厦深铁路榕江桥主桥设计及优化

张杰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

厦深铁路榕江桥主桥设计及优化

张杰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

厦深铁路榕江桥主桥采用(110+2×220+110)m连续钢桁柔性拱组合结构。主桁采用整体节点，桥面采用正交异性板钢桥面。本文主要介绍了该桥的结构设计以及新型垫层、钢桥面构造等结构的优化设计。

钢桁柔性拱 整体节点 正交异性板钢桥面 新型垫层

1 工程概述

厦深铁路榕江特大桥全长7.373 km，于里程DK218+586.5—DK219+456.5跨越粤东潮汕平原的第二大河流榕江，与榕江近乎正交。榕江为通航万吨级海轮航道，该航道跨河建筑物由万吨级海轮控制;通航水位及桥梁净跨180 m，净高38 m，大桥设双向通航［1］，最高通航水位H=2.956 m。

2 主要技术标准

榕江特大桥为双线有砟高速铁路，线间距为4.6 m，设计时速250 km/h，最大纵坡6‰，设计活载为ZK活载，主桥平面位于直线上，立面位于平坡上，不受竖曲线的影响。

3 主桥设计及优化

3.1 总体布置

榕江特大桥主桥为孔跨布置(110+2×220+110)m的钢桁柔性拱桥，边跨与中跨之比为0.5，钢梁全长662 m，梁端距支座中心1.0 m。主桥孔跨布置如图1。

主梁采用有竖杆N型三角桁式，节间长度11 m，其中边跨10个节间，中跨2×20个节间;桁高15 m，斜腹杆倾角53.7°;拱轴线采用二次抛物线形，矢高(上弦以上)44 m，矢跨比为1/5。

采用两片主桁，主桁中心距15 m，纵向平联均为交叉形布置，每隔一个节间设置一道横联(桥门)，拱脚处节间加设桥门架，均采用两格横联;吊杆为箱形截面，中间不设置横撑。典型横断面图如图2，1/2主桁三维图如图3。

3.2 主桁

弦杆及拱肋的基本截面形式为“□”形箱形截面，内设加劲肋。根据结构受力，弦杆的宽度做了一次改变，加劲弦以外的上下弦杆内宽850 mm，其它部分内宽1 050 mm，杆件内高1 260 mm。拱肋及加劲弦承受巨大压力，杆件内高由拱顶1 260 mm渐变至拱脚1 860 mm，杆件内宽1 050 mm。最大板厚56 mm，最大节点质量54.9 t。

图1 主桥孔跨布置(单位:m)

腹杆基本截面型式采用H形截面，与主桁节点采用插入方式连接;部分受拉较大的腹杆采用王字形截面，与主桁节点采用三面拼接;个别压力较大的腹杆采用箱形截面，与主桁节点采用四面对接的方式连接。

图2 典型横截面(单位:m)

图31 /2主桁三维图

主桁采用整体节点焊接工艺，主桁间弦杆、腹杆等的连接，弦杆与联结系的连接均在节点中心之外。整体节点上连接关系复杂，孔群密集且精度要求高，对制造要求高。该技术在原栓焊结构的基础上，采用了多焊少栓的原则，减少了高强度螺栓的数量，钢梁出厂时散件少，节点外拼接的操作条件得到改善，也使工地安装方便起来。整体节点的成功采用使得焊接不但用于构件组成，也用于构件间的连接，不但节省钢材，降低投资，而且使结构质量更加容易保障。

3.3 桥面

3.3.1 桥面形式的优化设计

传统的正交异性板整体桥面是由顶板和焊接于顶板上的纵向及横向加劲肋组成。对于纵向加劲肋而言，主要包括倒T形纵梁、U肋及I肋。倒T形纵梁主要布置在轨道下方;U肋主要布置在道砟槽范围内;I肋布置在桥面受力较小的人行道板范围内。

本桥同样采用正交异性板整体桥面，但是不同之处在于本桥在道砟槽范围内采用合理密布U肋的形式，弱化了纵梁的作用，从而用U肋代替纵梁，同样达到了效果并减少了纵肋的截面形式。钢桥面横截面图如图4。

3.3.2 桥面垫层的优化设计

传统钢桥面系与道砟之间的垫层采用钢筋混凝土层，一般该垫层由三部分组成，首先是通过剪力钉与钢板结合的150 mm厚度钢筋混凝土层，其次是防水层，最后是60 mm厚的纤维网混凝土保护层，混凝土层总厚度210 mm左右。

图4 钢桥面横截面(单位:m)

这种垫层的混凝土板连续长度不宜过长，一般在一定长度内设置断缝，混凝土板一般作为垫层不参与整体受力，由于混凝土板自重较重，增加了结构负担，以21 cm厚混凝土板为例，双线铁路每延米恒载增加约50 kN。

本桥中，道砟与钢桥面板之间采用轻质垫层体系，其组成为MMA(甲基丙烯酸甲酯)高性能防水体系及厚度为5.0 cm的CAP(Concrete with Adhesive Pads—混凝土黏着垫板)高黏着轻质防护垫层［2］。该垫层在国内铁路桥梁上尚属首次采用。

CAP高黏着轻质防护垫层由AP高黏着垫板和C40聚丙烯纤维网混凝土组成，总厚度5.0 cm，在水平方向可以连续拼接。混凝土为现浇或预制，表面有两种型式，表面带凹坑或嵌入石子。AP高黏着垫板的摩擦系数不低于1.6。如图5～图7。

1)CAP高黏着轻质防护垫层的主要特点［2］

图5 摩擦系数可以高达2.0的AP防滑垫板

图6 CAP轻质高黏着防护垫层断面

图7 CAP高黏着轻质防护垫层示意(表面带凹坑或嵌入石子)

①荷重轻，约1 kN/m2，是21 cm厚剪力钉混凝土联结防护层的1/5，减重达4.5 kN/m2;②施工简单，即可现浇，也可预制;③现浇型先铺设AP高黏着防滑垫板，只需简单铺设拼接，稍加施压，该垫层即可自黏于桥面之上，然后即可浇筑混凝土;④预制型无需等待固化，铺设后可立即铺设有砟道床，随着道砟荷重的增加，黏着力越来越强;⑤AP高黏着防滑垫板与防水体系的联结依靠黏着力，压力撤除后，用手即可揭起AP防滑垫板，因此不会连带撕裂防水体系;⑥耐磨防护层由纤维加强的C40混凝土构成，耐磨抗裂，表面嵌有石子或设有凹凸，与道砟的啮合能力强，接触条件好，不易粉化;⑦所采用的材料防水、防蛀、防霉，耐候性好，天然环保;⑧检修翻新十分方便，清除道砟后，高黏着防滑垫板用手即可揭起，更换新垫层和道砟;⑨具有一定的减振降噪辅助作用，预计可以降低钢桥的二次噪声5 dB左右;⑩若在CAP轻质垫层中添加一层高弹性材料，构成CEAP即可构成高黏着弹性防护垫层，其减振降噪效果可以提高至10～15 dB，采用CEAP垫层的减振道床与采用CAP轻质垫层的道床在施工、检修和养护方面几乎没有区别，可以根据环保要求日后相互替换。

2)CAP高黏着轻质垫层的经济性

①榕江桥钢梁全长662 m，槽内宽9 m，以6 000 m2的铺设面积计算，采用普通21 cm厚混凝土道砟槽板每平方米荷重达5.5 kN，采用CAP高黏着轻质防护垫层荷重只有1 kN，减少桥面荷重27 000 kN，节省C40钢筋混凝土960 m3及主桁用钢量1 300 t。②节省剪力钉约5万个及其焊接和质检工作。③CAP高黏着轻质防护垫层的造价约为每平方米280元，总造价为168万元。④除此之外，如果采用预制CAP高黏着轻质垫层，与传统混凝土道砟槽板相比，可节省现浇施工周期及养护周期。

3.4 联结系

纵向平联采用交叉式结构，包括上弦平联及拱肋平联两部分。纵向平联大多采用H形截面的杆件，基本尺寸为翼板宽420 mm，腹板外高420 mm，翼板厚16～32 mm，腹板厚12～24 mm。

每两节间设置一道横联或桥门架，边跨及中跨均为半框横联，横向为两格。横联的基本截面为H形截面，为外高420～440 mm，翼板宽400～440 mm，腹板厚12～28 mm，翼板厚16～40 mm。

3.5 吊杆

吊杆采用截面刚度较大的箱型截面，内宽800 mm ×1 050 mm，板厚12 mm与16 mm。本桥地处广东汕头地区，常年受热带风暴影响，桥位处基本风速比较高，最长吊杆理论长度为44 m，吊杆的抗风性能尤其值得关注。

动力特性分析表明，长吊杆构件沿横桥向和顺桥向的振动频率都比较低。以半跨对称结构而言:最长的G20A20吊杆两端固结模型在强轴和弱轴方向的频率分别为4.15 Hz和3.21 Hz［3］，很容易在强风的作用下引起振动;驰振稳定性试验表明，吊杆GnAn(n=16～20)在弱轴方向的驰振稳定性不满足公路桥梁抗风规范的要求;箱型吊杆的阶段模型颤振稳定性风洞试验表明，所有吊杆的颤振稳定性满足抗风要求;吊杆节段模型涡激振动风洞试验表明，吊杆GnAn(n=16～20)在强轴与弱轴方向的涡激共振起振风速都低于设计基准风速。因此比较研究了不同振动控制措施对吊杆的风振控制作用后，最终采用安装TMD阻尼器的机械减振措施方案提高吊杆构件的风振稳定性。吊杆GnAn(n=16～20)在强轴和弱轴方向都需要安装TMD减振阻尼器。

4 受力特性

4.1 静力特性

按双线ZK活载共同作用计活载时，钢梁边跨静活载挠度50.5 mm，静活载挠跨比1/2 178，梁端转角1.86×10－3rad;钢梁中跨静活载挠度68.2 mm，静活载挠跨比1/3 225。

主力作用下主桁各部位的内力如表1。

表1 主力作用下主桁各部位的内力kN

表1为平面计算时的主桁内力，基本反映了主桁的内力分布情况。由表1可知，拱肋及加劲弦为主桁受压较大的部位，最大压力出现在加劲弦处，达－37 143 kN，中跨系梁及中支点上弦为主桁受拉较大的部位，最大拉力出现在中支点上弦处，达21 479 kN。

4.2 动力特性

钢桁梁杆件，包括上下弦杆、腹杆、横撑、斜杆及拱肋等均采用空间梁单元模拟。下层正交异性整体钢桥面按“梁格法”简化处理。成桥状态有限元模型如图8。

表2、表3、表4分别列出主桥的部分自振特性分析结果、桥梁动力响应最大值及车辆响应最大值。

表3表明，运营阶段，列车过桥时，桥梁(桥面)纵向加速度均<3.5 m/s2，横向加速度均<1.5 m/s2，列车过桥时桥梁的安全性是有保障的。

图8 成桥动力计算有限元模型

表2 桥梁自振特性

表3 桥梁动力响应最大值汇总

表4 车辆响应最大值汇总

表4表明，在无风状态下，德国ICE3动力分散式高速列车在160～300 km/h、CRH2动车组在160～250 km/h运行速度下，桥梁的各项动力性能均满足指标要求，列车行车安全性得到保障;CRH2动力分散式动车组在速度为160～250 km/h时，列车运行舒适性能达到“优”或“良”以上;德国ICE3高速列车作用下，在速度为160～300 km/h运行时，行车舒适度均达到“良好”标准以上，列车运行的舒适性满足要求［4］。

5 结语

厦深铁路榕江桥主桥主跨为跨度达220 m的连续钢桁梁柔性拱，在亚洲同类型桥梁中位居第一。桥面优化了纵向构造，方便加工制造。在国内铁路桥梁中，桥面系垫层首次采用5.0 cm厚的CAP高黏着轻质防护垫层代替传统的混凝土道砟槽板，减轻了桥梁自重。主桥的施工设计及配套附属工程设计已经完成，施工现场已开始钢梁的安装架设。

［1］广东省航道局.厦深铁路跨榕江特大桥通航净空尺度和技术要求论证研究报告［R］.广州:广东航道局，2007.

［2］中铁第四勘测设计院桥梁处，隔而固(青岛)振动控制有限公司，青岛科而泰环境控制技术有限公司.关于厦深铁路榕江桥钢桥面采用轻质防护垫层的可行性报告［R］.武汉:中铁第四勘测设计院，2009.

［3］湖南大学风工程试验研究中心.榕江特大桥吊杆风致振动风洞试验研究报告［R］.长沙:湖南大学，2010.

［4］西南交通大学.厦深铁路榕江特大桥主桥风—车—桥耦合振动动力分析报告［R］.成都:西南交通大学，2009.

U442.5+4

B

1003-1995(2011)02-0029-04

2010-08-19;

2010-11-01

张杰(1979—)，男，山东日照人，工程师，硕士。

(责任审编 王天威)