96 m钢－混组合桁架梁设计

孙昆鹏 薛宪政

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 引言

近年来，随着我国高速铁路建设的飞速发展，路网不断加密，不可避免地出现了大量的铁路立体交叉工程，受线路平纵、桥下净空等条件控制，需要采用大跨度、低高度结构。常用的大跨度、低高度结构主要有系杆拱和下承式钢桁梁，但系杆拱自重大、施工周期长、施工支架数量大，在跨越既有铁路时适用性差，故下承式钢桁梁结构成为跨越既有铁路首选桥式。钢桁梁常用桥面系结构主要有三种:(1)纵横梁混凝土桥面系；(2)密横梁混凝土桥面系；(3)密横梁钢桥面系[1－3]。但以上三种桥面系存在运营噪声大、结构刚度相对较弱、与无砟轨道板结合较差、后期运营维护工作量大等缺点。钢－混组合桁架梁做为一种新型结构形式，采用预应力混凝土槽型梁做为桥面系，则较好地克服了以上缺点。

2 工程背景

新建安九铁路庐山特大桥右单线桥在庐山地区跨越武九客专正线，与武九客专正线夹角为16°。庐山特大桥右单线桥受线路纵坡、线路平面夹角及桥下武九客专净空需求等条件限制，同时尽可能减少运营后既有线上方的维修保养工作量，选用1－96 m钢－混组合桁架梁结构跨越武九客专正线。结合现场条件，考虑到原位拼装、现浇对武九客专影响较大，不具备相应施工条件，经研究施工方案采用在线路一侧浇筑预应力混凝土槽型梁并拼装完毕钢桁梁，以安庆侧Y197号墩为转动轴、庐山侧Y198号墩架设横梁转体架设方案。转体就位后的钢－混组合桁架梁如图1所示。

图1 转体就位后1－96 m钢－混组合桁架梁

3 主要技术标准

(1)铁路等级:客运专线；

(2)正线数目:单线；

(3)设计行车速度:350 km/h；

(4)线路情况:位于－26.7‰的直线坡道上，部分位于缓和曲线上；

(5)轨道形式:无砟轨道；

(6)设计活载:ZK活载；

(7)地震烈度:桥址区地震动峰值加速度0.05 g，相当于地震基本烈度6度。

4 组合桁架梁结构设计

本桁架梁全长98 m(含两侧梁端至支座中心各1.0 m)，主梁上部为钢桁梁结构，下部采用预应力混凝土槽型梁结构作为桥面系。梁部分位于缓和曲线上，曲梁直做。主桁桁高12.6 m，节间长度12 m，两片桁中心距离6.7 m[4]，如图2所示。

图2 桁架梁总体布置(单位:mm)

4.1 槽型梁结构

槽型梁标准段梁高1.8 m，支点部分加厚至2.3 m；槽型梁外底板宽7.9 m，内侧净宽5.5 m，腹板厚1.2 m；道床板跨中厚0.45 m，支点处加厚至0.95 m；人行道悬臂长1.0 m，悬臂根部板厚0.2 m，梗肋位置厚0.35 m。槽型梁断面如图3所示。

图3 槽型梁横断面(单位:cm)

4.2 主桁及联结系

加劲钢桁为无竖杆三角形钢桁，上弦为整体节点。上弦杆采用箱形截面，弦杆内宽600 mm，内高800 mm，板厚28～40 mm；腹杆采用箱形和工形截面，箱形杆件内高600 mm、外高800 mm，板厚为24～36 mm，与整体节点对拼连接。工形杆件外高600 mm，翼缘板宽520 mm，板厚16～24 mm，与整体节点内插连接。主桁弦杆及腹杆的连接采用M30的高强螺栓。

上弦设上平纵联，横向设桥门架及中间横联。上平纵联为交叉式结构，横联为桁式结构，联结系截面均为工形截面，上平纵联撑杆截面高420 mm、斜杆高380 mm，板厚16～20 mm；横联高440 mm，板厚12～16 mm；与整体节点连接采用M24的高强螺栓栓接。

腹杆与槽型梁采用外接式节点连接，腹杆与预埋在槽型梁内的节点板对拼连接，节点板通过剪力钉、PBL剪力键与槽型梁连接[5－7]。主桁下弦节点构造如图4所示。

图4 节点构造

5 结构计算

结构采用空间梁单元模型MIDAS Civil建模计算，共分215个节点、184个单元，其中混凝土梁78个单元、钢桁106个单元。钢桁和混凝土采用刚臂连接[8－9]。

所建立的模型按施工阶段进行划分，计算模型见图5。

图5 计算模型

(1)搭设支架，拼装钢桁架；

(2)立模，浇筑混凝土槽型梁；

(3)张拉槽型梁纵向预应力钢束；

(4)桥面铺装施工，加二恒；

(5)成桥运营。

5.1 计算结果

运营阶段各荷载工况组合反力值见表1。

表1 运营阶段各荷载工况支座反力(单墩) kN

运营阶段下弦槽型梁控制截面应力见表2。

表2 运营阶段下弦槽型梁截面应力值 MPa

«铁路桥涵设计规范»(TB 10002—2017)第5.2.6条规定:梁端悬出长度大于0.55 m且小于0.75 m时，梁端转角容许值为1.0‰弧度。本梁梁端悬出长度为1.0 m，等效梁端转角容许值按0.75‰弧度考虑。静活载和温度作用下梁体竖向挠度和转角见表3。

表3 活载作用下组合梁位移值

«铁路桥涵设计规范»(TB 10002—2017)第5.2.2条规定:设计时速200 km及以上铁路无砟轨道桥面预应力混凝土梁，轨道铺设完成后，当跨度大于50 m时，竖向残余徐变变形不应大于L/5 000且不大于20 mm，本梁竖向残余徐变变形限值为19.2 mm。为保证武九客专正式开通运营前本梁正式转体到位，工期较紧张，如按预应力张拉完毕后60 d铺设轨道，梁体残余徐变上拱值为20.4 mm，超过规范限值，故本梁轨道铺设待梁体转体到位后进行；根据全线运架梁需要，本梁轨道铺设在梁体预应力张拉完700 d后进行，梁体残余徐变上拱值10.5 mm，满足规范限值要求。残余徐变上拱值见表4。

表4 残余徐变上拱位移值 mm

5.2 计算结论

通过空间模型计算模拟，本梁各项计算结果均满足规范要求，并有一定的富裕度。

6 施工方案

庐山特大桥右单线桥采用1－96 m钢－混组合桁架梁跨越武九客专，两线夹角16°。结合现场地形条件，经过多次方案比选，最终采用侧位拼装、现浇，转体架设的施工方案[10－13]。

(1)钢－混组合桁架梁在Y197墩侧搭设与组合梁架设中心线成16°夹角的超高支撑体系(与武九客专铁路平行)，在Y197墩顶垫石连线及架设中心线交点设置转轴作为拼装及转体架设固定圆心，拼装支撑体系通过滑道梁与Y198主墩连接。

(2)完成钢桁架拼装，施工现浇预应力混凝土槽型梁，进行桥梁附属工程施工。

(3)在钢混组合梁四个支座垫板下方设置滑块，通过设置在Y198墩前端的一台水平连续千斤顶拖拉钢混组合梁绕Y197墩顶转轴转体到位，到位后拆除两主墩墩顶滑道，并在最后一步落梁施工前完成支座安装，如图6所示。

图6 钢－混组合桁架梁施工总体布置

6.1 钢－混组合桁架梁转体系统

钢－混组合桁架梁转体系统由转轴、跨线滑道梁、牵引设备组成。

(1)转轴:由定位轴、转动轴和横梁三部分组成，整套系统设置在Y197号墩墩顶。

(2)跨线滑道梁:跨线滑道梁长度16.2 m，采用钢箱焊接结构，分段模块化设计，每段长度8.1 m，重约40 t。拼装时采用汽车吊提前将滑道梁吊装至Y198号墩端临时墩上方，现场完成4段32 m滑道梁连接。

(3)牵引设备:布置在Y198号墩墩顶，由2台100 t水平连续千斤顶、反力支座、水平顶作业平台及起落梁平台组成。

6.2 施工步骤

(1)辅助工程施工:①场地平整；②支架基础施工及支架、滑道梁制作；③支架、滑道梁安装；④分配梁及贝雷片搭设。

(2)钢混组合梁高位拼装:钢桁架由一端向另一端进行安装，先安装第一节间，按下弦节点、下弦杆纵、横向连接件、腹杆、上弦节点，再拼装门架(横联)、上弦杆(上平纵联)的顺序进行拼装，尽快形成闭合框架，保证结构稳定。之后以第一节间为母段进行下一节间拼装，依次向前推进，直至全桥拼装结束。

(3)预应力混凝土槽型梁施工:在钢桁架拼装完成后，线下分步进行预应力混凝土的施工，按盘扣式脚手架搭设→主、次楞安装→模板安装→钢筋绑扎、连接→套管安装→混凝土浇筑→穿预应力筋→安装锚具和张拉块→张拉→管道压浆的顺序进行施工。

(4)钢混组合梁转体架设:钢混组合梁施工完成后，在不影响武九客专铁路联调联试的条件下转体就位，再拆除跨线滑道梁，最后一步落梁前完成永久支座安装。

7 结束语

作为国内第一座应用于时速350 km高速铁路的最大孔径钢－混组合桁架梁结构，安九铁路庐山特大桥96 m钢－混组合桁架梁已于2017年8月30日顺利转体、落梁到位。

(1)在联调联试中，轨道平顺性、运营舒适性得到了充分证明，从而也验证了计算结果的合理性和正确性。

(2)该结构外观简洁美观、建筑结构低、自重轻、跨越能力强、与无砟轨道板结合性能好、易于养护维修的特点在工程中得到了充分展示。

(3)侧位拼装、现浇，转体架设施工技术的成功应用，进一步丰富了该类型结构的施工方法，拓展了其适用范围。