客运专线四线双桁钢桁连续梁桥面系设计

戴胜勇，艾宗良，杨善奎

(中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

1 工程概述

南昌枢纽向蒲引入东新赣江铁路桥于南昌市郊跨越赣江，全长为27 303.68 m，其中跨江段长1 895.88 m，该桥主桥主要受赣江通航净空控制。桥位处赣江通航等级为Ⅱ-3级航道，要求单向通航孔净宽不小于105 m，双向通航孔净宽不小于180 m。拟建杭南长客运专线与向蒲线共用一个桥位，为节省投资，避免重复建设造成浪费，杭南长、向蒲线四线主桥一次建成，本桥采用四线双桁(126+196+126)m连续钢桁梁跨越赣江主航道。我国在建或拟建大跨度四线合建铁路桥目前有武汉天兴洲、南京大胜关、济南黄河桥等。其中武汉天兴洲、南京大胜关均采用4线3桁结构体系，仅济南黄河桥采用的是4线2桁结构体系，而且济南黄河桥为主跨168 m连续梁—拱组合(刚性梁—柔性拱)体系。因此，如此大跨度的四线合建2桁钢桁连续梁在我国尚属首次应用。

2 主桥结构形式

主桥(126+196+126)m下承式连续钢桁梁采用有竖杆平行弦N形桁、中间支点采用上弦加劲桁式，并以二次抛物线过渡，桁高19 m，支点加高16 m，节间长度14 m，主桁中心距为30.0 m，竖向腹杆横断面平面内设吊杆和K撑，见图1～图3。

图1 主桁桁式结构

图2 全桥三维示意

图3 横联结构形式

3 桥面系结构形式的比较

对于客运专线铁路钢桥桥面构造，可供选择的桥面系方案主要有以下4种:①非结合梁;②半结合梁;③全结合梁;④正交异性板。上述4种桥面系构造的主要部件及受力特点见表1。

表1 各桥面系方案的主要特点

非结合梁桥面的主要优缺点有:①横梁受力较大，在外纵梁处应力有突变;②混凝土板可能开裂，可能导致钢构件锈蚀。

半结合梁桥面的主要优缺点有:①因取消了下平纵联，混凝土板提供了较大的横向刚度，可以不设下平纵联，使钢桁梁构造简单，降低了制造难度;②能够减小噪声;③造价经济;④可致混凝土板开裂，导致剪力钉和横梁锈蚀。而剪力钉和横梁锈蚀后的处理非常困难。

全结合梁桥面的主要优缺点有:①桥面板既承担局部荷载，又在整体中作为主梁截面的有效部分，且能代替平纵联，比较经济合理。②结构的竖向刚度和横向刚度大。③横梁面外弯曲应力相对较小。④便于适应弯道超高，能较好地承受离心力。⑤桥面板的拉应力较大，容易开裂。⑥下弦节点处的防水较困难。⑦在全结合梁桥面中，桥面系与主桁下弦杆(或系梁)纵向刚度的如何分配以及变形的协调问题，涉及到横梁面外弯曲和混凝土板中拉应力的大小，直接影响结构的经济合理性。⑧桥面变形控制问题。结合梁中整体道床(无砟轨道)的应用涉及到桥面变形控制，包括前期施工中桥面变形控制和后期混凝土徐变控制。前期变形虽然可以用混凝土厚度来调整，但不能太大。后期变形虽然肯定优于混凝土桥，但由于结合梁桥通常跨度都较大，后期徐变不可忽视。

对正交异性板桥面，往往有3种类型:①由纵梁、横梁、横肋(横隔板)支承的钢桥面板体系;②由纵梁、横梁支承的正交异性钢桥面板系;③下弦杆和钢桥面板结合的密横梁钢桥面板体系。

密横梁钢桥面板体系与密横梁混凝土桥面板体系结构相似，不同之处是把混凝土板改为钢板，而且钢桥面板与主桁下弦杆栓接，参与钢桁梁整体受力。钢桥面板没有混凝土桥面板的伸缩问题、而且温度伸缩系数与主桁一致，横梁面外弯曲效应有所减弱。钢桥面板横向与下弦杆栓接，可以分担下弦杆的一部分拉力，一定程度上可以减小下弦杆的截面尺寸。

采用正交异性桥面板的主要优点有:①受力合理，节约钢材，正交异性板用于实腹梁桥时，正交异性板还可以充实腹梁的上翼缘，既增加了梁的刚度，使桥的建筑高度减小，又节约了钢材(节省了专用于上翼缘的材料)。②重量轻，对软弱地基和抗地震有利。③施工工期短。④维修养护方便。

正交异性桥面板的主要缺点也是明显的，主要有:①噪声大;②制造安装麻烦;③正交异性板焊缝多，有可能出现疲劳开裂。

从以上的分析可以看出，各种结构形式的铁路钢桥桥面构造，具有各自的优缺点。在实际桥梁设计中，对桥面系构造进行选择时，需要考虑的因素有①设计寿命，②桥宽，③承载能力，④跨度，⑤养护维修，以进行综合评价，得到最优桥面结构形式。

针对东新赣江特大桥，初期设计考虑结合梁和正交异性板两种方案。由于本桥结构跨度大，传力途径复杂，且下弦承受较大拉应力(不同于天兴洲桥等斜拉桥的下弦杆受力特性)。若采用混凝土板，势必拉应力过大，出现开裂等现象，并且导致主桁用钢量增加。分析研究表明，采用半结合梁或正交异性钢桥面板的钢桁连续梁竖向、横向刚度均可满足设计要求。半结合梁桥面板经济上具有一定的优势，但随跨度的增加桥面板(纵梁)须设断缝，构造细节复杂，在大跨度钢桁梁结构上，正交异性钢桥面板技术上更加成熟，同时正交异性板桥面系既能减小结构自重，减少主桁用钢梁，又具有良好的耐久性。因此，本桥采用正交异性钢桥面板是合理可行的。

4 正交异性钢桥面板方案的选择

针对东新赣江特大桥四线双桁的构造特点，在采用正交异性钢桥面板时，设计中拟定了“大纵梁、大横梁体系”及“密横梁体系”两种正交异性板桥面结构形式进行比较分析。

4.1 两种方案介绍

1)方案一:大纵梁、大横梁体系

仅在每节间主桁节点处设置一根大横梁，每线铁路下方设置两根大纵梁，全桥设置八道，纵梁跨度与节间长度相同。正交异性钢桥面板和主桁的下弦杆焊连，主桁的箱形弦杆的上水平板加宽400 mm，与厚16 mm的桥面板进行对焊(如图4)。

2)方案二:密横梁体系

每节间主桁节点处设置一根大横梁，每节间范围内增设3根次横梁，次横梁间距3.5 m;每线铁路下方设置两根大纵梁，全桥设置八道。正交异性钢桥面板厚16 mm，与箱形下弦杆的上水平板焊连(如图5)。

图4 方案一:纵横梁示意

图5 方案二:密横梁示意

4.2 两个方案比选

1)静力性能比较

采用有限元分析软件MIDAS，对两个方案在主力组合作用下腹杆、上下弦杆的内力、各杆件截面最大应力及变形进行了计算和对比分析，主要结果列出如表2～表5所示。

从表2～表5可以看出:

①腹杆为面内及面外的拉弯或压弯构件，方案二支座附近腹杆的最大面外弯矩比方案一略小，但其他位置的腹杆，方案一的最大面外弯矩比方案二明显偏小。

②上弦杆主要为面内的拉弯或压弯构件，方案一的最大轴力及弯矩都比方案二略小。

③下弦杆面外弯矩比较小，主要为面内的拉弯或压弯构件，方案一的面内弯矩及扭矩明显比方案二小，尤其是扭矩，方案二明显增大。

表2 主力组合腹杆最大内力

表3 主力组合弦杆最大内力

表4 主力组合各构件截面最大应力

表5 主力组合变形情况表

2)动力特性比较

采用有限元分析软件MIDAS，对两个方案的自振频率及振型进行了计算分析，主要结果对比列出如表6所示。可以看出:两个方案的自振频率比较接近，相差不大。

3)用钢量比较

两个方案的用钢量对比列出如表7所示。可以看出:方案一的用钢量比方案二的稍低。

表6 主力组合变形情况表

表7 用钢量比较

通过以上分析可知，密横梁体系由于横梁承受的桥面荷载产生的内力主要传递至主桁下弦杆，通过下弦杆传递至下弦杆节点，而不能发挥带K撑的横向受力体系的作用，使得主桁腹杆的面外弯矩及下弦杆的扭矩明显增大，同时结构的挠度、梁端转角、主桁用钢量等增大，因而不适用于四线双桁体系。大纵梁、大横梁桥面系能够有效地解决此问题，虽然此方案的端横梁也存在一定程度的共同作用，但是由于桥面较宽，且采用正交异性板结构，因而不增加用钢量。因此，正交异性板钢整体桥面结构方案一(即“大纵梁、大横梁方案”)是四线双桁钢桁连续梁合理桥面系方案。

5 结语

由于正交异性钢桥面板桥面系既能有效减小结构自重，减少主桁用钢梁，避免了混凝土桥面板易开裂的问题，具有良好的耐久性。针对四线双桁钢桁梁的受力特点，正交异性钢桥面板采用“大纵梁、大横梁”方案能有效降低主桁腹杆的面外弯矩及下弦杆的扭矩，从而降低主桁用钢量。因此，“大纵梁、大横梁”的正交异性钢桥面板是客运专线四线双桁大跨钢桁梁桥面系合理可行的选择。

［1］刘桂红，易伦雄.采用正交异性钢桥面板的铁路钢桁梁设计［J］.桥梁建设，2007(2):8-10.

［2］彭月焱.下弦杆和钢桥面板结合的低高度桥面系铁路桁梁桥［J］.国外桥梁，1995(2):105-107.