高速铁路跨度132 m再分式简支钢桁梁设计研究

乔雷涛

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 工程概述

西安至成都高铁是川渝地区经西安北出至首都北京的快速客运通道，是西部地区快速客运系统主骨架之一。西安北至江油段线路长度509 km，其中陕西省境内343 km，四川省境内166 km。本项目地质条件复杂，桥隧比占线路总长的90.8%，属于典型的山区高速铁路[1]。

根据线路的要求，西成高铁需同时上跨跨越西宝高铁及福银高速，桥址处福银高速路面宽40 m，西宝高铁设(54+90+54) m连续梁跨越福银高速，西成高铁与西宝高铁夹角14.2°。在不影响高速铁路及高速公路正常运营的前提下，经方案比选[2]，最终采用1-132 m再分式简支钢桁梁[3-5]，采用横移施工方案有效降低了施工对既有线的干扰，见图1。

图1 桥位实景

桥梁设计活载为ZK活载，设计时速250 km，桥面铺设无砟轨道，二期恒载140 kN/m(不包含30 cm厚桥面板)，双线间距4.6 m，位于R=7 000 m的圆曲线上，地震动峰值加速度为0.2g，地震动特征周期Tg=0.47 s。

2 关键技术问题

本桥的关键技术问题主要包括钢桁梁梁部刚度的控制、满足无砟轨道行车要求采取的措施以及正交异性板纵肋形式的比选研究等。

2.1 刚度的控制

采用无砟轨道的高速铁路对桥梁刚度、梁端转角均有更高的要求，而通过增加桁高能有效提高钢桁梁桥的刚度，但是钢桁梁的桁高增加后腹杆长度增长，腹杆长细比很难满足规范要求。经比选多种方案后最终提出了一种再分式钢桁梁的结构形式，相比传统的三角形腹杆体系钢桁梁，采用再分式钢桁梁可有效降低腹杆在桁架平面内的有效长度，从而在基本不增加腹杆截面的情况下即可满足长细比的要求。由于再分式钢桁梁桁高较高，可提高桥梁的刚度、减小梁端转角，从而降低上下弦杆的截面高度，减少桥梁的用钢量，使得钢桁梁的设计更加经济合理。再分式钢桁梁结构较系杆拱、钢箱梁等桥式结构具有更低的桥面结构高度，从而降低线路总体高度，减少工程投资[6]。

2.2 梁端过渡梁的设置

本桥采用再分式桁架结构后梁端最大转角减小为1.8‰。铺设无砟轨道的条件下，本桥梁端转角仍不能满足1‰，为适应无砟轨道行车要求，本桥和邻跨的简支梁之间设置了过渡梁，通过梁端增设过渡梁结构调节梁端变形，可减小梁端转角及梁端竖向变形对轨道扣件受力影响及轨道变形，可有效改善轨道的不平顺性，使得轨道扣件系统满足受力的要求，最终大大降低列车行进过程中的安全隐患[7-9]。

过渡梁结构采用的具体技术方案为：在梁顶两侧桥梁支座对应位置处设置过渡梁小吨位支座，支座分别采用固定支座及纵向活动支座，保证过渡梁横向支点位移不大于1 mm，支座上方安装与轨道板同宽的40 mm厚钢板，钢板上浇筑混凝土，混凝土与钢板之间通过剪力钉实现有效连接，最终形成一种新型的过渡梁结构。过渡梁立面布置见图2。

图2 过渡梁立面布置

2.3 正交异性板纵肋形式比选研究

正交异性板整体桥面，由纵肋(梁)、横肋(梁)及其加劲的钢桥面板组成。桥面结构的横肋(梁)与桥面板和主桁的下弦杆焊接在一起组成板桁组合结构。

对3种不同形式的纵肋进行了对比分析：(1)纵肋全采用T肋；(2)纵肋全采用U肋；(3)纵肋采用U肋与T肋相结合的形式，仅在轨道下方放置4个倒T肋，见图3。关于桥面板的有效计算宽度，参考了日本《道桥示方书》中推荐的主梁翼缘和钢桥面板纵横肋的有效计算宽度简化近似计算方法[10]。

图3 不同形式纵肋加劲正交异性板桥面方案

研究表明：3种桥面系，挖孔处的主拉应力，全T肋、全U肋、U肋+T形小纵梁的挖孔处主拉应力依次减小。全T肋挖孔处主拉应力达到1200 MPa，全U肋挖孔处主拉应力355 MPa，U肋+T形小纵梁孔处主拉应力280 MPa。桥面系纵肋采用全T肋时应力最大，桥面板的应力波动也较大。对于全U肋桥面系和U肋+T肋桥面系这两种形式的桥面刚度及应力基本相当，而U肋+T肋桥面系的桥面应力表现得更稳定，最终本桥纵肋采用U肋与T肋相结合的形式。

通过调整U肋高度、钢桥面板厚度、U肋厚度和横梁腹板厚度等不同设计参数，最终选取了使得桥面系的受力性能达到最优的合理参数，即U肋高260 mm、桥面板厚16 mm、U肋厚8 mm，建议在今后正交异性板桥面系的设计中可以优先选用该参数组合[11-12]。

3 结构设计

3.1 主桁结构形式

本桥位于半径为7 000 m的圆曲线上，按直线梁外包设计，主桁采用正三角内置倒三角的再分式桁架结构，主桥全长134 m，计算跨径132 m，桁高20 m，节间长度11 m，总共12个节间，两片主桁中心距为13.9 m。主桁立面布置及横断面分别见图4、图5。

图4 主桁立面布置 (单位：cm)

图5 钢桁梁横断面布置 (单位：mm)

3.2 主桁杆件

上、下弦采用箱形截面，截面高1 350 mm，内宽1 100 mm，板厚24～44 mm。端腹杆及相邻的两个斜腹杆采用箱形截面，箱形斜杆内宽1 100 mm，高860～1 000 mm，板厚32～44 mm，其余腹杆均采用H形截面，截面腹板高1 100 mm，翼缘板宽760～860 mm，板厚28～32 mm，杆件截面见图6。主桁采用整体节点技术，杆件和节点板均在工厂完成，所有主桁杆件与节点板均采用对接方式进行现场拼接。

图6 钢桁梁主桁杆件截面 (单位：mm)

3.3 联结系

上弦杆平面内设置交叉式上平纵联。端横撑采用箱形截面，截面高420 mm，宽460 mm，其余横撑和交叉斜杆均采用H形截面，横撑高420 mm，宽440 mm，交叉斜杆高420 mm，宽420 mm，横撑及交叉斜杆的腹板厚均为12 mm，翼缘板厚均为16 mm；所有杆件均采用对接方式连接。

横联和桥门架均采用交叉式横向联接，在端斜杆平面内设桥门架，每隔22 m设置1榀横联，桥门架及横联沿桥跨中心对称设置。杆件均为H形截面，高420 mm，宽400 mm。腹板厚均为12 mm，翼缘板厚均为16 mm。所有杆件均采用插入式连接。

3.4 桥面系

本桥采用正交异性板整体钢桥面，钢桥面由桥面板、横梁、横肋、纵梁及纵肋5部分组成，钢桥面板上现浇钢筋混凝土桥面板，用栓钉与钢桥面板结合，采用预埋件与无砟轨道连接。

钢桥面板厚16 mm，直接承受桥面荷载，同时作为纵梁、纵肋及横梁、横肋的上翼缘，桥面板与纵梁、纵肋、横梁及横肋焊连，并沿纵向分割成段，运至工地进行拼接焊连。其下设置15道U肋，U肋间距600 mm，U肋高260 mm，顶宽300 mm，底宽207 mm，U肋板厚8 mm。全桥在轨道之下共设4道倒T形小纵梁，纵梁腹板高468 mm，厚12 mm，下翼缘宽280 mm，厚16 mm。另外在桥面板两侧设置2道高250 mm，厚14 mm的I肋，纵肋和纵梁全桥连续，遇横梁腹板时则开孔穿过，见图7。

图7 纵梁、纵肋遇横梁腹板开孔大样(单位：mm)

本桥端横梁采用箱形截面，截面腹板高1 350 mm，厚20 mm；底板宽800 mm，厚32 mm。节点横梁采用倒T形截面，腹板高1 350 mm，厚16 mm，下翼缘宽600 mm，厚32 mm。每个节间设置3道横肋，横肋间距2 750 mm，横肋腹板高1 350 mm，厚14 mm，下翼缘宽460 mm，厚26 mm。

3.5 材料类型及主要工程数量

钢桁梁主桁、桥面板及纵肋、横梁采用Q370qE级钢，桥门架、横联及上平纵联采用Q345qE级钢， 辅助结构采用Q235钢材。

螺栓采用性能等级为10.9S，主桁采用M27高强度螺栓，桥面系采用 M22/M24高强度螺栓，联结系采用M24高强度螺栓。主体结构工程数量见表1。

表1 钢桁梁主体结构工程数量

4 结构计算

4.1 计算模型及建模注意事项

计算采用MIDAS Civil2012软件建立了平面模型及三维模型，采用平面模型计算主桁杆件，采用空间模型计算桥面系及联结系，最后进行了施工过程的模拟。

平面计算模型共197个单元，全部为梁单元，见图8。由于本桥桥面采用带纵、横肋的正交异性板结构，结构下弦承受由横肋传来的竖向荷载，平面计算中在下弦每个横梁横肋处与下部虚梁连接，二期恒载、活载通过虚梁传递到下弦。本桥的横肋与下弦相连，桥面荷载从两个途径传向节点：(1)桥面板—纵肋—横梁—节点；(2)桥面板—横肋—下弦—节点。通过空间模型横梁及下弦的剪力对比分析，横梁分担荷载约占全部桥面荷载的1/3，横肋占2/3，二期恒载和桥面荷载均按本比例进行加载。另外，在采用平面模型时要考虑桥面系纵向参与面积来计算下弦杆件，对于密布横梁体系的下弦杆件的弯矩要按主力计算，桥面系纵向参与系数一般在45%～65%，纵横梁体系参与程度较高，密布横梁和多横梁体系参与系数较低。本桥的桥面系参与系数为45%。

图8 主桁平面模型

空间计算模型共6 896个单元，全部为梁单元，见图9。采用日本规范对桥面有效宽度的规定计算纵梁纵肋以及横梁横肋的有效截面来建立桥面系，对于活载的加载方式通过活载作用范围内U肋，T肋处伸出较长的虚拟吊杆，吊杆下连接虚梁，活载在虚梁上加载，活载通过虚梁和吊杆传递到桥面系，吊杆和虚梁的刚度要尽量小一些，可取钢梁刚度的一半，吊杆的刚度要大于虚梁的刚度。

图9 主桁空间模型

4.2 静力分析结果

(1)刚度分析

在静活载作用下，跨中最大竖向位移值为44.6 mm，挠跨比1/2 960<1/1 000；梁端最大转角为1.8‰。为适应无砟轨道行车要求，本桥和临跨的简支梁之间设置了过渡梁，满足无砟轨道的受力要求。

(2)主桁杆件受力分析(表2)

表2 主桁杆件内力应力计算结果

(3)桥面系受力分析(表3)

桥面系一般是疲劳控制，在已建成的正交异性板钢桥中，很多都是由于构造缺陷导致桥面开裂，因而在设计过程中必须对桥面系的连接构造细节加以重视，尽量采用经验证过疲劳性能较好的构造形式[13-16]。

表3 桥面系内力应力计算结果

注：纵梁疲劳控制部位为非连接部位板材；因横梁腹板面外变性作用，导致U肋疲劳控制部位为U肋与横梁焊缝边缘处。

(4)预拱度设置

为保证列车运行平顺，钢梁应设置预拱度，跨中预拱度按(恒载+1/2静活载)产生的挠度反向设置，预拱度的设置过程中考虑了竖曲线的影响，跨中实设预拱度267.3 mm。预拱度的设置保持下弦、腹杆及桥面长度不变，通过伸长或缩短上弦杆件长度来实现[17]。

4.3 车桥耦合动力分析结果

根据车桥耦合振动分析理论，运用西南交通大学桥梁结构动力分析程序BDAP V2.0，对该桥在CRH2、ICE3、CRH3动车组作用下的车桥空间耦合振动进行了分析[18-19]。

在国产CRH2动车组以速度160～250 km/h运行时，行车侧跨中下弦节点竖向和横向振动位移最大值分别为7.601，0.554 mm，行车侧跨中下弦节点跨中竖向和横向振动加速度最大值分别为1.234 m/s2和0.079 m/s2。

在德国ICE3动车组以速度160 ～300 km/h运行时，行车侧跨中下弦节点跨中竖向和横向振动位移最大值分别为9.509，0.687 mm，行车侧跨中下弦节点跨中竖向和横向振动加速度最大值分别为1.96 m/s2和0.132 m/s2。

在国产CRH3动车组以速度160～300 km/h运行时，行车侧跨中下弦节点跨中竖向和横向振动位移最大值分别为7.827，0.592 mm，行车侧跨中下弦节点跨中竖向和横向振动加速度最大值分别为1.997 m/s2和0.097 m/s2。

该桥竖向和横向振动位移较小，桥梁竖向和横向振动加速度均小于规范规定的限值。本桥在CRH2动车组以速度160～250 km/h、德国ICE3和CRH3动车组以速度160～300 km/h通行时，行车安全性和运行平稳性满足要求，其动力性能符合要求。

5 施工方案

为减少桥梁施工对既有线正常运营的影响，利用既有线的运营“天窗”时间，采用与铁路平行拼装钢桁梁后进行横移架设就位的施工方案。横移架设钢桁梁方案是在桥梁右侧搭设拼装支架及横向滑道梁，利用40t龙门吊进行拼装，然后用水平千斤顶沿滑道梁将钢桁梁顶推横移38 m至桥位处，调整钢桁梁的水平位置后，用竖向千斤顶将钢桁梁落在支座上，浇筑钢筋混凝土桥面板，安装钢桁梁附属设备，完成全部钢桁梁施工[20-21]。

2 800 t钢桁梁空中横移38 m跨越西宝高铁及福银高速公路并顺利就位的建造技术，成功攻克了钢桁梁长距离横移跨越既有高速铁路、高速公路的施工难题，在国内尚属首例。西成高铁于2017年12月6日开通运营。图10、图11为钢桁横移实景。

图10 横移前钢梁

图11 横移就位后钢梁

6 结语

西成高铁132 m再分式简支钢桁梁采用的再分式桁架结构在高速铁路上为首次应用，也是国内首座高速铁路铺设无砟轨道的最大跨度简支钢桁梁桥。采用的正交异性板整体钢桥面，其整体性能好，承载能力大，行车舒适性能好。采用横移施工工艺，最大限度地降低了施工对既有高速铁路及高速公路的干扰。本桥的设计可为再分式钢桁梁在高速铁路中的应用提供参考。