薛憲政

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 工程背景

安九高鐵廬山特大橋右線(單線)上跨瑞九鐵路，與瑞九鐵路左線交角164°，根據(jù)線路總體布置，廬山特大橋線路位于R＝9 000 m的緩和曲線上，受線路軌道設(shè)置條件限制，為了滿足不設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的條件，橋跨不宜大于100 m；實際橋跨大小受控于Y198號墩與瑞九鐵路廬山1號橋九江臺及Y197號段與瑞九鐵路廬山1號橋14號臺的位置關(guān)系；綜合考慮新建橋墩與在建橋墩的相置關(guān)系，孔跨選用96 m。廬山特大橋平面布置見圖1。

圖1 廬山特大橋平面布置

廬山特大橋橋位處為在建瑞九鐵路廬山站1號特大橋橋尾，瑞九鐵路為Ⅰ級雙線電氣化鐵路，有砟軌道，設(shè)計速度160 km/h，采用標(biāo)準(zhǔn)跨簡支T梁，線間距4.6 m，全橋?qū)?2.1 m。墩身及橋臺已經(jīng)施工完畢，梁已架設(shè)完畢，正在進(jìn)行鋪軌作業(yè)。橋墩頂帽寬13.8 m(含接觸網(wǎng)基礎(chǔ))，墩底寬度8 m。

跨越點最小軌底高差為11.2 m，橋下凈空不小于7.96 m，扣除軌道結(jié)構(gòu)高度0.562 m，擬建橋梁結(jié)構(gòu)最大高度2.68 m。適用于線路縱坡26.7‰，跨度96 m，建筑高度不大于2.7 m的橋型有系桿拱、鋼桁梁、鋼－砼組合桁架梁[1－2]；鋼桁梁的后期養(yǎng)護(hù)維修對橋下行駛的列車影響較大，系桿拱橋施工周期較長，制約在建瑞九鐵路的通車時間。經(jīng)綜合比選，鋼－砼組合桁架梁作為本橋的設(shè)計方案[3－4]。

2 設(shè)計概況

2.1 主桁高度

鋼混組合桁架梁作為鋼桁梁的一種結(jié)構(gòu)體系，桁高選取直接影響結(jié)構(gòu)的豎向剛度及用鋼量指標(biāo)，依據(jù)國內(nèi)桁架橋的設(shè)計資料，考慮到節(jié)點構(gòu)造處理的便利性及限界要求，綜合考慮初定桁高為12.6 m和13.0 m進(jìn)行對比計算分析，從結(jié)構(gòu)基本限界的角度來看，桁架高度12.6 m時，基本滿足行車限界要求；通過靜力計算研究，兩種桁高的力學(xué)性能相差無幾，考慮到節(jié)點構(gòu)造處理的便利性，推薦采用12.6 m桁高[5]50－51。

2.2 桁式

常用的桁式有三角形桁、N形桁和菱形桁等，由于三角形桁造型簡潔、受力明確，中等跨度桁架橋大都采用無豎桿三角形桁，結(jié)合工程經(jīng)驗，確定本橋采用無豎桿三角形桁式[5]52－53。

2.3 節(jié)間

節(jié)間數(shù)值大小影響下弦桿和腹桿的內(nèi)力，節(jié)間長度與下弦桿的局部彎矩值成正比，考慮下弦是整體式預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，自重較大，節(jié)間過大會引起節(jié)間下弦第二體系彎矩過大，需要較大的梁截面及過多的預(yù)應(yīng)力布置；其次節(jié)間長度加大，腹桿數(shù)量減少，腹桿斜率加大，相應(yīng)腹桿截面尺寸需加大，勢必引起腹桿用鋼量加大。針對節(jié)間長度9.6 m和12.0 m進(jìn)行了對比分析，相比節(jié)間長度9.6 m，12 m雖然增加了下弦桿的局部彎矩和腹桿軸力，但考慮到節(jié)點構(gòu)造以及施工要求，推薦節(jié)間長度為12 m[6]。

2.4 總設(shè)計情況

計算跨度96 m，支座到梁端1.0 m，橋梁全長98 m。橋型為鋼－混凝土組合桁架梁，下弦平面采用預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁結(jié)構(gòu)，加勁結(jié)構(gòu)采用鋼桁架，桁高12.6 m，節(jié)間距12 m，桁間距6.7 m。

下弦混凝土槽形梁高1.8 m，梁端2.5 m范圍內(nèi)梁高2.3 m，底板寬7.9 m，內(nèi)側(cè)凈寬5.5 m，腹板厚1.2 m；道床板厚0.45 m，支點處加厚至0.95 m，道床板橫向為平坡。人行道懸臂部分長1.0 m，與相鄰孔簡支箱梁間設(shè)置人行道順接過渡裝置。

鋼－砼組合桁架梁橫斷面及立面布置分別見圖2和圖3所示。

圖2 鋼－砼組合桁架梁橫斷面布置(單位:cm)

圖3 鋼－砼組合桁架梁立面布置(單位:cm)

3 結(jié)構(gòu)計算分析

為確保結(jié)構(gòu)計算準(zhǔn)確性及嚴(yán)謹(jǐn)性，分別采用平面桿系模型、空間梁單元模型和實體有限元模型，三種有限元分析模型針對的目標(biāo)各不相同。

3.1 平面桿系模型

平面桿系模型簡單，可相對容易地進(jìn)行混凝土收縮徐變、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的仿真分析，主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體受力研究，形成與設(shè)計規(guī)范中對應(yīng)的各項指標(biāo)，并可對整體豎向剛度進(jìn)行模擬。平面桿系模型采用西南交大BSAS4.26計算軟件，為了便于描述計算結(jié)果，將計算截面進(jìn)行了編號[7]19－20。平面桿系模型計算簡圖見圖4。

圖4 平面桿系模型計算簡圖

3.2 空間梁單元模型

本橋結(jié)構(gòu)為上弦桿、聯(lián)結(jié)系、腹桿、槽形梁體系，其受力呈現(xiàn)出明顯的空間受力特性，因此單純依靠平面桿系計算分析程序難以準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，須進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)有限元分析[7]16－17?？臻g梁單元建模采用MIDAS Civil程序。本模型主要是考慮上弦桿、腹桿和節(jié)點的強度、應(yīng)力，鋼桁和混凝土采用剛臂連接[7]31－32?？臻g梁單元計算模型見圖5。

圖5 空間梁單元計算模型

3.3 計算結(jié)果

3.3.1 鋼桁架內(nèi)力

通過平面桿系及空間模型進(jìn)行靜力計算得出上弦桿及腹桿桿件軸力，鋼桁架內(nèi)力對比見表1。

表1 鋼桁架內(nèi)力對比

從表1中可以得出如下結(jié)論:上弦桿桿件軸力數(shù)值平面桿系模型較空間模型大10%，原因分析是空間模型考慮了上平縱聯(lián)的效應(yīng)，上平縱聯(lián)承擔(dān)10%的軸力。腹桿桿件軸力兩模型計算結(jié)果較為接近。

除首根上弦桿及端斜桿彎矩數(shù)值空間模型較平面模型稍大外，其余數(shù)值均相當(dāng)；原因分析桁寬僅為6.7 m，桁寬較小空間效應(yīng)不明顯。

3.3.2 槽形梁軸力及彎矩

平面桿系模型及空間模型混凝土槽形梁軸力及彎矩計算數(shù)值對比見表2。表中桿件編號1～4分別對應(yīng)的為從梁端到跨中的四個節(jié)間范圍內(nèi)的槽形梁部分。

表2 混凝土槽形梁軸力及彎矩計算數(shù)值對比

考慮平面桿系模型及空間模型，混凝土槽形梁均采用單梁單元模型，因此軸力及彎矩兩模型計算結(jié)果較為接近。

3.3.3 槽形梁應(yīng)力計算

鑒于平面桿系模型及Midas Civil空間模型均不能對槽形梁進(jìn)行有效的應(yīng)力分析，因此采用實體有限元ABAQUS2019分析軟件，建立全橋有限元實體模型，主要針對槽形梁受力進(jìn)行精確模擬[8]。實體有限元計算模型見圖6。

圖6 實體有限元計算模型

計算荷載主要考慮自重、二恒以及活載作用，為盡量實現(xiàn)加載與實際受力模式相符，其中二恒與活載根據(jù)軌道板的寬度在橋面范圍施加均布荷載。分別讀取槽形梁斷面范圍內(nèi)縱向及橫向應(yīng)力值，槽形梁斷面應(yīng)力分布點示意見圖7。

圖7 槽形梁斷面應(yīng)力分布點示意

位置1～11處的槽形梁縱向及橫向應(yīng)力見表3。

表3 槽形梁縱向及橫向應(yīng)力 MPa

從數(shù)值中得出槽形梁縱向均處于受壓狀態(tài)，縱向應(yīng)力沿橫斷面方向分布較均衡；組合結(jié)構(gòu)槽形梁橋面彎剪效應(yīng)不突出，視為僅受軸向力作用，因此槽形梁剪力滯效應(yīng)不明顯，槽形梁底板全斷面有效。槽形梁橫向為鋼筋混凝土構(gòu)件，橫向拉應(yīng)力可通過配置鋼筋控制最小裂縫寬度。

3.3.4 徐變上拱

徐變上拱數(shù)值是高速鐵路橋梁重要的控制指標(biāo)，若徐變計算影響考慮不完備，會嚴(yán)重影響行車安全。根據(jù)施工計劃，廬山特大橋須在瑞九鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試前所有主體工程及附屬結(jié)構(gòu)施工完畢，為盡量減小徐變上拱數(shù)值，考慮空置60 d和空置700 d對比計算。

分別采用BSAS和Midas Civil軟件對收縮徐變變形結(jié)果進(jìn)行比對，空置60 d時徐變上拱值Civil模型與BSAS模型計算值分別為18.3 mm和20.4 mm，BSAS模型比Civil模型大10%；空置700 d時徐變上拱數(shù)值，Civil模型與BSAS模型計算值分別為9.9 mm和7.6 mm，BSAS模型比Civil模型小20%；為確保軌道鋪設(shè)完成后，結(jié)構(gòu)豎向殘余徐變變形盡量小，廬山特大橋需在鋪軌前700 d完成施工[9]。

4 車橋耦合動力響應(yīng)分析

全橋所有構(gòu)件及樁基礎(chǔ)均采用空間梁單元，樁基礎(chǔ)采用m法考慮樁土共同作用建立空間振動分析模型[10]，列車—橋梁時變系統(tǒng)空間振動響應(yīng)結(jié)果:

當(dāng)CR3高速列車以160～420 km/h通過該橋時，橋梁的動力響應(yīng)均在容許值以內(nèi)，列車豎、橫向振動加速度滿足限值要求，列車行車安全性滿足要求。

當(dāng)CR3高速列車以160～350 km/h通過該橋時，列車的乘坐舒適性達(dá)到“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上；以375～420 km/h(檢算速度段)通過該橋時，列車的乘坐舒適性也能夠達(dá)到“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上。

因此，96 m鋼－砼組合桁架梁設(shè)計方案具有非常良好的動力特性及列車走行性，當(dāng)列車通過橋梁時的安全性和乘坐舒適性均滿足要求。

5 指導(dǎo)性施工方案

5.1 BIM技術(shù)應(yīng)用

本橋下弦橋面系為槽形梁薄壁結(jié)構(gòu)，橫向計算按鋼筋混凝土構(gòu)件考慮，槽形梁腹板內(nèi)預(yù)埋鋼桁架節(jié)點鋼板及PBL剪力鍵，構(gòu)件繁多，采用BIM技術(shù)進(jìn)行三維建模，并在現(xiàn)場實施施工試驗段，確保各構(gòu)件安裝的精準(zhǔn)度避免碰撞現(xiàn)象發(fā)生。節(jié)點處三維模型示意見圖8。

圖8 節(jié)點處三維模型示意

5.2 鋼桁架與槽形梁的安裝順序

針對鋼桁架與槽形梁安裝的先后順序，進(jìn)行比選研究，采用如下施工步驟:

(1)支架搭設(shè)完畢后，澆筑混凝土槽形梁。

(2)張拉梁體縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。

(3)進(jìn)行鋼桁架的拼裝施工。

(4)橋面鋪裝施工，加二恒。

(5)成橋運營。

經(jīng)過對比分析得出如下結(jié)論:先拼裝鋼桁架后澆筑混凝土槽形梁并張拉相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力，槽形梁的有效預(yù)應(yīng)力會有一部分損失，損失率達(dá)6%，并傳遞到鋼桁架上，相應(yīng)的槽形梁壓應(yīng)力儲備會有所降低，鋼桁架應(yīng)力會相應(yīng)增大。

考慮先澆筑混凝土槽形梁，后安裝鋼桁架，對結(jié)構(gòu)受力影響不大，但給鋼桁架安裝造成不便，因此推薦采用先安裝鋼桁架，保證鋼桁架精確定位后，后澆筑混凝土槽形梁，再張拉預(yù)應(yīng)力施工[11]。

5.3 組合桁架梁的施工方案

根據(jù)現(xiàn)場建設(shè)條件，安九高鐵小角度跨越瑞九鐵路，可采用橫移施工方案，分為兩種[12]。

側(cè)位拼裝現(xiàn)澆，兩端同時橫移施工方案:側(cè)位拼裝鋼桁架現(xiàn)澆混凝土槽形梁，進(jìn)行兩端橫移就位。根據(jù)現(xiàn)場建設(shè)環(huán)境在Y197墩側(cè)搭設(shè)鋼桁架及槽形梁拼裝支架和混凝土澆筑平臺，并在Y197和Y198墩處設(shè)置橫移用滑道梁，組合桁架梁完成所有主體及附屬工程施工后，利用四個永久支座下方設(shè)置滑靴橫移就位后落梁至設(shè)計位置。

側(cè)位拼裝現(xiàn)澆，單端固定，另一端轉(zhuǎn)體施工方案:在Y197墩頂墊石中心與鋼桁架拼裝中心交點處設(shè)置固定軸作為轉(zhuǎn)體中心。在Y198墩與拼裝支架間設(shè)置弧形滑道梁，組合桁架梁完成施工后，通過設(shè)置在弧形滑道梁端頭的千斤頂進(jìn)行拖拉繞固定軸轉(zhuǎn)體到設(shè)計位置，拆除滑道梁落梁就位。

從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性、安全可靠性、工期可控性等方面進(jìn)行比選分析，兩種不同施工方案可行性比選內(nèi)容見表4。

表4 兩種不同施工方案可行性比選內(nèi)容

經(jīng)綜合比較分析，為了更好地保證鋼混組合梁架設(shè)安全，選擇方案二:側(cè)位拼裝、現(xiàn)澆，轉(zhuǎn)體架設(shè)方案作為本工程施工方案。

6 結(jié)語

安九高鐵廬山特大橋上跨在建瑞九鐵路采用一孔96 m鋼－混凝土組合桁架梁，有效解決了不設(shè)軌溫調(diào)節(jié)器、低凈空、大跨度跨越既有鐵路的難題。作為首次應(yīng)用在時速350 km的高速鐵路橋梁上，設(shè)計采用多種計算模型對比計算，確保該結(jié)構(gòu)的靜力及動力指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。通過實施試驗段及三維模型，確保復(fù)雜構(gòu)造處的施工質(zhì)量。為盡量降低對在建瑞九鐵路的影響及確保本工程成橋后的性能指標(biāo)，針對鋼桁架及混凝土槽形梁的安裝順序、兩種不同的施工方案進(jìn)行了對比分析研究。

目前本工程已建成通車，本工程的成功實施，為同類橋梁的設(shè)計及施工提供了參考和借鑒。