连盐铁路灌河钢桁拱桥设计.docx

no 3，vol 3jun 20122012 年 6 月第 3 卷 第 3 期高 速 铁 路 技 术high speed railway technology文章编号:16748247( 2012) 03004604连盐铁路灌河钢桁拱桥设计 王国炜( 中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600)摘 要: 连盐铁路灌河特大桥正桥钢梁采用 ( 120 + 228 + 120) m 三跨连续刚桁柔拱桁拱 组 合 体 系，揉 合 了拱桥和下承式桁梁桥 2 种桥梁造型，使整个桥体线型流畅、比例协调、受力合理。文章重点介绍了选择桥型所 遵循的原则、正桥钢梁结构设计、结构静力分析、结构的关键构造、钢梁防腐涂装体系以及钢梁安装等。灌河 特大桥的建造采用新结构、新材料、新工艺的“三新”技术，平顺的轨道支承结构为列车的运行提供了更为平 稳、安全的保障。关键词: 刚桁柔拱桥; 整体钢桥面; 结构分析; 细节设计; 防腐涂装; 钢梁安装中图分类号: u442. 5 + 3文献标识码: adesign of guanhe steel truss arch bridge onlianyungang-yancheng railwaywang guo-wei( china railway fifth survey and design institute group co ，ltd ，beijing102600，china)abstract: the main bridge steel girder of guanhe major bridge on lianyungang-yancheng railway adopts ( 120 + 228 +120) m three-span continuous rigid truss and flexible arch-truss-arch combined structural system，which combines the arch bridge and through truss，making the whole bridge graceful in line，coordinated in proportion and rational in stress this paper presents principle of bridge type selection，design of the main bridge girder，analysis of static structure，key structure of framework，anti-corrosion coating system and girder erection，etc guanhe major bridge adopts new struc- ture，new material and new process，the smooth track supporting structure provides more steady and safer guarantee for the train operationkey words: rigid truss and flexible arch bridge; integral steel deck; structural analysis; detailed design; anti-corrosion coating; steel girder erection461工程概述灌河特大桥位于连盐铁路线，双线 i 级铁路，设计2桥梁型式选择桥型遵循的原则如下:合理: 桥跨布置在满足通航、防洪等净空要求的同速度目标值为 200 km / h，线间距 4. 4 m，在连云港市灌云县田楼镇上跨灌河。灌河是连云港和盐城的界河， 也是 江苏省重要的黄金水 道。 桥址处河面宽约为 500 m，三级 航 道，上 游1 140 m 处 有已建的高速公路 特大桥，其 通 航 净 空 为 140 m 19 m，据 有 关 部 门 记载，高速公路大桥建成后，发生过海轮桅杆撞击事件，为保障通航的安全，主桥桥跨布置: ( 120 + 228 + 120) m。时还要满足结构受力要求。实用: 除满足功能要求外，结构的强度、刚度、稳定 以及旅客乘车的舒适性必须满足规范。经济: 在保证结构的功能和耐久性的前提下，工程 总造价要合理。美观: 桥型布置及结构造型需与周边的环境融合 协调。桥位处地形地质条件较差，需采用跨越能力强、自 重轻、建筑高度低、便于施工的桥式，以降低工程总造 价。考虑与周围景观的协调性，较为合理的桥式，综上收稿日期: 2011-11-03作者简介: 王国炜( 1971-) ，男，高级工程师。王国炜: 连盐铁路灌河钢桁拱桥设计第 3 期2012 年 6 月所述桥梁主体选用钢桁连续梁，具体比较了以下 3 个方案，如图 1 图 3 所示。方案 一: ( 120 + 228 + 120 ) m 连 续 刚 桁 柔 拱 桥 ( 图 1) 。表 1各方案技术经济比较90 + 36， 劲，受力合理，图 1 连续刚桁柔拱桥( 单位: m)设施，施工简边跨 最大静活载竖向位移为 64 mm，挠 跨 比1 /1 875; 中跨最大 静 活 载 竖 向 位 移 为 79 mm，挠 跨 比 为1 /2 886。拱肋 1 /4 跨度处最大静活载挠度为 24. 3 mm，最 小静活载挠度为 52. 3 mm，绝对值之和为 76. 6 mm， 小于 l /800 = 285 mm。方案 二:( 图 2) 。( 108 + 228 + 108 ) m连 续 钢 桁 拱 桥图 2 连续钢桁拱桥( 单位: m)( 120 + 228 + 120) m 刚桁柔拱连续钢桁桥。4 连续钢桁拱桥设计47边跨最 大 静 活 载 竖 向 位 移 为 61 mm，挠 跨 比 为1 /1 770; 中跨最大 静 活 载 竖 向 位 移 为 81 mm，挠 跨 比 为1 /2 815。拱肋 1 /4 跨度处最大静活载挠度为 39. 1 mm，最 小静活载挠度为 71. 2 mm，绝对值之和为110. 3 mm， 小于 l /800 = 285 mm。方案三: ( 36 + 90 + 228 + 90 + 36 ) m 连 续 钢 桁 斜 拉桥( 图 3) 。4 1概述正桥钢梁( 120 + 228 + 120) m 三跨连续刚桁柔拱桥，钢梁理论长 468 m，全桥实际长度 470 m( 包括端纵梁) ，两侧边跨为平弦桁梁，中跨为刚性梁柔性拱组合 结构。主桁桁式为“n”形，桁高 15 m，桁宽 13. 5 m，节间长度边跨及中 跨 跨 中 12 个 节 间 为 12 m，中 跨 靠 近中支点处的 6 个 节 间 距 为 13 m; 中间支点处设加劲 弦，加劲弦高 15 m。拱肋采用圆曲线，矢高 39 m，矢跨176 m，矢跨比 为 1 /4. 5，拱 肋 在拱脚与加劲弦杆件通 过节点相连。加劲弦的设置增加了支点处桁高，同时与拱肋匀顺过渡连为一体。桥式新颖，结构受力合理，线形简洁流畅( 如图 1) 。图 3 连续钢桁斜拉桥( 单位: m)4 2结构计算三跨 最 大 静活载位移分别为 4mm、27 mm、4 2 1 恒载( 1) 一期: 含主桁、桥面系、联结系等，考虑相应的 构造系数，重量取 220 kn / m。( 2) 二期: 含钢轨、道砟、挡砟墙、员工走道等附属 设施，重量取 210 kn / m。( 3) 基 础 沉 降: 主墩基础不均匀沉降按 2. 0 cm考虑。206 mm，挠跨比分别为1 /9 000、1 /3 333、1 /1 107。3各桥式方案的比选各方案技术经济比较如表 1 所示。综上比较结果，刚桁柔拱桥较钢桁拱桥每延米的用钢量及梁端转角均略小，整体刚度稍大，施工架设更为便捷。斜拉桥虽梁部用钢量少，但其纵、竖向自振特 性 较刚桁柔拱桥有明显劣势 。最 终 方 案 确 定 采 用4 2 2设计活载( 1) 列车活载: 中 活载，两线按规范考虑 0. 9 的项目连续刚桁柔拱桥连续钢桁拱桥连续钢桁斜拉桥桁高( m)151413 5拱底至拱脚( m)6967跨度布置( m)120 + 228 + 120108 + 228 + 10836 + 90 + 228 +轨底到梁底高度( m)2 52 52 5体系特点外形美 观，梁 拱 组合体 系，受 力 合理，梁 端 转 角 小较 同 等 跨 度 梁 其竖向 刚 度 大 对抗震、抗 风 有 较高要求造型挺拔、刚施工与成桥的 受力一致施工难度边 跨 在 支 架 上 施工，中 跨 先 梁 后拱，施工简单边 跨 在 支 架 上 施工，中 跨 拱 梁 同时进 行，施 工 较复杂施工时不需要 大规模的临时单，速度快对航道影响较小较小较小中跨竖向挠度允许值l /750l /750边跨竖向挠度允许值l /900l /900梁端竖向转角1 8241 9050 25一阶自 振频率 ( hz)横向0 4910 4690 498纵向0 6940 6500 343竖向1 2291 1260 641桥梁振动性能好较好在限值内行车舒适性竖向优或良优或良优或良横向良良或合格良桥长( m) / 用钢量( t)470 /12 999446 /12 885482 /9 991工程投资( 含下部) ( 万元)24 820 724 579 528 028王国炜: 连盐铁路灌河钢桁拱桥设计第 3 期2012 年 6 月折减系数，考虑相应的冲击系数。( 2) 列车的摇摆力: 横向摇摆力取 100 kn，作为一 个集中荷载取最不利位置，以水平方向垂直线路中心 线方向作用于钢轨顶面( 仅需考虑一线摇摆力) 。( 3) 疲劳荷载: 按一线中 活载加载，考虑相应的疲劳冲击系数。( 2) 支承反力恒载组 合 反 力: 端 支 点 = 7 776. 5 kn，中 支 点 =43 771. 8 kn;主力组 合 最 大 反 力: 端 支 点 = 13 044. 4 kn，中 支 点 = 60 046. 9 kn。( 3) 运营阶段杆件强度( 如表 2 所示)表 2 运营阶段杆件应力表( 单位: mpa)4 2 3附加力( 1) 风 荷 载: 施 工 阶 段、行车状态和大风无车状 态。基本风压值按连云港地区风压取 700 pa。( 2) 温度荷载系统温差: 分别按体系升降温 35 考虑; 桥面温差: 按桥面板( 混凝土道砟槽) 升降温10 考虑;高度方向温差: 按桥面以上桁拱升降温5 考虑。( 3) 列车 制 动 力: 取列车竖向静活载的 10% 计。 但当与列车竖向动力作用同时计算时，取列车竖向静 活载的 7% 。注: 表中应力受拉为正，受压为负。( 4) 桥梁刚度( 如表 3 所示)表 3 活载作用下变形4 2 4施工荷载注: 表中位移向上为正，向下为负。施工临时荷载、风荷载、支承点的升降位移等。主要考虑 2 种控制工况，即主梁最大悬臂和拱肋 合龙阶段。( 1) 大悬臂 阶 段: 在 中 跨 距 中 支 点 102 m 的 上 弦 节点作用 一 200 t 的 吊 机，中 跨 0. 5 t / m 的 安 装 临 时荷载。( 2) 拱肋合龙阶段: 除考虑杆件自重外，还在中跨 跨中 2 个节间加 60 t 的安装临时荷载。4 2 5 荷载组合恒载组合: 恒载 + 支座沉降;主力组合: 恒载 + 支 座 沉 降 + 0. 9 火 车 活 载 + 摇 摆力;主 + 附组合: 主力 + 制动力;主 + 附组合: 主力 + 风力;主 + 附组合: 主力 + 次应力 + 制动力( 或风力) ; 疲劳组合: 恒载 + 支座沉降 + 疲劳荷载; 钢梁的安装组合: 主力;钢梁的安装组合: 主力 + 风力。4 2 6 主要计算结果( 1) 采用程序 midas 建模 除桥面板采用板单元外，其余杆件均用梁单元模拟，全桥共 3 646 个 梁 单 元，1 064 个 板 单 元。全 桥 模型如图 4 所示。( 5) 自振特性本方案一阶横向自振频率为 0. 491 hz，一阶纵向 自振频率为 0. 694 hz，一阶竖向自振频率为1. 229 hz。桥梁的振动位移和加速度均在限值以内。4 3 结构设计及关键构造4 3 1 主桁 主桁上、下弦及拱肋杆件均为箱型截面，腹杆采用“h”形或箱形，吊杆为箱形截面。除杆力大的中间支 承节点 和 拱与系杆相交的特殊节点处的杆件采用 q420qe 外，大部分主桁杆件和桥面系等其它构件均采用 q370qe。主桁杆件的最大杆力约 4 260 t。主桁的拼接采用 m30 高强螺栓。主桁采用整体节点( 即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) ，拱肋 处 节 点 由 于采用整体节点，使 得 节 点 板 较大，拼接缝离节点中心较远，杆件间的夹角较大，若采 用在拼接缝中心弯折的做法，会使杆件产生过大的附 加弯矩。为了保持节点间杆件顺直，弯折点设在节点中心，使拱肋的实际线形与设计线形更加接近，以减少杆件的附加弯矩。主桁与桥面系的连接为本桥关键结构，也是重要 的构造细节和制造难点。设计中将箱形的下弦杆上水平板加宽 510 mm，伸 过 弦 杆 竖 板 与 16 mm 厚 的 桥 面 顶板以不等厚对接焊连，遇主桁节点，在弦杆的上水平 板上开槽，让节点板从槽中穿出，使节点板保持为一个整体。节点板与下弦杆上水平板处为围焊缝，节点板两侧及开槽的端部以熔透焊缝与弦杆上水平板焊连， 这样能使桥面板更有效地和下弦杆、主桁节点板连接48图 4 计算模型图位置主梁跨中挠度 ( mm)挠跨比梁端转角 ( )拱肋 1 /4 跨挠度 ( mm)挠跨比中跨 901 /2 5331 8maxmin1 /2 303边跨 651 /1 84630 66项目下弦上弦竖杆斜杆拱肋吊杆主力 组合max146 0158 1190 6137 8 94 7136 4min 94 1 171 0 111 7 147 7 181 037 1主 + 附 组合max156 2163 7228 7142 1 91 5144 0min 107 0 177 7 117 1 152 6 192 137 8王国炜: 连盐铁路灌河钢桁拱桥设计第 3 期2012 年 6 月在一起，共同受力。在制造过程中需严格按照施工规则和施工工艺确保焊接和加工质量。主桁平弦的预 拱 度: 恒 载 + 1 /2 静活载挠度曲线 值反向设置。在上弦节点设置不同的伸缩值，迫使下 弦节点起拱。拱肋以折代曲尽可能地接近设计线形， 通过调节竖杆的长度，以确保桥梁的线形。4 3 2 桥面系设计 行驶的列车要求具有较高的桥面刚度和轨道顺直平稳，桥面不宜设置断缝。可采用的桥面形式有纵、横 梁结合的整体道砟混凝土桥面和纵、横肋组成的正交 异性钢桥面。通过研究计算，由纵、横梁结合的整体道 砟桥面由于横梁产生较大的面外弯矩，使结构设计难 度加大，且采用结合梁方式，由于恒载加大，结构的用 钢量相应地增加。因此采用由纵、横肋组成的正交异 性钢桥面板，它和主桁的下弦杆焊接成一体，组成板桁 新结构，使桥面板直接参与弦杆的受力，均匀地传递下 弦平面的内力。既改善桥面系的受力状况，同时取消 下平联、伸缩纵梁及制动架，节省钢料，又保持了桥面 结构的连续完整和行车的平顺。整 体钢桥面采用多横梁小纵梁正交异性板，在16 mm的桥面顶 板 之 下，横 桥 向 每 隔 600 mm，焊 有 厚8 mm 的 u 形 纵 肋。 在每条线路的 轨 道 之 下 焊 有500 mm高的倒 t 形纵梁，遇横梁、横肋的腹板 时 开 孔 穿越。顺桥向每隔 3 m( 12 m 节间) 、3. 25 m( 13 m 节 间) 设一道倒 t 形 横 肋。横 梁、横肋的高度与主桁下 弦杆相等。钢桥面板分块制造和安装。各块件在工厂制造时 均为焊接连接。工地安装时，除桥面板为熔透焊接外， 其余的纵、横向连接均采用 m24 高强螺栓。时墩的方法先安装刚性梁、再安装柔性拱的独特工法，钢桥面与平弦主桁同步安装。既降低了安装难度，又 节省了施工临时设施费用。7钢梁防腐按照铁路钢桥保护涂装( tb / t 1527 2004) 要求的第 7 体系进行。杆件外表面及桥面板底面和顶面外露部分的钢表 面清理、干膜厚度、涂层质量、施工工艺等需严格按照铁路钢桥 保 护 涂 装及其附录的技术 要 求。混 凝 土 道砟槽底面的钢板现场焊接抗剪栓钉后，表面清理，涂 装完成后绑扎钢筋浇筑混凝土桥面板。高强度螺栓拼 接摩擦面，表面清理后电弧喷铝，栓接表面满足抗滑移 系数试验值。高强度螺栓施拧完毕后，用封孔剂封孔 后加涂相应的配套涂料。钢梁组装后，栓接点外露的 铝涂层表面按照铁路钢桥保护涂装规定办理。结语灌河铁路特大桥揉合了拱桥和下承式桁梁桥 2 种 桥梁造型，整个线型流畅，比例协调，受力合理。灌河 特大桥具有新结构、新材料、新工艺的“三新”技术，特 别是由钢桥面及混凝土道砟组成的整体结构具有较高 的横向、竖向刚度及足够的抑振质量、平顺的轨道支承 结构为列车的运行提供了更平稳、安全的保障。参考文献:8491陈列，郭建勋，李小珍 高速铁路钢系杆拱桥m 北京: 中国铁道出版社，2010chen lie，guo jianxun，li xiaozhen high speed rail steel tied archbridgem beijing: china railway publishing house，2010吴冲 现代钢桥m 北京: 人民交通出版社，2006wu chong modern steel bridges m beijing: communicationspress，2006中铁第五勘察设计股份有限公司 灌 河 特 大 桥 初 步 设 计z 北 京: 中铁第五勘察设计股份有限公司，2010china railway fifth survey and design institute group co ，ltd thedesign of guanhe bridge preliminaryz beijing: china railwayfifth survey and design institute group co ，ltd ，2010西南交通大学 灌河特大桥车桥耦合动力仿真分析报 告r 成 都: 西南交通大学，2010southwest jiaotong university axle coupled dynamic simulation ofguanhe bridger chengdu: southwest jiaotong university，2010 中铁第