戴勝勇，艾宗良，楊善奎

(中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

1 工程概述

南昌樞紐向蒲引入東新贛江鐵路橋于南昌市郊跨越贛江，全長(zhǎng)為27 303.68 m，其中跨江段長(zhǎng)1 895.88 m，該橋主橋主要受贛江通航凈空控制。橋位處贛江通航等級(jí)為Ⅱ-3級(jí)航道，要求單向通航孔凈寬不小于105 m，雙向通航孔凈寬不小于180 m。擬建杭南長(zhǎng)客運(yùn)專線與向蒲線共用一個(gè)橋位，為節(jié)省投資，避免重復(fù)建設(shè)造成浪費(fèi)，杭南長(zhǎng)、向蒲線四線主橋一次建成，本橋采用四線雙桁(126+196+126)m連續(xù)鋼桁梁跨越贛江主航道。我國(guó)在建或擬建大跨度四線合建鐵路橋目前有武漢天興洲、南京大勝關(guān)、濟(jì)南黃河橋等。其中武漢天興洲、南京大勝關(guān)均采用4線3桁結(jié)構(gòu)體系，僅濟(jì)南黃河橋采用的是4線2桁結(jié)構(gòu)體系，而且濟(jì)南黃河橋?yàn)橹骺?68 m連續(xù)梁—拱組合(剛性梁—柔性拱)體系。因此，如此大跨度的四線合建2桁鋼桁連續(xù)梁在我國(guó)尚屬首次應(yīng)用。

2 主橋結(jié)構(gòu)形式

主橋(126+196+126)m下承式連續(xù)鋼桁梁采用有豎桿平行弦N形桁、中間支點(diǎn)采用上弦加勁桁式，并以二次拋物線過(guò)渡，桁高19 m，支點(diǎn)加高16 m，節(jié)間長(zhǎng)度14 m，主桁中心距為30.0 m，豎向腹桿橫斷面平面內(nèi)設(shè)吊桿和K撐，見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 主桁桁式結(jié)構(gòu)

圖2 全橋三維示意

圖3 橫聯(lián)結(jié)構(gòu)形式

3 橋面系結(jié)構(gòu)形式的比較

對(duì)于客運(yùn)專線鐵路鋼橋橋面構(gòu)造，可供選擇的橋面系方案主要有以下4種:①非結(jié)合梁;②半結(jié)合梁;③全結(jié)合梁;④正交異性板。上述4種橋面系構(gòu)造的主要部件及受力特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 各橋面系方案的主要特點(diǎn)

非結(jié)合梁橋面的主要優(yōu)缺點(diǎn)有:①橫梁受力較大，在外縱梁處應(yīng)力有突變;②混凝土板可能開(kāi)裂，可能導(dǎo)致鋼構(gòu)件銹蝕。

半結(jié)合梁橋面的主要優(yōu)缺點(diǎn)有:①因取消了下平縱聯(lián)，混凝土板提供了較大的橫向剛度，可以不設(shè)下平縱聯(lián)，使鋼桁梁構(gòu)造簡(jiǎn)單，降低了制造難度;②能夠減小噪聲;③造價(jià)經(jīng)濟(jì);④可致混凝土板開(kāi)裂，導(dǎo)致剪力釘和橫梁銹蝕。而剪力釘和橫梁銹蝕后的處理非常困難。

全結(jié)合梁橋面的主要優(yōu)缺點(diǎn)有:①橋面板既承擔(dān)局部荷載，又在整體中作為主梁截面的有效部分，且能代替平縱聯(lián)，比較經(jīng)濟(jì)合理。②結(jié)構(gòu)的豎向剛度和橫向剛度大。③橫梁面外彎曲應(yīng)力相對(duì)較小。④便于適應(yīng)彎道超高，能較好地承受離心力。⑤橋面板的拉應(yīng)力較大，容易開(kāi)裂。⑥下弦節(jié)點(diǎn)處的防水較困難。⑦在全結(jié)合梁橋面中，橋面系與主桁下弦桿(或系梁)縱向剛度的如何分配以及變形的協(xié)調(diào)問(wèn)題，涉及到橫梁面外彎曲和混凝土板中拉應(yīng)力的大小，直接影響結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理性。⑧橋面變形控制問(wèn)題。結(jié)合梁中整體道床(無(wú)砟軌道)的應(yīng)用涉及到橋面變形控制，包括前期施工中橋面變形控制和后期混凝土徐變控制。前期變形雖然可以用混凝土厚度來(lái)調(diào)整，但不能太大。后期變形雖然肯定優(yōu)于混凝土橋，但由于結(jié)合梁橋通常跨度都較大，后期徐變不可忽視。

對(duì)正交異性板橋面，往往有3種類型:①由縱梁、橫梁、橫肋(橫隔板)支承的鋼橋面板體系;②由縱梁、橫梁支承的正交異性鋼橋面板系;③下弦桿和鋼橋面板結(jié)合的密橫梁鋼橋面板體系。

密橫梁鋼橋面板體系與密橫梁混凝土橋面板體系結(jié)構(gòu)相似，不同之處是把混凝土板改為鋼板，而且鋼橋面板與主桁下弦桿栓接，參與鋼桁梁整體受力。鋼橋面板沒(méi)有混凝土橋面板的伸縮問(wèn)題、而且溫度伸縮系數(shù)與主桁一致，橫梁面外彎曲效應(yīng)有所減弱。鋼橋面板橫向與下弦桿栓接，可以分擔(dān)下弦桿的一部分拉力，一定程度上可以減小下弦桿的截面尺寸。

采用正交異性橋面板的主要優(yōu)點(diǎn)有:①受力合理，節(jié)約鋼材，正交異性板用于實(shí)腹梁橋時(shí)，正交異性板還可以充實(shí)腹梁的上翼緣，既增加了梁的剛度，使橋的建筑高度減小，又節(jié)約了鋼材(節(jié)省了專用于上翼緣的材料)。②重量輕，對(duì)軟弱地基和抗地震有利。③施工工期短。④維修養(yǎng)護(hù)方便。

正交異性橋面板的主要缺點(diǎn)也是明顯的，主要有:①噪聲大;②制造安裝麻煩;③正交異性板焊縫多，有可能出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂。

從以上的分析可以看出，各種結(jié)構(gòu)形式的鐵路鋼橋橋面構(gòu)造，具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)中，對(duì)橋面系構(gòu)造進(jìn)行選擇時(shí)，需要考慮的因素有①設(shè)計(jì)壽命，②橋?qū)?，③承載能力，④跨度，⑤養(yǎng)護(hù)維修，以進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到最優(yōu)橋面結(jié)構(gòu)形式。

針對(duì)東新贛江特大橋，初期設(shè)計(jì)考慮結(jié)合梁和正交異性板兩種方案。由于本橋結(jié)構(gòu)跨度大，傳力途徑復(fù)雜，且下弦承受較大拉應(yīng)力(不同于天興洲橋等斜拉橋的下弦桿受力特性)。若采用混凝土板，勢(shì)必拉應(yīng)力過(guò)大，出現(xiàn)開(kāi)裂等現(xiàn)象，并且導(dǎo)致主桁用鋼量增加。分析研究表明，采用半結(jié)合梁或正交異性鋼橋面板的鋼桁連續(xù)梁豎向、橫向剛度均可滿足設(shè)計(jì)要求。半結(jié)合梁橋面板經(jīng)濟(jì)上具有一定的優(yōu)勢(shì)，但隨跨度的增加橋面板(縱梁)須設(shè)斷縫，構(gòu)造細(xì)節(jié)復(fù)雜，在大跨度鋼桁梁結(jié)構(gòu)上，正交異性鋼橋面板技術(shù)上更加成熟，同時(shí)正交異性板橋面系既能減小結(jié)構(gòu)自重，減少主桁用鋼梁，又具有良好的耐久性。因此，本橋采用正交異性鋼橋面板是合理可行的。

4 正交異性鋼橋面板方案的選擇

針對(duì)東新贛江特大橋四線雙桁的構(gòu)造特點(diǎn)，在采用正交異性鋼橋面板時(shí)，設(shè)計(jì)中擬定了“大縱梁、大橫梁體系”及“密橫梁體系”兩種正交異性板橋面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比較分析。

4.1 兩種方案介紹

1)方案一:大縱梁、大橫梁體系

僅在每節(jié)間主桁節(jié)點(diǎn)處設(shè)置一根大橫梁，每線鐵路下方設(shè)置兩根大縱梁，全橋設(shè)置八道，縱梁跨度與節(jié)間長(zhǎng)度相同。正交異性鋼橋面板和主桁的下弦桿焊連，主桁的箱形弦桿的上水平板加寬400 mm，與厚16 mm的橋面板進(jìn)行對(duì)焊(如圖4)。

2)方案二:密橫梁體系

每節(jié)間主桁節(jié)點(diǎn)處設(shè)置一根大橫梁，每節(jié)間范圍內(nèi)增設(shè)3根次橫梁，次橫梁間距3.5 m;每線鐵路下方設(shè)置兩根大縱梁，全橋設(shè)置八道。正交異性鋼橋面板厚16 mm，與箱形下弦桿的上水平板焊連(如圖5)。

圖4 方案一:縱橫梁示意

圖5 方案二:密橫梁示意

4.2 兩個(gè)方案比選

1)靜力性能比較

采用有限元分析軟件MIDAS，對(duì)兩個(gè)方案在主力組合作用下腹桿、上下弦桿的內(nèi)力、各桿件截面最大應(yīng)力及變形進(jìn)行了計(jì)算和對(duì)比分析，主要結(jié)果列出如表2～表5所示。

從表2～表5可以看出:

①腹桿為面內(nèi)及面外的拉彎或壓彎構(gòu)件，方案二支座附近腹桿的最大面外彎矩比方案一略小，但其他位置的腹桿，方案一的最大面外彎矩比方案二明顯偏小。

②上弦桿主要為面內(nèi)的拉彎或壓彎構(gòu)件，方案一的最大軸力及彎矩都比方案二略小。

③下弦桿面外彎矩比較小，主要為面內(nèi)的拉彎或壓彎構(gòu)件，方案一的面內(nèi)彎矩及扭矩明顯比方案二小，尤其是扭矩，方案二明顯增大。

表2 主力組合腹桿最大內(nèi)力

表3 主力組合弦桿最大內(nèi)力

表4 主力組合各構(gòu)件截面最大應(yīng)力

表5 主力組合變形情況表

2)動(dòng)力特性比較

采用有限元分析軟件MIDAS，對(duì)兩個(gè)方案的自振頻率及振型進(jìn)行了計(jì)算分析，主要結(jié)果對(duì)比列出如表6所示?？梢钥闯?兩個(gè)方案的自振頻率比較接近，相差不大。

3)用鋼量比較

兩個(gè)方案的用鋼量對(duì)比列出如表7所示?？梢钥闯?方案一的用鋼量比方案二的稍低。

表6 主力組合變形情況表

表7 用鋼量比較

通過(guò)以上分析可知，密橫梁體系由于橫梁承受的橋面荷載產(chǎn)生的內(nèi)力主要傳遞至主桁下弦桿，通過(guò)下弦桿傳遞至下弦桿節(jié)點(diǎn)，而不能發(fā)揮帶K撐的橫向受力體系的作用，使得主桁腹桿的面外彎矩及下弦桿的扭矩明顯增大，同時(shí)結(jié)構(gòu)的撓度、梁端轉(zhuǎn)角、主桁用鋼量等增大，因而不適用于四線雙桁體系。大縱梁、大橫梁橋面系能夠有效地解決此問(wèn)題，雖然此方案的端橫梁也存在一定程度的共同作用，但是由于橋面較寬，且采用正交異性板結(jié)構(gòu)，因而不增加用鋼量。因此，正交異性板鋼整體橋面結(jié)構(gòu)方案一(即“大縱梁、大橫梁方案”)是四線雙桁鋼桁連續(xù)梁合理橋面系方案。

5 結(jié)語(yǔ)

由于正交異性鋼橋面板橋面系既能有效減小結(jié)構(gòu)自重，減少主桁用鋼梁，避免了混凝土橋面板易開(kāi)裂的問(wèn)題，具有良好的耐久性。針對(duì)四線雙桁鋼桁梁的受力特點(diǎn)，正交異性鋼橋面板采用“大縱梁、大橫梁”方案能有效降低主桁腹桿的面外彎矩及下弦桿的扭矩，從而降低主桁用鋼量。因此，“大縱梁、大橫梁”的正交異性鋼橋面板是客運(yùn)專線四線雙桁大跨鋼桁梁橋面系合理可行的選擇。

［1］劉桂紅，易倫雄.采用正交異性鋼橋面板的鐵路鋼桁梁設(shè)計(jì)［J］.橋梁建設(shè)，2007(2):8-10.

［2］彭月焱.下弦桿和鋼橋面板結(jié)合的低高度橋面系鐵路桁梁橋［J］.國(guó)外橋梁，1995(2):105-107.