京张高铁应急抢修简支钢-混结合梁设计应用

杨永明,李彦博

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055；2.中国铁路北京局集团有限公司,北京 100860)

1 设计背景

新建北京至张家口高速铁路工程官厅水库特大桥跨越官厅水库，桥址位于河北省怀来县东花园镇与狼山乡之间。主桥为8-108 m简支拱形钢桁梁，引桥采用32 m预应力混凝土简支箱梁，轨道类型为无砟轨道。根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》第7.3.3条要求，为协调无砟轨道梁体横向变形，保证相邻梁端两侧的钢轨支点横向相对位移不大于1 mm，主桥两侧邻孔各采用1-32 m简支钢-混结合梁进行过渡。为响应“开展打造京张精品工程、智慧高铁创新设计方案研究工作”的号召，京张高铁32 m简支钢-混结合梁设计采用高铁应急抢修钢箱结合梁方案[1]。32 m简支钢-混结合梁实景见图1。

图1 32 m简支钢-混结合梁实景

高速铁路为避免复杂路基地段线路沉降问题，多采用“以桥代路”方案[2-3]，桥梁占比高，同时近年来我国高速铁路建设快速发展，因此高铁常用跨度梁使用量巨大。虽然设计中已对地震、洪水等各种灾害对桥梁结构的影响进行了一定的考虑，但当超出设计范围的更大灾害发生时，高速铁路桥梁的损坏和无法使用仍然是不可避免的；同时，我国既有的铁路抢修钢梁，如：六四式军用梁、拆装式桁梁[4-5]、八七型应急抢修钢梁[6]行车限制速度都比较低，无法适应高速铁路运行的需要[7-8]，因此高铁应急抢修梁的研究工作意义重大。

2 主要技术标准

铁路等级：高速铁路；

正线数目：双线；

设计荷载：ZK活载；

设计速度：350 km/h；

线间距：5.0 m；

轨道类型：无砟轨道；

直线曲线：直线；

线路坡度：2‰的上坡段或-2‰的下坡段；

地震烈度：Ag≤0.2g；

桥址温度范围：极端最高气温40.3 ℃，极端最低气温-21.7 ℃。

3 结构设计

3.1 主梁结构

官厅水库特大桥32 m双线简支钢-混结合梁，计算跨度31.5 m，梁长32.6 m。主梁采用双箱单室等高度梁，桥面宽12.6 m，横桥向支座中心距为4.5 m。结合梁截面中心线位置梁高3.11 m(梁顶到梁底垫板底)，侧面梁高3.048 m(梁顶最高点到梁底垫板底)。主梁部分顶板厚46 mm，悬臂翼缘部分顶板厚24 mm；主梁外侧腹板斜置、内侧腹板竖直，腹板板厚均为32 mm；主梁底板单个箱体宽2.64 m，板厚64 mm。钢结构材质采用Q345qE钢。

主梁在箱内设隔板、对应两箱体之间和外侧分别设置中间横向拼接和悬臂翼缘，将两箱梁连成空间结构以增加桥梁的整体刚度。为便于结构传力，隔板、中间横向拼接、悬臂翼缘腹板均在同一位置设置。箱梁分段制造，工地拼接；箱梁顶板采用工地对接焊，腹板及底板采用高强度螺栓拼接；悬臂翼缘的腹板和底板采用高强度螺栓与主梁梁段连接[9]。结合梁立面布置、平面布置分别见图2、图3。

图2 结合梁立面布置(单位：mm)

图3 结合梁平面布置(单位：mm)

结合梁桥面宽12.6 m，其中混凝土桥面板宽9.9 m，板厚0.23～0.32 m。混凝土桥面板采用C50混凝土，按整体预制、局部现浇设计，通过φ22×150 mm剪力钉将钢梁与混凝土板形成共同受力体。桥面板顶面结构坡度线与引桥32 m预应力混凝土箱梁(通桥(2016)2321A-Ⅱ)保持一致，顶面最高点位于截面中心线位置。成桥后断面布置示意见图4。

图4 成桥后断面布置示意(单位：mm)

3.2 结合梁组装

(1)结合梁构件

结合梁存放及运输时，采用单箱单室形式，横向按“悬臂翼缘+主梁梁段+主梁梁段+悬臂翼缘”形式组成，纵向按A+B+C分为3块，混凝土预制板与钢梁组成一体。主梁节段A、C尺寸为12.3 m(长)×4.97 m(宽)，主梁节段B尺寸均为8.0 m(长)×4.97 m(宽)；悬臂翼缘YA、YC尺寸为12.3 m(长)×1.33 m(宽)，悬臂翼板YB尺寸为8.0 m(长)×1.33 m(宽)。

(2)主梁组装

钢梁节段预制完成后，将主梁梁段A、B、C及悬臂翼缘YA、YB、YC分段运输至桥位附近，吊装主梁节段，先将其拼接成两片32 m单箱单室主梁后，再横向连接成32 m双箱单室主梁[9]。结合梁构件组装顺序见图5。

(3)悬臂翼缘组装

吊装悬臂翼缘节段，将其与主梁连接，形成整体。

图5 构件组装顺序示意

3.3 支座及横向限位装置的设置

为协调主、引桥横向支座中心距不同引起的梁体横向位移差异，结合梁与主桥相邻侧梁端需设置梁侧牛腿及横向限位装置。梁侧牛腿采用工字形截面，截面高1 500 mm，腹板厚24 mm；顶、底板宽700 mm，厚40 mm。顶板、腹板、底板均采用高强度螺栓与钢主梁梁段栓接。横向限位装置设置于梁侧牛腿端部，其中心距离桥梁中心线的距离为5.6 m。梁侧牛腿位置断面布置见图6。

支座均采用球型钢支座，每个桥墩横桥向设置2个支座，支座吨位5 000 kN。结合横向限位装置的布置情况，1号梁布置多向活动支座1套、纵向活动支座1套、横向活动支座2套；2号梁布置多向活动支座2套、横向活动支座1套、固定支座1套。支座及横向限位装置具体布置情况见图7。

图6 梁侧牛腿位置断面(单位：mm)

图7 支座及横向限位装置布置示意(单位：mm)

4 主要设计指标及结果

4.1 计算模型

结合梁采用桥梁设计专用软件Midas Civil进行计算，钢结构、混凝土均按板单元建立，全桥节点总数4 688个，单元总数4 912个。依据现行相关铁路规范对结合梁进行计算[10-13]。列车设计速度350 km/h，高速行车对桥梁结构刚度要求极高，车桥耦合动力响应分析控制设计。32 m简支结合梁计算模型见图8。

图8 32 m简支结合梁计算模型

4.2 车桥耦合动力响应分析

官厅水库特大桥32 m简支钢-混结合梁车桥耦合动力响应分析主要参数为：车辆采用中国标准动车组，8辆编组；车速为100～420 km/h；轨道不平顺谱采用TB/T 3352-2014《高速铁路无砟轨道不平顺谱》中给出的轨道谱，其中百分位数取90%，波长取2～200 m[14]。采用耦合动力学计算方法分析[15]，结合梁车桥耦合动力响应分析控制设计，主要结论如下。

(1)列车以100～370 km/h速度通过桥梁时，最大桥梁跨中挠度动力系数为1.472，显示车桥之间未发生显著的共振现象。

(2)列车以100～400 km/h速度过桥时，脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力安全性指标不超出TB10621—2014《高速铁路设计规范》第7.3.6条之限值，列车可安全通过桥梁。

(3)列车以100～400 km/h速度过桥时，车体加速度不超出TB10621—2014《高速铁路设计规范》第7.3.6条之限值，斯佩林指标满足舒适度优的标准。

(4)列车以100～400 km/h速度过桥时，桥面竖向加速度不超出TB10621—2014《高速铁路设计规范》第7.3.6条之限值，满足桥梁安全性要求。

4.3 梁体的竖向挠度

根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》第7.3.2条，当L<40 m时，3跨及以上的双线简支梁挠度值Δ≤L/1 600。ZK竖向静活载作用下，结合梁梁体竖向挠度计算值见表1。

表1 结合梁梁体竖向挠度

4.4 梁端转角

根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》第7.3.7条，在ZK竖向静活载作用下，梁端悬出长度≤0.55 m的无砟桥面梁端竖向转角不大于1.5‰rad，钢梁梁端转角计算结果见表2。

表2 结合梁梁端转角 rad

4.5 竖向自振频率

根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》第7.3.5条，计算跨度20 m

表3 结合梁竖向自振频率 Hz

4.6 钢结构应力

主力、主力+附加力工况下，钢结构应力情况见表4。

表4 结合梁钢结构应力 MPa

4.7 支点反力

各荷载工况作用下，梁体单个支座反力计算结果见表5。

表5 结合梁反力 kN

5 结合梁安装

钢-混结合梁的施工方法有原位拼接法、顶推法和平移法等[16-18]，官厅水库32 m结合梁结合现场实际情况，采用原位节段拼接法施工，具体步骤如下。

(1)永久墩的桩基、承台及墩身施工；在钢梁拼接处施工临时墩桩基、承台、墩柱及墩顶。

(2)先吊装安装左线主梁梁段B，再吊装安装左线主梁梁段A、C；完成左线主梁梁段顺桥向工地连接。

(3)依照上述步骤完成右线主梁梁段的安装；再完成左右线主梁梁段之间的箱间横向联结安装。

(4)采用与主梁梁段相同的次序，依次安装各悬臂翼缘节段；完成各悬臂翼缘节段与主梁节段之间的纵、横桥向连接。主梁节段安装完成后立面布置示意见图9。

图9 主梁安装完成示意(单位：mm)

(5)绑扎桥面板接缝部位钢筋，浇筑桥面板纵、横桥向后浇部分混凝土。

(6)拆除临时支墩及基础；施工桥面附属及线路设备；通车运营。

6 结语

高铁应急抢修方案32 m简支钢-混结合梁具有以下优点。

(1)在主梁架设完成后、悬臂翼缘拼装之前即可实现限速通车。

(2)若在高铁线路抢修中应用该结合梁方案，可实现临时结构与永久结构的结合，避免对线路造成二次干扰。

(3)该结合梁梁长、计算跨度、支座布置、桥面宽度、顶面坡度、适用曲线半径等均与预应力混凝土简支箱梁通用图保持一致，且其箱体轮廓也与通用图基本一致[19-20]。

(4)该结合梁可采用32 m梁构件组装成24 m跨度梁(取消梁段B)，实现了构件的通用性。

京张官厅水库特大桥主桥两侧邻跨采用的32 m简支钢-混结合梁，是国内首孔采用应急抢修方案设计、施工的高速铁路桥梁实体工程。该桥的建成，为今后进一步深化高铁应急抢修钢-混结合梁研究，开展高铁应急抢修梁相关标准设计工作奠定了基础。