城市快速路跨铁路跨度160 m三主桁钢箱组合梁桥设计

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城市快速路跨铁路跨度160 m三主桁钢箱组合梁桥设计

陈卫华，李前名，熊　涛

(中铁武汉勘察设计研究院有限公司，武汉　430074)

摘　要：武汉雄楚大街新建高架作为城市快速路，高架桥要跨越南环铁路光谷站咽喉区及在建的地铁2号线南延线，受平面条件及路线纵断面限制，跨铁路高架桥需要160 m跨度，桥面至梁底的结构高度不超过2.5 m。设计新建1-160 m钢桁梁(不等高三主桁)+钢箱梁组合结构，桁架横联采用椭圆形横撑，不设斜撑，横撑与上下弦杆以高强螺栓连接。采用在铁路以外现场拼装，顶推施工跨越铁路的方法，减小对既有铁路的干扰。运用Midas软件建立由桁架梁单元与钢箱板单元组合而成的全桥整体模型进行静力分析、稳定及动力分析和施工阶段分析，并对节点板等局部结构进行有限元细部分析。桥梁布置和施工方法满足边界条件，造型美观，各项计算指标满足要求。

关键词：公路桥；钢桁梁；钢箱梁；组合结构；设计

1　工程概况

武汉雄楚大街西接鹦鹉洲长江大桥，东至三环线，全长约14.5 km，是武汉主城区“三环十三射”快速路的重要组成部分。雄楚大街(楚平路～三环线立交)道路在K12+380处与南环铁路交叉，交叉处南环铁路里程为K15+991。该处铁路路基形式为路堑，共有南环上下行正线2股道，专用线1股道及站线2股道，共5股道。现状雄楚大街延长线采用(16+50+16) m梁式桥上跨南环铁路，桥面宽40.0 m。雄楚大街改造工程实施后既有上跨桥作为地面辅道的组成部分，高架层需另建桥梁跨越既有桥及南环铁路。

地铁2号线南延长线在佳园路～光谷火车站区间内与本工程交叉，交叉处本工程道路里程为K12+450，该段地铁线路与南环铁路并行，在既有立交桥台后穿越雄楚大街。综合铁路、在建地铁线路及规划道路等因素，主线高架跨铁路采用1-160 m三主桁钢箱组合梁桥。如图1所示。

图1　新建桥梁与既有桥、铁路、地铁的立面关系(单位：cm)

2　桥梁总体结构设计

2.1　主要技术标准

(1)道路等级：主线高架为城市快速路；

(2)设计车速：主线60 km/h；

(3)桥面横坡：1.5%；

(4)桥梁环境类别：Ⅰ类；

(5)桥梁设计安全等级：一级，结构重要性系数γo=1.1；

(6)桥梁结构设计使用年限：100年。

2.2　建筑材料

主桁构件采用Q370qD钢材；横联及钢箱梁采用Q345qC钢材；附属结构采用Q235C钢材。

采用10.9S高强度螺栓， M24和M30的材质分别为20MnTiB和35VB钢。

主桁上弦与横联连接、下弦与桥面板连接节点板钢材厚度方向性能要求达到Z35。

主桥墩身采用C40混凝土；承台采用C35混凝土；桩基础采用C35水下混凝土。

2.3　主要结构尺寸

主桥理论跨径为160 m，桥面宽度27.1 m，每端梁缝宽度13 cm。为三主桁异型钢桁梁+钢箱梁组合结构体系，横联为椭圆形。主桁为带竖杆的三角形桁架，整体节点型式，中主桁高16.31 m，斜腹杆与竖杆夹角为34.72°；两边主桁高12.7 m，斜腹杆与竖杆夹角为28.35°，节间长度8.8 m。中主桁与边主桁中心距离为14.5 m。钢箱梁顶面设置双向1.5%横坡，底面为平坡，梁高2.0～2.19 m。如图2所示。

图2　桥梁横断面(单位：cm)

主桥平面位于曲线上，为减小施工难度，主桥设计采用弯桥正做，对两侧引桥横断面进行局部加宽，以保持桥面外观圆顺及行车顺畅。

2.3.1　主桁

弦杆均为箱型截面，边主桁弦杆内截面尺寸800 mm×2 000 mm，板厚26～38 mm；中主桁上弦杆内截面尺寸800 mm×2 000 mm，下弦杆内截面尺寸800 mm×2 190 mm，板厚26～54 mm。主桁采用焊接整体节点结构形式[1-4]，节点最大板厚58 mm。为满足局部稳定的要求，每块腹板中间设置一道纵向加劲肋。箱型截面杆件内设置横隔板，横隔板间距一般不大于4.0 m。

主桁两端受力较大的斜腹杆采用箱型截面，内尺寸为800 mm×800 mm，板厚32～50 mm，其余斜腹杆及竖杆均为H形截面，H形截面高800 mm，翼缘截面宽800 mm或600 mm，板厚度20～38 mm。

2.3.2　横联

主桥只设横联(横撑)，横联横向呈椭圆形将高度不同的三片主桁联接成整体，为形成 “时空隧道”的造型，不宜设置斜撑，而采取加强横联(横撑)的方式保证上弦杆的整体稳定性，横撑均采用箱型截面，内尺寸800 mm×800 mm，端横撑板厚20 mm，其余厚16 mm。横撑与上下弦杆连接处，上下弦杆内设2道横隔板与横撑腹板对齐，保证节点的横向刚度。如图3所示。

图3　拱形横梁与上下弦杆的连接节点(单位：mm)

2.3.3　钢箱梁

主桁下部为正交异性桥面板钢箱梁[5]，钢箱梁顶、底板与弦杆翼缘板焊接成整体，横隔板及横梁与下弦杆横隔板通过高强螺栓联接成整体，即主桁下弦杆成为钢箱梁的一部分。钢箱梁顶板设置双向1.5%横坡，底板为平坡，梁高2 000～2 190 mm；每8.8 m设置1道横梁，中间每2.2 m设置1道横隔板，横隔板及横梁板厚为16 mm。钢箱梁顶、底板厚16 mm，均设置纵向闭口加劲肋(即“U肋”)。支点处设置横梁，横梁腹板厚度24 mm。

2.3.4　下部结构

主桥每端设3个支点，即每片主桁下设1个支座，共3个桥墩。支座的设置：纵向，墩高较小的墩3个支座均纵向固定，另外3个支座纵向活动；横向，中墩设置横向固定支座，边墩均为横向活动支座。中间墩采用双柱门式墩，墩顶截面尺寸为6.0 m×4.0 m，单个墩柱底截面尺寸为1.7 m×4.0 m，下接整体式承台，承台尺寸8.6 m×8.2 m×3.2 m；承台下设4根φ2.0 m钻孔桩。边墩采用独柱花瓶墩身，墩柱顶截面尺寸为2.7 m×4.0 m，墩柱底截面尺寸为1.7 m×4.0 m，单柱承台尺寸6.5 m×3.2 m×3.2 m；承台下设2根φ2.0 m钻孔桩。如图4所示。

图4　主桥下部结构正立面(单位：cm)

2.4　桥梁附属设施

2.4.1　桥面铺装

采用7 cm厚浇筑式沥青混凝土铺装方案[6～7]。

2.4.2　伸缩缝、支座与护栏

伸缩缝采用浅埋式240 mm伸缩缝。支座采用大吨位球型钢支座，边支座承载力15 000 kN，中支座承载力25 000 kN。护栏采用SS级墙式护栏，Q235C钢板焊接结构。

2.4.3　钢桥表面涂装

全桥钢结构采用环氧富锌涂装方案。

2.5　整体计算及成果

2.5.1　计算模型

采用Midas/Civil 2011软件建立全桥整体模型进行分析计算，主桁上弦杆、腹杆及横撑采用梁单元，下弦杆及钢箱梁采用板单元[8]，其中钢箱梁顶底板采用带纵肋的板单元[9]。如图5所示。

图5　全桥整体模型

2.5.2　主要计算结果

(1)挠度(表1)

表1　挠度及预拱度　mm

项目恒载活荷载预拱度(恒载+1/2静活载)跨中竖向位移21229227

(2)应力(表2)

表2　最大应力　MPa

项目上弦杆腹杆下弦杆钢箱梁最大正应力(σmax)-169-168(137)10691最大剪应力(τmax)5.87.83225

注：受压为负值。

(3)自振频率(表3)

表3　结构基频

振型频率/Hz振型描述第1阶1.09主桁伴随钢箱梁横向振动第2阶1.27桥跨对称竖向半波振动第3阶2.38主桁伴随钢箱梁横向+扭转振动

公路桥涵规范未对横向自振频率做出要求，参考《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)表5.1.3，下承式钢桁梁(L=48～80 m)，横向自振频率容许值f>65/L0.8=65/1600.8=1.12 Hz，本桥横向自振频率与铁路规范计算值基本一致。

(4)支反力(表4)

表4　主桁竖向支反力　kN

支座位置自重反力二期恒载反力最大反力中主桁16947391423417边主桁6474161310070

(5)稳定系数

主梁最小屈曲特征值为35.2，失稳模态为主桁横向失稳。

3　钢梁细节设计与计算

3.1　联结

钢桁梁工厂预制节段长度17.6 m，上弦杆最大节段质量60 t，采用整体式节点板，腹杆与弦杆及弦杆节段之间均采用高强螺栓对拼式连接[10]。钢箱梁预制节段横向尺寸为16 m，纵向尺寸为4.4 m，最大节段质量35 t。横向与主桁下弦杆采用栓焊混合连接，即横梁与横隔板采用高强螺栓连接，顶板与底板采用焊接；纵向节段之间采用全焊接。下弦采用整体式节点板，从顶板上开槽通过。如图6、图7所示。

图6　钢箱梁及下弦杆联结横断面(单位：mm)

图7　主桁弦杆断面(单位：mm)

图8　节点板局部模型

3.2　节点板计算

选取腹杆受力最大的端部节点及弦杆受力最大的跨中节点建立节点板局部模型进行分析[11]，节点板采用板单元，相联结的弦杆、腹杆采用一段梁单元与其耦合，以方便施加从整体模型中提取的杆件内力。如图8所示。

计算发现节点板受力与弦杆及腹杆内力直接相关，端节点板的厚度由腹杆决定，跨中节点板厚度由弦杆决定。

3.3　预拱度

预拱度通过保持下弦杆、斜腹杆及桥面系长度不变，增大上弦杆长度的方式来实现：中主桁上弦每个节间长度增大21 mm；边主桁上弦每个节间长度增加16 mm。即安装时中主桁纵向拼接缝宽由20 mm调整为41 mm；边主桁纵向拼接缝宽由20 mm调整为36 mm。拼接板制造时应考虑预拱度的影响。

4　指导性施工方案

主梁采用顶推法施工[12-15]，拼装架设平台设在铁路东侧，长115 m，宽40 m，采用钢管柱及贝雷梁搭设而成。主梁各节段通过汽车吊从运梁车上吊至平台上后，再由2台1 000 kN龙门吊进行精确定位安装。龙门吊机距地面高度约30 m。为减小主梁顶推时的悬臂长度，在既有上跨铁路桥50 m跨梁缝即桥墩中心线位置搭设临时支墩，支墩采用梁柱组合结构，拼装主梁及搭设支架不中断道路行车。如图9所示。

图9　钢梁顶推示意(单位：m)

顶推时，钢梁前设置32.4 m长的钢导梁，将钢梁最大悬臂控制在20 m内，钢桁梁最大悬臂挠度15 mm，最大应力58 MPa。一次拼装、顶推长度为107 m，顶推重力为36 000 kN，拟采用多千斤顶同步协同顶推系统。顶推就位后，再在支架上拼装剩余53 m钢梁。

既有桥上的临时墩受力较大，故设计对既有桥上部梁体、下部盖梁、墩柱及桩基进行了检算，各项结果满足规范要求。

5　结语

本设计利用大跨度桁架梁桥便于施工安装、现场施工工期短的特点，再采用顶推法施工，满足了大跨度桥梁上跨既有铁路的需要。设计采用不等高三主桁+钢箱梁组合结构，配以椭圆形横联，梁桥受力合理、造型新颖、美观。本桥上弦仅设横联(横撑)，没有斜撑，相应地横联采用适当尺寸的箱形截面，节点处弦杆隔板加密，保证横联自身及其与上下弦杆连接的节点有足够的刚度，以保证上弦的侧向稳定性。钢桁梁节点板局部受力复杂，有应力集中现象，采用整体模型+局部模型的计算方法，精确、快速地分析出钢桥细节部位受力情况，并根据计算成果，配置构件截面尺寸。

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Design of Urban Expressway 160 m Composite Box Steel Girder Bridge with Three Main Trusses over Railway

CHEN Wei-hua， LI Qian-ming， XIONG Tao

(China Railway Wuhan Survey and Design Co.， Ltd.， Wuhan 430074， China)

Abstract： The project in Wuhan Xiongchu Street is to build a viaduct as part of the urban expressway. The viaduct is located in the throat area of Optics Valley subway station， crossing over the South Central Railway and the southern extension of Metro Line 2. Restricted by plane condition and line profile， the viaduct requires a 160-meter-span across the railway， and the structure height of the bridge deck to the bottom of the beam must be not more than 2.5 meters. The new 160m composite box steel girder bridge with three main trusses is surrounded by oval cross-braces without oblique braces. The cross-braces are conjoined to the truss by high-tensile bolts. The new bridge beside the railway is installed using the incremental launching method to minimize the disturbance to the existing railway. Midas software is employed to establish whole model with truss beam elements combined with steel box board unit and to conduct static analysis， stability analysis， dynamic analysis and construction analysis. Local structures such as node board details are analyzed with finite element method. The bridge layout and construction method satisfy the boundary conditions， aesthetically pleasing and the calculating indexes．

Key words： Highway bridge; Steel truss; Steel box girder; Composite structure; Design

文章编号：1004-2954(2016)05-0054-05

收稿日期：2015-11-04； 修回日期：2015-12-06

作者简介：陈卫华(1968—)，男，高级工程师，1989年毕业于西南交通大学土木工程专业，工学学士，E-mail:[e-mail]。

中图分类号：U442.5

文献标识码：A　　

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.012