王璐琳

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250022)

截止至2021年12月31日，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程突破4萬(wàn)km。隨著我國(guó)高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，小角度斜交跨越既有鐵路的情況越來(lái)越多，常用的方式有兩種：一是小跨度結(jié)構(gòu)、門(mén)式墩，二是采用大跨橋梁跨越。方案的選擇需要考慮兩線(xiàn)夾角、既有線(xiàn)運(yùn)營(yíng)安全、橋下凈空等因素。門(mén)式墩不僅結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、施工周期短、投資低，且可以采用標(biāo)準(zhǔn)上部結(jié)構(gòu)，被廣泛使用[1]。本文以新建鐵路鐵力至伊春線(xiàn)跨綏佳鐵路特大橋?yàn)槔瑢?duì)新建高速鐵路與既有鐵路小角度交叉采用大跨度鋼橫梁門(mén)式墩進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

1 工程概況

新建鐵路鐵力至伊春線(xiàn)位于黑龍江省中部，是我國(guó)目前在建的最北部高速鐵路，起點(diǎn)位于鐵力站，終點(diǎn)位于伊春西站，全長(zhǎng)111.4 km，其中橋梁長(zhǎng)29.152 km，占比26.9%。

跨綏佳鐵路特大橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：設(shè)計(jì)速度，250 km/h；線(xiàn)路情況，雙線(xiàn)，線(xiàn)間距4.6 m，直線(xiàn)、曲線(xiàn)R=3 500 m、R=11 000 m，無(wú)縫線(xiàn)路；軌道形式，有砟軌道，鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路，鋼軌60 km/h；地震基本烈度6度，地震動(dòng)峰值加速度a=0.05g；設(shè)計(jì)使用年限，正常條件下梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100 a。

橋址區(qū)位于沖洪積平原區(qū)，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，稍有起伏，橋址區(qū)范圍地層主要為：人工填土層、粉質(zhì)黏土、細(xì)中砂、細(xì)圓礫土、泥巖、泥質(zhì)砂巖。線(xiàn)路在K4+079.18處與既有綏佳鐵路交叉，交叉角度為14°，橋梁在第40～42號(hào)橋墩采用門(mén)式墩跨越綏佳鐵路，跨度28 m，上部結(jié)構(gòu)采用32 m雙線(xiàn)簡(jiǎn)支箱梁，配套梁圖“通橋(2016)2229-Ⅰ”。新建鐵伊線(xiàn)上跨綏佳鐵路平面見(jiàn)圖1。

圖1 新建鐵伊線(xiàn)上跨綏佳鐵路平面(單位：cm)

2 方案比選

2.1 橫梁方案比選

從橫梁結(jié)構(gòu)形式上可分為普通鋼筋混凝土橫梁、預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁、鋼橫梁、鋼混結(jié)合橫梁等[2]。鐵路中常見(jiàn)的橫梁結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁、鋼橫梁兩種形式[2]。

通過(guò)初步計(jì)算，本工程若采用預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁，截面尺寸為5.0 m×3.2 m；采用鋼橫梁，截面尺寸為3.3 m×3.0 m。預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁、鋼橫梁優(yōu)缺點(diǎn)分析見(jiàn)表1。

經(jīng)比較，采用預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁截面尺寸大、結(jié)構(gòu)受力不利，施工時(shí)需要在既有鐵路上方搭設(shè)支架現(xiàn)澆，不僅工期長(zhǎng)，對(duì)既有線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)影響大，還控制線(xiàn)路縱斷面高度，影響橋梁長(zhǎng)度。鋼橫梁尺寸小，結(jié)構(gòu)受力有利，還能工廠預(yù)制、吊裝施工、工期短，對(duì)既有線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)影響較小，故本橋采用鋼橫梁方案。

表1 門(mén)式墩橫梁方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.2 鋼橫梁與墩柱連接方式比選

鋼橫梁與混凝土墩柱連接方式分為鉸接和固結(jié)兩種形式。設(shè)計(jì)中需根據(jù)荷載、施工條件等綜合考慮[3]。兩種連接方式的內(nèi)力比較見(jiàn)表2。

表2 鋼橫梁與墩柱不同連接方式的內(nèi)力比較

2.2.1 鋼橫梁與混凝土墩柱鉸接

需在墩柱頂、鋼橫梁下設(shè)置支座，此時(shí)鋼橫梁為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，受力明確，僅能將豎向力和水平力傳遞給墩柱，橫梁彎矩較大但墩柱無(wú)法分擔(dān)，會(huì)造成橫梁截面較大。此外，鋼橫梁上梁體與鋼橫梁鉸接，鋼橫梁與墩柱鉸接，整體穩(wěn)定性較差。

2.2.2 鋼橫梁與混凝土墩柱固結(jié)

墩梁固結(jié)分一次固結(jié)和先鉸接后固結(jié)兩種方式：一次固結(jié)是橫梁架設(shè)完成后直接澆筑墩頂連接段混凝土，然后架梁、施工橋上二期恒載；先鉸接后固結(jié)是橫梁架設(shè)完成后，先架梁施工二期恒載，再澆筑墩頂連接段，實(shí)現(xiàn)鉸接到固結(jié)的體系轉(zhuǎn)換。一次固結(jié)由于其簡(jiǎn)單方便，是實(shí)際工程中最常用的方法。鋼橫梁與混凝土墩柱固結(jié)后形成一個(gè)整體，墩柱能分擔(dān)鋼橫梁的彎矩，從而可以減小鋼橫梁截面尺寸。

經(jīng)比較，固結(jié)與鉸接相比雖然墩頂彎矩較大，但橫梁彎矩卻要小7%，這有利于減小橫梁截面尺寸、控制結(jié)構(gòu)高度，故本橋采用鋼橫梁與混凝土墩柱固結(jié)的連接方式。

3 鋼橫梁門(mén)式墩設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

本工程采用鋼橫梁與混凝土墩柱插入式固結(jié)方案，門(mén)式墩立面布置見(jiàn)圖2。

圖2 門(mén)式墩立面布置(單位：cm)

3.1.1 鋼橫梁

鋼橫梁采用單箱單室箱型截面，梁高為3.0 m，梁寬3.3 m。40號(hào)門(mén)式墩鋼橫梁頂?shù)装搴穸热?0 mm，腹板厚度取20(36) mm(本文計(jì)算結(jié)果均以40號(hào)墩為例)。鋼橫梁腹板內(nèi)設(shè)豎向加勁肋及縱向加勁肋，頂?shù)装鍍?nèi)側(cè)設(shè)縱向加勁肋，橫梁內(nèi)每隔2 m左右設(shè)1道橫隔板，并于支座位置設(shè)橫隔板，橫隔板間設(shè)豎向加勁肋。鋼橫梁標(biāo)準(zhǔn)斷面見(jiàn)圖3。

圖3 鋼橫梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：cm)

橋位處歷年極端最低氣溫為-39.7～-39.8 ℃，為保證鋼材低溫性能，鋼橫梁選用Q345qE鋼板。Q345qE鋼材低溫時(shí)效性能的主要工藝重點(diǎn)是在鋼中添加Nb、V、AI微合金元素可細(xì)化晶粒、固定鋼中自由氮并有良好的析出強(qiáng)化效果，能在保證最終強(qiáng)度的前提下大幅度提高低溫時(shí)效性能。

為減小低溫對(duì)結(jié)構(gòu)影響，優(yōu)化鋼橫梁節(jié)段，在滿(mǎn)足運(yùn)輸前提下，僅在中間預(yù)留一道焊縫，其余均為廠制，焊縫須焊透，保證焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)受力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 墩柱

墩柱采用矩形截面，縱向?qū)挾葹?.9 m，橫向?qū)挾葹?.4 m，柱周采用R=25 cm的圓倒角。鋼立柱內(nèi)側(cè)設(shè)置的豎向加勁肋，不僅可以加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)和混凝土的連接，還能防止在灌注微膨脹混凝土的時(shí)候發(fā)生變形。鋼立柱外側(cè)設(shè)置焊釘，與外包鋼筋混凝土連接，形成整體受力。墩柱截面見(jiàn)圖4。

圖4 鋼立柱插入混凝土墩柱截面(單位：cm)

3.2 設(shè)計(jì)荷載

3.2.1 恒載

(1)結(jié)構(gòu)自重：按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002-2017)采用。

(2)梁部恒載：按“通橋(2016)2229-Ⅰ”采用。

(3)基礎(chǔ)不均勻沉降：兩墩柱底不均勻沉降按不大于0.5 cm考慮。

(4)混凝土收縮徐變：根據(jù)《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10092-2017)計(jì)算混凝土的收縮徐變。

3.2.2 活載

(1)列車(chē)荷載采用ZK活載。

(2)列車(chē)活載動(dòng)力系數(shù)：按照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002-2017)中4.3.8條計(jì)算。

(3)橫向搖擺力為130 kN，作為集中荷載取最不利的位置，以水平方向垂直于線(xiàn)路中心線(xiàn)作用于鋼軌的頂面。

(4)長(zhǎng)鋼軌縱向水平力(伸縮力和撓曲力)：一股鋼軌伸縮力暫取15 kN。

3.2.3 附加力

(1)制動(dòng)力或牽引力：按照列車(chē)豎向靜活載的10%計(jì)算，但當(dāng)與離心力或者列車(chē)豎向動(dòng)力作用同時(shí)計(jì)算時(shí)，制動(dòng)力或牽引力按照列車(chē)豎向靜活載的7%計(jì)算。

(2)結(jié)構(gòu)溫度變化:門(mén)式墩體系均勻溫度變化按±50 ℃計(jì)算，鋼橫梁與混凝土墩柱溫度差按±10 ℃計(jì)算。

(3)風(fēng)力：按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002-2017)第4.4.1條計(jì)算。

3.2.4 特殊荷載

一股鋼軌斷軌力暫取248 kN。

3.2.5 特殊荷載運(yùn)架梁荷載

待施工單位確定運(yùn)架梁設(shè)備后，根據(jù)運(yùn)架梁工況及荷載，分別驗(yàn)算鋼橫梁、立柱、承臺(tái)、樁基。

3.3 荷載組合

荷載組合為：主力組合，恒載+活載+離心力+橫向搖擺力+鋼軌伸縮力或撓曲力；主+附組合，恒載+活載+離心力+橫向搖擺力+鋼軌伸縮力或撓曲力+風(fēng)力+整體溫度+制動(dòng)力；主+特組合，恒載+一股鋼軌斷軌力+另一股鋼軌伸縮力+活載+離心力+橫向搖擺力。

4 計(jì)算結(jié)果

采用Midas軟件建模進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，鋼橫梁及墩柱共離散為61個(gè)單元、54個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)鋼橫梁強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定、疲勞進(jìn)行檢算。所建立模型如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型

4.1 強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10091-2017)對(duì)鋼橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算，通過(guò)Midas計(jì)算軟件模型得知鋼橫梁的最大彎矩為29 605.7 kN·m，最大剪力為18 969.0 kN。鋼橫梁強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，主力作用下正應(yīng)力均小于

表3 鋼橫梁強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果 MPa

Q345qE鋼的軸向基本容許應(yīng)力200 MPa，主+附作用下正應(yīng)力均小于260 MPa(主+附組合下容許應(yīng)力提高1.3倍)，兩種荷載下剪應(yīng)力均小于Q345qE鋼的剪應(yīng)力基本容許值120 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.2 鋼橫梁穩(wěn)定驗(yàn)算

4.2.1 整體穩(wěn)定性

由于鋼橫梁為箱形截面桿件，根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10091-2017)4.2.2條，計(jì)算公式：

式中：N為計(jì)算軸向力；Am為毛截面面積；M為構(gòu)件中部1/3長(zhǎng)度范圍內(nèi)最大計(jì)算彎矩；Wm為毛截面抵抗矩，中心受壓桿件的容許應(yīng)力折減系數(shù)φ1取0.9，容許應(yīng)力折減系數(shù)φ2取1.0，考慮彎矩因構(gòu)件受壓而增大所引用的值μ1取1.0。經(jīng)計(jì)算鋼橫梁最大應(yīng)力σ=167.5 MPa<0.9[σ]=180 MPa，在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的同時(shí)滿(mǎn)足整體穩(wěn)定。

4.2.2 鋼橫梁腹板局部穩(wěn)定性

4.2.3 鋼橫梁頂板受壓穩(wěn)定性

鋼橫梁受壓翼緣承載力受加勁板的剛度和局部穩(wěn)定的影響較大，應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)必須加以考慮。受壓加勁板的強(qiáng)度計(jì)算主要有容許應(yīng)力法、換算壓柱法、彈塑性有限元法和正交異形板法等。采用換算壓柱法[4]計(jì)算鋼橫梁頂板的受壓穩(wěn)定性。經(jīng)計(jì)算鋼橫梁頂板控制應(yīng)力為182.0 MPa<200 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.3 局部承壓計(jì)算

4.3.1 鋼橫梁吊裝時(shí)鋼柱

鋼橫梁吊裝后鋼柱底部承受鋼橫梁自重荷載，需檢算其局部承壓。經(jīng)計(jì)算σ=3.14 MPa<200 MPa，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值。

4.3.2 鋼橫梁支座處

橫梁與豎向加勁肋均在支座墊板范圍內(nèi)，計(jì)算如下：局部承壓應(yīng)力σ=65.46 MPa<200 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求；豎向應(yīng)力σ=166.11 MPa<200 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求；豎向加勁肋寬厚比a=10.72≤12(《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中8.0.5條規(guī)定支承加勁肋的伸出肢寬厚比不應(yīng)大于12)，滿(mǎn)足要求。

4.4 墩頂剛度

40號(hào)門(mén)式墩縱向水平剛度為1547 kN/cm>350 kN/cm(高速鐵路墩臺(tái)頂縱向水平線(xiàn)剛度限值)，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.5 疲勞計(jì)算

根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 (TB10091-2017)4.3條的規(guī)定，凡承受動(dòng)荷載重復(fù)作用的結(jié)構(gòu)構(gòu)件活連接應(yīng)進(jìn)行疲勞檢算。鋼橫梁承受列車(chē)活載，按規(guī)范對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算，γdγn(σmax-σmin)=47.6 MPa≤γt[σ0]=103.7 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。式中：γd為多線(xiàn)橋的多線(xiàn)系數(shù)；γn為以受拉為主的構(gòu)件的損傷修正系數(shù)；σmax、σmin為最大、最小應(yīng)力；γt為板厚修正系數(shù)；[σ0]為疲勞容許應(yīng)力幅。

5 新型防腐涂裝體系

鋼材具有自重輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但易銹蝕，鐵路鋼橋一旦出現(xiàn)銹蝕，會(huì)加速結(jié)構(gòu)退化，影響結(jié)構(gòu)使用年限。目前鐵路鋼橋防腐涂裝一般采用第七套涂裝體系，設(shè)計(jì)防護(hù)年限可達(dá)到25 a左右，而橋梁設(shè)計(jì)使用年限一般為100 a。在鋼梁整個(gè)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，至少再需要進(jìn)行3～4次大修維護(hù)涂裝[5]。

嚴(yán)寒地區(qū)冬季極端負(fù)溫、凍融、干濕循環(huán)，具有特殊的腐蝕環(huán)境，嚴(yán)重威脅鋼橋的防腐涂層。綜合考慮全壽命周期內(nèi)的養(yǎng)護(hù)和維修成本，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)多考慮一些措施和新材料、新工藝以提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

本工程對(duì)鋼橫梁外表面采用新型石墨烯氟碳超耐久防腐涂裝體系，利用石墨烯對(duì)第七套防腐體系(環(huán)氧富鋅防銹底漆+云鐵環(huán)氧中間漆+氟碳漆面)的涂層材料和涂層結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性，設(shè)計(jì)防護(hù)年限可以達(dá)到30～50 a，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，可達(dá)到長(zhǎng)久保護(hù)橋梁鋼結(jié)構(gòu)的目的，大大降低了鋼橋涂裝后期維護(hù)成本[6]。

6 結(jié)論

(1)通過(guò)比較得出，新建高速鐵路橋梁與既有鐵路小角度斜交時(shí)宜采用大跨度鋼橫梁門(mén)式墩，大跨度鋼橫梁門(mén)式墩具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、施工周期短、對(duì)鐵路影響小等特點(diǎn)。

(2)以新建鐵路鐵力至伊春線(xiàn)跨綏佳鐵路特大橋?yàn)槔?，利用有限元軟件建模?jì)算分析，鋼橫梁及墩柱各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均符合規(guī)范要求。

(3)本橋位于嚴(yán)寒地區(qū)，鋼橫梁采用Q345qE鋼材及石墨烯氟碳超耐久防腐涂裝體系，設(shè)計(jì)防護(hù)年限可以達(dá)到30～50 a，降低了鋼橋涂裝后期維護(hù)成本。