要求。根據(jù)GB50517—2013《地鐵設計規(guī)范》L>80 m的橋梁，豎向撓跨比限值1/1 000。本橋活載撓度滿足規(guī)范要求。

6 結語

本文通過對道慶洲大橋第5聯(lián)設計、施工中的關鍵技術進行研究，成果總結如下。

(1)為適應線路平曲線變化，采用折線鋼桁梁結構，減少了伸縮縫數(shù)量，提高行車舒適性。

(2)采用懸臂拼裝的施工工藝，雖然可節(jié)省工期，降低施工成本。但是折線鋼桁梁會產(chǎn)生整體扭曲效應，在設計過程中需特殊考慮。

(3)為控制中墩處混凝土板裂縫，可采用頂落梁措施。需特別注意頂落梁所引起的中墩橫向錯動變形和桿件面外彎矩的增加。

(4)為減少中墩頂落梁所引起的錯動變形，可采取內(nèi)、外側主桁分別起頂不同的高度(外側比內(nèi)側偏小)的方法解決。

(5)鐵路橋面系采用正交異性板整體鋼橋面，有利于提高結構剛度。軌道結構采用減振墊浮置板軌道，減輕了結構自重。平曲線段的軌道板根據(jù)實際結構位置進行特殊設計。

(6)由于折線鋼桁梁彎折處的結構比較復雜，特殊節(jié)點設計可以采用BIM軟件正向設計，以利于結構尺寸的放樣。

平面折線鋼桁結合梁為鋼桁梁中的特殊結構，在目前的橋梁工程領域比較新穎，通過本文的介紹以期對今后類似橋梁的設計和施工有所參考和借鑒。福州道慶洲大橋于2017年開工建設，預計2022年開通運營。