湖州特大桥1孔96 m双线铁路钢桁梁设计

李先婷

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 工程概况

湖州特大桥是宣杭铁路湖州境内铁路抬道改造控制项目，位于湖州西站与湖州站之间，为跨越长兴港及西苕溪航道而设。该处航道标准为限制性Ⅲ级航道，净空7 m，设计最高通航水位2.7 m[1]。经多方案比选，湖州特大桥总体桥跨布置为19×32 m预应力混凝土简支T梁+1×96 m下承式简支钢桁梁+17×32 m预应力混凝土简支T梁+1×96 m下承式简支钢桁梁+1×32 m预应力混凝土简支T梁，全长1 419.62 m[2-3]。钢桁梁防腐采用第七涂装体系[4]。为了减少对航道的影响，96 m钢桁梁的施工方法采用架设速度较快的浮托法[5]。

2 主要技术标准

铁路等级：Ⅰ级；

线路情况：双线，直线；正线间距5.0 m；

设计速度：客货160 km/h；

牵引种类：电力；

设计活载：中-活载；

桥梁限界：采用《铁路技术管理规程》(普通铁路部分)(2014)中电气化双层集装箱线路不小于7.96 m的规定[6]；

环境类别及作用等级：碳化环境，作用等级为T2[7]；

设计正常使用年限：正常条件下，梁体结构设计使用寿命为100年；

地震烈度：适用于地震动峰值加速度小于0.05g的地区；

桥址温度：极端最低温度-11.1 ℃，极端最高温度+38.9 ℃。

3 96m钢桁梁结构设计

其结构为无竖杆整体节点平行弦三角桁架下承式有砟桥面简支钢桁梁，计算跨度为96 m，梁长98.5 m，节间长度为12 m，共8节，桁高13.6 m(为计算跨径的1/7.06)，两片主桁中心距为12.4 m(为计算跨径的1/7.74)，挡砟墙内侧净宽9.5 m，桥门架及中间横梁为板式结构，上平纵联为交叉式工字形断面。主桁轮廓见图1、图2。

图1 主桁立面(单位：mm)

图2 横断面布置(单位mm)

3.1 主桁

主桁上、下弦杆截面均为箱形，焊接，整体节点形式[8]。上弦杆内高为1 000 mm、内宽为700 mm，下弦杆内高为1 300 mm、内宽为700 mm。腹杆与主桁整体节点连接方式分为两种，腹杆为箱形截面时采用四面对接拼[9]，腹杆为工形截面时采用插入式拼接，四面对接拼腹杆内宽与弦杆内宽相同，插入式拼接腹板外宽与弦杆内宽相同，主桁钢材型号为Q345。

3.2 桥面系

桥面板为密横梁正交异性整体钢桥面板[10]。横梁为倒T形结构，梁端腹板高1 300 mm。端节点横梁腹板厚32 mm，翼板宽1 000 mm，翼板厚40 mm；中间节点横梁腹板厚24 mm，翼板宽1 000 mm，翼板厚40 mm；节点间横梁腹板厚20 mm，翼板宽800 mm，翼板厚40 mm；横梁间距3.0 m。

每条线路下设2道纵梁，间距为1.5 m。纵梁为倒T形截面，腹板高676 mm，板厚14 mm，翼板宽240 mm，板厚24 mm。桥面板厚16 mm，纵向为U形加劲肋和板式加劲肋，U形加劲肋横向间距为600 mm左右，顶宽300 mm，底宽170 mm，高280 mm，板厚10 mm；板式加劲肋肋高160 mm，板厚20 mm。钢桥面板分为三种类型(B1、B2、B3)：桥面板宽为10.5 m，B1纵向长度为10.92 m，B2为12.0 m，B3为4.66 m。桥面板与主桁在现场完成连接[11]。

3.3 上平纵联、桥门架、横联、防落梁

上平纵联的斜杆及支杆截面均为交叉式工形断面，上平联杆件高420 mm，支杆翼板宽400 mm，斜杆翼板宽400 mm，翼缘板厚16 mm，腹板厚12 mm。

钢梁端斜杆上设有斜向桥门架，在上弦每个节点处的斜腹杆上设置中间横联。桥门架及横联均为板式结构。

为保证梁部结构在地震力作用下的安全，在梁与墩之间设置防落梁设施。横向防落梁挡块设置在梁底[12]。墩身上可利用垫石替代混凝土挡块，施工时应注意梁底挡块与墩身挡块位置的对应。

4 结构分析

4.1 计算模型

采用通用有限元分析计算软件Midas /Civil对钢桁梁结构进行模拟[13]。对杆件的模拟采用梁单元，杆件节点连接方式按刚性考虑，根据横向分布宽度，对桥面板进行折算(见图3)[14]。

图3 计算模型

4.2 主桁静力计算结果

杆件内力计算结果见表1，杆件强度计算结果见表2。

表1 杆件内力

表2 杆件强度

4.3 刚度检算

在中-活载作用下，静活载挠度Δ≤L/900，梁端竖向转角不应大于3‰rad[15]，计算结果见表3。

表3 刚度计算

4.4 支座反力

本桥位于直线上，4个支座恒活载反力相同[16]，计算结果见表4。

表4 支承反力(一个支座)

4.5 自振频率分析

根据《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002—2017)第5.2.5条的要求，应满足23.58L-0.592=1.58 Hz，式中L为简支梁跨度/m，计算结果见表5。

表5 横向自振频率计算结果

5 施工方案

跨越长兴港及西苕溪航道运输繁忙，为尽可能减小对长兴港及西苕溪航道的影响[17]，不影响架设安装工期，采用浮托法施工方案。

(1)施工准备

搭设支架及滑道，拼装钢桁梁，在节点下安装载重滚动小车，进行各种工况的模拟调试，检验小车、支架的受力及变形情况[18]。

(2)拖拉装置安装

拖拉钢梁，滚动小车跟随钢梁一同前进，并保证只在节点上受力。拖拉时浮墩为刚性连接，设好地锚。

(3)浮托安装

吊装浮托到设计位置并精确对位，拆除载重滚动小车，顶升落梁，拆除浮墩，安装支座。

(4)附属设施施工

进行桥面混凝土板、桥面系及附属设施施工。

6 上弦端节点优化设计

在整体设计的基础上，采用FEA有限元分析软件对端节点进行实体分析。端节点为实体模拟，其余杆件为梁单元模拟，建立全桥模型(分常规端节点板方案和优化端节点板方案两种)，并对两方案进行对比分析。

钢桁梁端部节点处常规设计见图4。优化设计后见图5。

图4 端节点常规设计

图5 端节点优化设计

对两种类型的端节点进行有限元分析，研究其受力及受力分布情况。计算结果见图6～图9所示。

图6 常规设计第一主应力分布

图7 优化设计第一主应力侧视

图8 常规设计第三主应力分布

图9 优化设计第三主应力分布

由图6～图9可知，两种形式的上部端节点应力分布基本相同。从整体计算的角度看，其他杆件应力没有受到影响。与常规节点板相比，优化节点板并没有因为减少了用钢量而导致节点板及其他杆件所受应力增加；另一方面，常规节点板被优化掉的部分所受应力不大。因此，优化后的节点板既节省钢材，也不会影响结构的应力分布及正常使用。

7 结论

(1)总结出一套适用于浮托法施工的大跨度钢桁梁桥设计和施工方法。

(2)节点板优化方案优化掉的部分应力为10～30 MPa，远小于钢材容许应力。

(3)与常规节点相比，板优化节点板并没有改变节点板及其它杆件的应力分布。优化方案可有效减少用钢量，且不影响结构的正常使用。