高速铁路大跨度混合梁连续刚构设计关键技术研究
时间：2023-06-19 20:35:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
杨欣然,王淑敏,马辰龙
(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)
新建广湛高铁位于广东省境内，线路东接广州枢纽，西连湛江枢纽，是国家“八纵八横”高速铁路网和沿海铁路客运大通道的重要组成部分。广湛高铁沿线途经珠江水系和南海粤西沿海水系，共跨越通航河流11条，其中，西江为Ⅰ级航道，采用跨度为(109+2×200+109)m的混合梁连续刚构跨越主航道，与并行的广明高速公路富湾特大桥基础净距仅36.3 m，广湛高铁西江主桥桥梁效果图如图1所示。
图1 广湛高铁西江主桥效果图(近处为广湛高铁)
2.1 主桥总体布置
广湛高铁西江主桥与既有广明高速公路富湾特大桥(112+2×200+112)m连续刚构主跨对孔布置，跨度布置为(109+2×200+109)m，结构形式采用混合梁连续刚构，主桥全长620 m(包含支座中心距梁端0.8 m和主桥侧梁缝0.2 m)。主桥3个主墩分别与主梁固结，形成刚构体系，边墩与主梁之间设置纵向活动支座。3个主墩墩高41 m，均采用双薄壁墩，壁厚2.5 m，双壁中心距10 m。
主梁中支点梁高15 m，主墩墩高41 m，总桥高56 m，勘测期间水深约15.5 m，施工水深按十年一遇考虑，水深约22 m，主桥总体布置如图2所示。
图2 广湛高铁西江主桥总体布置(单位：cm)
2.2 主要技术标准
(1)设计速度：设计最高行车速度350 km/h。
(2)线路情况：直线平坡；
双线，线间距5.0 m。
(3)轨道类型：双块式无砟轨道。
(4)设计使用年限：正常使用条件下结构设计使用寿命为100年。
(5)地震烈度：桥址处设计地震动峰值加速度0.15g，特征周期0.6 s；
罕遇地震动峰值加速度0.28g，特征周期0.6 s。
3.1 混合梁构造
调研我国近年来已建成的大跨度铁路混凝土连续刚构(梁)桥，跨度大多在200 m以下。随着跨度增大，结构技术经济性下降，且跨中下挠增大，不能适应高速铁路行车平顺性要求，需设置梁上加劲结构，如连续梁拱组合桥、矮塔斜拉桥等[1]，导致造价增加，同时带来吊杆、拉索等构件的养护、维修、更换工作量增大。
经研究比选，主梁采用预应力混凝土梁+钢混结合梁的混合梁[2]。中跨和边跨部分梁段采用钢混结合梁，可以减轻结构自重，降低主梁弯矩和剪力，减小因混凝土收缩徐变对结构后期变形的影响，改善结构受力和高速行车条件[3]。
混凝土梁和钢混结合梁的连接构造是该混合梁的关键部位，原则上宜将接头构造设置在主梁的弯矩零点[4]。根据计算比选，中跨钢混结合梁段长75 m，边跨钢混结合梁段长47.3 m，其余区段为预应力混凝土梁。混凝土主梁及结合梁桥面板采用C55混凝土，结合梁钢梁采用Q345qD。
主梁中支点处混凝土梁高15 m，中支点等高段长12 m[5]；
边支点及主跨跨中梁高7.2 m，主跨等高段长78 m，边跨等高段长48.8 m；
变高段梁底曲线按二次抛物线变化。
混凝土箱梁桥面宽12.6 m，采用单箱单室直腹板截面，箱宽9.5 m。箱梁顶板厚67 cm，底板厚50～120 cm，腹板厚60～120 cm，按线性变化。主梁0号段长17 m，各悬浇段长2.5～4.0 m，共16个悬浇段。混凝土箱梁按三向预应力设计。
钢混结合梁的混凝土桥面板宽12.6 m，钢箱宽9.5 m，总高7.2 m，其中，混凝土桥面板厚0.35 m，砂浆垫层厚0.02 m，钢梁高6.83 m。如图3所示。
图3 主梁横断面(单位：mm)
3.2 混合梁计算结果
采用MIDAS程序进行计算，建立全桥纵向模型，按照施工、运营阶段，分别计算恒载、活载、附加力荷载作用下混凝土梁及钢混组合梁的第一体系应力。建立钢混结合梁的局部板单元模型读取钢梁第二体系应力，将第一体系应力与第二体系应力叠加得钢梁应力。结果表明，主梁变形、强度及应力均满足要求。主梁徐变变形及限值见表1，预应力混凝土梁主要计算结果及限值见表2，钢混结合梁主要计算结果及限值见表3。
表1 主梁残余徐变变形 mm
表2 混凝土梁主要计算结果
表3 钢混结合梁主要计算结果 MPa
广湛高铁西江主桥采用的混合梁连续刚构体系为首次在高速铁路中应用，桥体设计及建造有必要开展系统研究，以支撑该桥高质量建设。
4.1 钢混结合梁关键构造
4.1.1 截面比选
根据主梁结构受力特点，钢混结合梁位于主梁正弯矩区段，混凝土板处于受压区，可以充分发挥材料特点。对于钢结构部分，对不同加劲肋形式的正交异性钢桥面闭口钢箱梁[6-7]、开口槽形钢梁进行计算对比。结果显示，在相同梁高、相同箱宽、相同混凝土桥面板厚度的条件下，开口槽形钢箱结合梁的静活载梁端转角、挠跨比及残余徐变，与闭口钢箱结合梁的结果指标基本持平，但从用钢量来看，前者比后者减少20.6%。综上所述，主梁钢混结合梁区段采用槽形钢梁+厚35 cm混凝土板的结合梁形式，技术经济性得到极大改善。
4.1.2 钢梁超高腹板设计
在梁式结构中，腹板为抗剪主体，翼缘板为抗弯主体，故腹板厚度在满足抗剪需要的条件下，一般不会为满足板件稳定而加厚[8]。西江主桥钢-混结合梁的钢梁高6 830 mm，腹板厚16 mm，腹板高厚比达427，超出了TB 10091—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》第8.0.6条设1道水平加劲肋的最大高厚比250，以及Q/CR 9300—2018《铁路桥涵设计规范(极限状态法)》第8.3.10条设2道加劲肋的最大高厚比300，属于超高腹板。设计超高腹板局部稳定时，必须考虑在布置竖向加劲肋的同时，采用多条水平肋加劲[8]，按每个板块分别检算稳定性。超高腹板结构设计如图4所示。
图4 超高腹板加劲肋布置(单位：mm)
4.1.3 横隔板构造
结合梁的横隔板在未浇筑或安装混凝土桥面板之前，用来提高上翼缘的稳定性，以及提高结构抵抗横向荷载的能力，横隔板必须具有一定的承载能力和刚度，以提供有效的支撑和约束。铁路结合梁横隔板常用实体板式或框架式结构，其中，实体式隔板刚度较大，由于西江桥钢梁高6 830 mm，为满足结构稳定，隔板需加厚，经济性较差；
而框架式隔板刚度较小，支撑和约束效果较小，对混凝土桥面板受力不利。为使横隔板具有较大刚度，又兼具经济性，西江主桥结合梁采用了桁架式空腹横隔板形式，如图5所示。
图5 横隔板构造(单位：mm)
通过上述3种横隔板方案的计算对比可知，隔板所提供支撑刚度越大，混凝土桥面板变形越小，桥面板下缘拉应力也越小；
但隔板刚度越大，隔板上方桥面板顺桥向拉应力也越大。综合分析，西江主桥结合梁采用桁架式空腹横隔板，钢梁内每隔3 m设置1道。
4.2 混合梁结合部构造
4.2.1 结合部构造形式
钢-混结合部是混凝土梁与结合梁的连接部位，也是混合梁的关键部位之一[9]。对于以弯剪为主、轴力较小的混合梁段，适合采用部分截面连接承压传剪式，依靠承压钢板以承压的方式和水平抗剪连接件以水平剪力的方式共同传递梁轴力。
石板坡大桥作为当时世界最大跨径梁式桥，建成运营已有15年，说明有隔室后承压板式结合部在特大跨径梁式桥中有较好的适用性。广湛高铁西江主桥作为目前跨径最大的高铁混合梁刚构桥，设计过程中借鉴了石板坡大桥建设的有益成果，主梁钢混结合部采用了有隔室承压板式结构，并结合铁路桥梁刚度大、承载力高的特点，对钢混结合部进行了适当加长及改进，以提高其安全储备及刚度过渡平稳性。本桥为钢混结合梁与混凝土梁连接，钢混结合部顶面的混凝土桥面板及其内部钢筋与两侧的混凝土梁和钢混结合梁连续贯通，整体性增强。在结合部的钢梁侧对应混凝土梁顶板、底板、腹板范围设计多个隔室，在隔室内填充混凝土，预应力钢束穿过隔室混凝土锚固在承压板，将钢梁与混凝土梁连接成整体。竖向剪力由混凝土断面和连接于承压钢板的竖向抗剪连接件传递。该方式刚度过渡均匀，应力扩散好[10]。
根据本桥截面形式特点，为提高钢-混接头的水平抗剪能力和接头处钢梁刚度，接头构造处钢梁顶板由开口过渡为闭口形式，顶板设变高T肋[11]。接头处钢梁顶板、底板、腹板向内侧做成双壁板，在双壁板内部设PBL剪力键和剪力钉，形成钢隔室[12]，钢隔室纵向长2.5 m。在钢隔室填充纤维混凝土，通过两端分别锚固于钢梁结合段承压板和混凝土梁顶、底、腹板齿块的预应力钢束，使钢箱梁与混凝土梁紧密结合[13]。由于混凝土主梁的截面尺寸比结合梁钢梁截面大，因此，采用钢梁埋入混凝土的方式，钢梁伸入混凝土主梁1.5 m。钢-混接头构造的承压板以外钢梁刚度过渡段长3.0 m，钢梁过渡段顶板逐渐由闭口过渡为开口，过渡段内顶、底板加劲肋采用变高T肋。接头区域总长为2.5 m+1.5 m+3.0 m=7.0 m，如图6所示。
图6 钢-混接头构造(单位：mm)
4.2.2 接头构造受力分析
钢-混接头构造采用MIDAS FEA建模，钢梁采用2D板单元模拟，混凝土梁采用3D实体单元模拟，预应力钢束采用钢筋单元施加张拉应力模拟[14]。混凝土主梁模型自由端面节点固结，钢箱梁模型自由端面设置刚性域，并施加从主桥整体计算模型提取的内力[15]。
钢梁刚度过渡段T形加劲肋和钢-混结合段钢隔室有效应力最大为198.4 MPa，承压板有效应力最大为111 MPa，出现在纵向预应力钢束锚固位置。钢-混结合段钢板件与混凝土协同变形，接头构造整体性好，混凝土处于受压状态，最大压应力为13.2 MPa。
5.1 混凝土梁施工方案
墩顶混凝土梁0号块在墩旁托架上浇筑，其余混凝土节段采用挂篮悬臂浇筑。0号块长17 m，混凝土数量为1 685 m3。其余混凝土梁共分为16个悬浇段，其中，1、2号梁段长2.5 m，3～7号梁段长3 m，8～11号梁段长3.5 m，12～16号梁段长4 m，挂篮及模板质量按200 t计。
5.2 钢混结合梁段施工方案
(1)钢梁节段在工厂加工制造，分段运至现场，在岸上搭设拼装平台将钢梁节段拼装成整体。
(2)混凝土梁悬浇完成后，在悬臂端部安装钢-混接头及钢梁过渡段，浇筑结合段钢隔室内混凝土，张拉连接预应力钢束[16]。
(3)在混凝土T构的边跨悬臂端下方搭设临时墩，使用驳船将边跨钢梁运输到位，利用浮吊侧面站位将边跨钢梁整体吊上临时墩及边墩，在临时墩顶与钢-混接头的钢梁过渡段端头全截面焊接合龙。
(4)使用驳船将两个主跨钢梁分别运输到位，混凝土T构的中跨悬臂端安装提升架，整体提升中跨钢梁，起吊至设计高程后，与钢-混接头的钢梁过渡段端头临时锁定，完成两主跨的钢-混接头施工，全桥合龙。
(5)结合梁段的混凝土桥面板采用分块预制，放置时间不少于6个月。待钢梁安装完毕后，吊装预制板并进行湿接缝现浇。混凝土桥面板合龙后，张拉板内纵向预应力。
5.3 施工技术难点
(1)混凝土梁最后一个悬浇段与钢-混结合部一起悬臂施工，结构质量大、节段长，对挂篮的强度、稳定、刚度要求高，设计挂篮时需特别注意。
(2)钢-混结合段的安装定位准确性、钢隔室内混凝土灌注密实度对结构安全具有较大影响，是施工的重点和难点。
(3)钢梁采用整体吊装施工，需采用大型浮吊、桥面吊架等大型机械设备，施工风险性较大，须做好施工控制和应急预案。
(4)大节段钢梁与钢-混结合段对位合龙，须采取必要措施保证对位准确，施工难度大。
据统计，佛山市受热带气旋影响年平均1～2次，佛山市从4—12月均会受热带气旋影响，7—9月受热带气旋影响次数占全年的75%，最大风速28.1 m/s。
对于桥梁的抗风设计，应首先保证桥梁结构本身在风荷载作用下具有良好的空气动力稳定性，使其临界风速大于该桥在一定保证率下桥面上可能达到的最大风速。对于铁路桥梁，在桥面某一量级脉动风作用下(有车风压)的列车-桥梁系统动力响应分析，以保证列车过桥时具有足够的安全度和一定的舒适性，也是桥梁结构抗风设计的一个重要内容。
考虑“徐变+降温”工况为车-桥系统的最不利工况[17-18]，在此工况基础上进行了风-车-桥系统耦合动力仿真计算与分析研究。满足列车走行性要求的桥面平均风速-车速阈值如表4所示，达到了我国《铁路客运专线技术管理办法》(试行)对强风时动车组列车遇大风行车限速的相关规定，表明该桥具有足够的刚度，使其不会成为影响全线列车运行速度的控制节点。
表4 满足列车走行性要求的桥面平均风速-车速阈值
广湛高铁采用(109+2×200+109)m混合梁连续刚构跨越西江主航道，为高铁混合梁刚构桥最大跨径桥梁，混合梁形式减轻了梁体自重，减小了大跨连续刚构残余徐变变形，符合大跨径刚构桥发展趋势。通过对钢梁截面分析比选，采用了充分利用材料受力性能、经济性好的槽形钢箱混凝土结合梁。钢混结合梁的钢梁为超高腹板开口钢箱截面，采用布置多条水平加劲肋解决了高腹板稳定问题。高槽形钢梁内采用空腹桁架式横隔板，使横隔板具有较大刚度，同时节省了用钢量。
钢混结合段为钢主梁与预应力混凝土主梁的连接构造，是混合梁桥关键传力部位，针对列车荷载大、易疲劳的特点，设置在主梁受力较小位置是合适的。经研究，钢混结合段采用了传力效果好的有格室后承压板式结合部构造，并对结合段做了加长处理，使桥梁刚度过渡更加匀顺。
建造方案推荐采用挂篮悬臂浇筑混凝土梁，钢梁采用整体吊装安装，混凝土桥面板采用分块预制，可有效保证施工工期。西江主桥于2021年6月开始施工，计划2023年12月底合龙。
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