88 m简支钢-混凝土组合桁架梁桥设计

续宗宝

【摘 要】下承式钢桁组合桥具有跨度大、建筑高度低、刚度大、噪声小、施工快捷等优点.介绍了浈江特大桥1×88 m下承式钢-混组合梁的整体设计思路,详细说明了钢-混组合梁的构造设计和材料选择,重点阐述了钢-混组合梁的设计,模拟施工阶段对钢-混组合桥进行了计算. 【期刊名称】《铁道建筑技术》 【年(卷),期】2015(000)004 【总页数】5页(P19-23)

【关键词】下承式钢桁组合梁;预应力混凝土;PBL键;有限元 【作 者】续宗宝

【作者单位】中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京102600 【正文语种】中 文 【中图分类】U442.5

由于国家经济和战略发展的需要，某些新建铁路往往需要跨越既有铁路。由于桥下受列车及净空，桥上受线路坡度，下承式钢桁梁桥成为首选桥型。钢桁梁桥面系的设计对整体刚度、结构耐久性以及对行车安全和舒适十分重要[1]。实际的钢桁梁设计中，使用较多的桥面结构形式有如下3种[2]：(1)纵横梁混凝土桥面板体系；(2)密横梁混凝土桥面板体系；(3)密横梁钢桥面板体系。铁路钢桥若采用混凝土桥面，混凝土桥面几乎不可能参与桁架体系的受力作用。若采用密横梁钢桥

面板体系，结构刚度相对较弱，噪声大。下承式钢-混预应力组合桁架桥相比明桥面，可以采用有砟桥面，降低噪声，提高桥梁的自重，改善结构的动力性能，减少维修工作量。法国高速铁路在跨越河流和高速公路时，采用了下承式钢桁结合桥。日本新干线上也有多处采用下承式钢桁结合桥[3]。

“钢-混预应力组合桁梁”作为一种新型的结构形式，克服了普通混凝土桥面不参与受力的缺点，通过预应力钢束将下弦杆的一部分轴力由预应力钢束承担，转而施加给混凝土桥面板。通过设置合理的预应力钢束布置形式，随着下弦杆的轴力变化而在全桥范围均匀变化[4]。

新建铁路赣韶线韶关疏解线与京广铁路相交处，采用上跨京广铁路形式。桥址地形较平坦，但跨越建筑物众多，地物复杂。地表覆盖层主要为粉质黏土、粗圆砾土等，下伏基岩主要为灰岩、泥质灰岩等，岩溶发育强烈，岩溶主要形态为溶洞，以水平发育为主，为早期岩溶水平径流带，溶洞连通性好。交叉处京广铁路里程为K2045+275.6，疏解线里程为SDK180+356.05，夹角为30°。京广铁路为双线电气化线路，根据广铁集团相关复函要求，预留净空高度按7.25 m考虑。 通过地质调查、工程钻探和原位试验等勘测手段和方法，结合室内实验，查明了桥墩及既有京广线范围内的地层分布、岩性、构造、地下水分布和岩溶发育等地质情况。14号桥墩范围内钻孔遇洞率为100%，线岩溶率为31.3%，岩溶为强烈发育。岩溶主要形态为溶洞，以水平发育为主，为早期岩溶水平径流带。溶洞连通性好，分布范围SDK180+375～+400左侧30 m、右侧4 m，埋深19～53 m，高程13～40 m范围内，溶洞高度1.3～20 m，顶板厚1.4～23 m，大部分充填软塑～硬塑状粉质黏土，局部充填流塑状粉质黏土。在14号墩的1号和2号桩孔中分布空洞，充满地下水。

结合上跨京广铁路要求及地质情况，本桥做了3个方案进行比选：(1)1-56 m简支拱桥方案(原设计方案)；(2)1-88 m系杆拱桥方案；(3)1-88 m钢-混凝土组合桁

架梁方案。

经方案比选，原设计方案采用注浆处理溶洞，虽然投资增加较少但无法保证施工期间的既有京广线安全，且投资无法得到有效控制；1-88 m系杆拱桥方案梁高较高，虽然其桥墩远离既有京广线及附近溶洞区，但压缩了桥下净空，且对京广线运营安全影响较大；推荐1-88 m钢-混凝土组合桁架梁方案，该方案梁高较低，其桥墩不但远离既有京广线及附近溶洞区，并且有效增加桥下净空(见图1)。其主要优点[5]：第一，钢桁梁工厂加工，现场拼装，施工便捷，缩短施工周期；第二，结构刚度较大，恒载比重增大，杆件疲劳问题几乎不控制设计；第三，没有桥面纵横梁体系，控制结构高度更低。 4.1 主要技术标准 (1)铁路等级：Ⅰ级； (2)正线数目：单线；

(3)线路情况：位于-1‰的直线坡道上；部分位于缓和曲线上； (4)轨道：有砟轨道、无缝线路； (5)设计速度：200 km/h； (6)基本风压：W0=500 Pa；

(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Ⅵ度。 4.2 主要建筑材料

(1)混凝土：C50纤维混凝土， fc=33.5 MPa， fct=3.10 MPa，Ec=3.55×104 MPa，γ=26 kN/m3。

(2)钢材：主桁钢结构采用Q370qE钢，桥门架、横联及上平联采用Q345qD钢，其它附属结构采用Q235钢，质量均需符合《桥梁结构用钢》(GB/T 714-2008)相关技术标准的规定及要求。杆件连接采用M30、M24高强螺栓，性能等级为10.9级，材质为30VB、20MnTiB。

(3)预应力钢束

纵向预应力体系：预应力束采用15-φj15.2高强度、低松弛钢绞线， fpk=1 860 MPa，Ep=1.95×105 MPa，锚下张拉控制应力σcon=0.7fpk=1 302.0 MPa。采用φ内90 mm的金属波纹管成孔。

(4)普通钢筋：采用HRB335( fsk=335 MPa)和HPB235( fsk=235 MPa)两种类型的钢筋。

本桥为钢-混预应力组合桁架结构，桥梁全长90 m(含两侧梁端至支座中心各1.0 m)。桥面系部分采用预应力混凝土槽型梁结构，桥面以上采用钢桁架结构，桁高10 m，节间距11 m，两片主桁中心距6.7 m。梁部分位于缓和曲线上，曲梁直做。如图2所示。 5.1 槽型梁结构

槽型梁梁高160 cm，支点部分加厚至210 cm；槽型梁底板宽790 cm，内侧净宽550 cm，腹板厚120 cm；人行道悬臂部分长100 cm，悬臂端部板厚20 cm，梗肋处厚35 cm；道床板跨中厚50 cm，与腹板倒角处厚40 cm，形成2%的横坡。跨中及支点截面处纵向预应力筋布置见图3，底板预应力钢束平面布置见图4。 5.2 主桁及联结系

如图5所示，上弦杆采用钢箱形带肋截面，箱高770 mm，箱宽550 mm，板厚28～48 mm不等。腹杆采用箱形及工字型截面，箱形截面箱高650 mm，箱宽550 mm，板厚24 mm、32 mm；工字型截面高550 mm，翼缘板宽450 mm，翼缘板板厚24 mm，腹板板厚20 mm。上平联采用工字型截面，高380 mm，翼缘板宽400 mm，翼缘板板厚16 mm，腹板板厚12 mm。

主桁采用焊接的整体节点，在工厂内把杆件和节点板焊成一体，工地架设时在节点之外用高强度螺栓拼接。如图6所示。

全桥空间结构分析采用Midas/Civil 2013(见图7)，按照主桥的实际构造对结构进

行离散，钢桁梁与槽型梁采用刚臂连接，有限元模型按实际施工阶段进行了详细的计算分析。 施工阶段模拟：

(1)支架搭设完毕后，先进行钢桁架的拼装施工； (2)立模，浇筑混凝土槽型梁； (3)张拉梁体纵向预应力钢束； (4)桥面铺装施工，加二恒； (5)成桥运营。 6.1 主梁

主梁为预应力混凝土受弯构件，运营阶段计算结果见表1。

(1)静活载作用下中跨最大挠度值-23 mm，为跨度的1/3 826，小于L/900。 (2)恒载作用下最大挠度值-19 mm，而恒载+静活载挠度为-42 mm，小于L/1 600=55 mm，故本桥可不设预拱度。计算结果表明，主梁的刚度和强度均满足规范[6]要求。 6.2 主桁

理论计算出钢桁杆件轴力并考虑节点刚性引起的次应力后，按照相关规范[7]进行了检算，计算结果见表2。上弦杆最大压应力-183 MPa；腹杆最大压应力-208 MPa，最大拉应力210 MPa；平联最大压应力-175 MPa，最大拉应力129 MPa。杆件疲劳应力幅腹杆最大应力幅σ0=100 MPa，容许应力幅类别为Ⅲ类，满足规范要求。 6.3 PBL剪力键

在钢-混组合桁架桥设计中，为了防止下节点板与混凝土接触面之间产生水平滑移和竖向分离，确保钢桁梁与混凝土的整体变形，须在钢桁梁的下弦节点板上配置一定的PBL剪力键。PBL剪力键除了传递剪力外，同时还必须保证能把混凝土板和

钢梁牢牢锚固在一起。

设计PBL剪力键时，首先要确定PBL剪力键的形式以及每个PBL剪力键的设计强度，然后根据接触面之间作用的水平剪力，计算所需PBL剪力键的个数。 6.3.1 PBL剪力键承载力计算

PBL剪力键的基本形式是在钢板上开孔布置受力钢筋后浇筑混凝土，利用穿过孔中的布置受力钢筋来抵抗剪力流，进一步提高其承载力。由于PBL剪力键在混凝土中受力较为复杂，除了必要的理论分析外，有条件尚需通过大量的试验来确定其受力情况。

在设计计算中，参考了胡建华等[8]“PBL剪力键承载力影响因素和计算公式研究”，其公式如下：

式中：Qu—PBL剪力键单孔极限承载力； Atr—贯通钢筋的面积； fy—贯通钢筋的屈服强度； —横向普通钢筋的面积； —横向普通钢筋的屈服强度； Ac—混凝土榫面积； fc—混凝土立方体强度；

α—钢筋影响系数，取1.320 125；

β—横向普通钢筋影响系数，当ρ≤0.18%时，取1.204 479，ρ>0.18%时，取1.042 948；

γ—混凝土榫影响系数，取1.951 68。

本设计中，贯通钢筋直径为25 mm，开孔孔径d=60 mm，检算未考虑横向普通钢筋的影响。

单个PBL剪力键的承载力为：

6.3.2 单栓剪力计算

E1节点处群栓中心如图8所示。

在水平力作用下，单个剪力键承受的剪力为：F单=F/n=3 871/95=40.7 kN 在竖向力作用下，单个剪力键承受的剪力为：T单=T/n=1 166/95=12.3 kN 在弯矩作用下，单个剪力键承受的剪力分别为：

单个剪力键承受的水平剪力合计为：F=F单+FC=40.7+16.7=57.4 kN 单个剪力键承受的竖向剪力合计为：T=T单+TC=12.3+52.3=.6 kN 则单个剪力键承受的剪力向量和为：

故节点板PBL剪力键的抗剪承载力满足要求。

新建铁路赣韶线韶关疏解线浈江特大桥采用1-88 m 钢-混预应力组合钢桁架梁桥，该桥不但远离既有京广线及附近溶洞区，而且有效地增加了桥下净空，结构新颖、建筑高度低、跨越能力大，对京广铁路线正常运营影响较小。同时作为一种新型的桥梁结构，对该桥进行了认真研究、精心设计和详尽的施工方案研究，计算结果表明该桥结构刚度大，动力性能优越。在施工过程中，加强了对桥梁施工线形的监控，整个施工过程顺利进展。该桥对同类型的桥梁设计与施工具有重要的参考价值。

【相关文献】

[1] 徐勇,戴晓春. 高速铁路96 m 钢桁梁桥面系结构形式比较研究[J].铁道勘察,2007(S):24-27. [2] 李凤琴,何伟,杨欣然. 钢桁结合梁桥面系构造设计研究[J].铁道勘察,2007(S):20-23. [3] 张晔芝. 高速铁路下承式钢桁结合梁研究[J].铁道学报,2004,26(6):71-74.

[4] 饶少臣.预应力混凝土桥面板与钢桁下弦杆的结合技术研究-钢混预应力桁梁的关键构造[J].铁道标准设计,2006(10):39-41.

[5] 蔡少明,饶少臣. 钢混预应力桁梁新结构探索与研究[J].铁道标准设计,2006(6):30-32. [6] TB 10002.3-2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S]. [7] TB 10002.2-2005 铁路桥梁钢结构设计规范[S].

[8] 胡建华,侯文崎,叶梅新. PBL剪力键承载力影响因素和计算公式研究[J]铁道科学与工程学报,2007, 4(6):12-18.