易伦雄
(中铁大桥勘测设计院集团有限公司, 武汉 430056)
摘 要：通过分析总结国内外铁路斜拉桥工程实例,提出了适合大跨度铁路斜拉桥受力特点的板-桁组合结构新型主梁,及其便捷的施工方法。新型钢板(箱)-钢桁组合结构,桥面板系统承受斜拉桥主要的轴向压力,钢桁架提供铁路桥梁所需的刚度,截面效能得以充分发挥。组合结构主梁分两阶段成桥,整体板结构整体制造、运输,并在斜拉桥体系中先行吊装成桥,而后在其上拼装钢桁梁构件,使拼装的安全与效率得到极大的提高。
关键词：铁路斜拉桥； 板桁组合结构； 施工方法； 创新
作 者：易伦雄,男,1966年生,教授级高级工程师。
Email:yilx@brdi.com.cn
在国内外已经建成的铁路或公铁两用斜拉桥梁中,具有代表性的桥梁有日本的岩黑岛桥与柜石岛桥、丹麦的厄勒海峡大桥与中国的天兴洲长江大桥(表1)。
日本本四联络线中线通道(儿岛—坂出)上的岩黑岛桥与柜石岛桥,两桥为姊妹桥,其主跨均为420 m、主梁采用钢桁梁的铁路公路两用斜拉桥,施工架设方法为：边跨采用浮吊大节段架设；中跨采用悬臂架设法从两边向中央架设。
丹麦厄勒海峡大桥主跨为490 m的铁路公路两用斜拉桥,主梁采用“钢桁梁+公路面混凝土板”结合梁。施工架设方法为：采用浮吊架设大节段整体钢桁梁。
与丹麦厄勒海峡大桥同期建设的芜湖长江大桥受航空限高的要求,采用了主跨312 m的低塔斜拉桥,亦为铁路公路两用桥梁,主梁采用“钢桁梁+公路面混凝土板”结合梁。施工架设方法采用逐根构件的对称悬臂拼装。
天兴洲长江大桥为主跨504 m的铁路公路两用斜拉桥,主梁采用“钢桁梁+公路面正交异性钢桥面板”结合梁。它改变了我国大跨度钢桁梁桥一直沿用的逐根构件悬臂拼装的施工方法,率先采用节间整节段架设法,成功安装了52个节段的钢桁梁,吊装单元质量达到700 t。
铜陵长江大桥为主跨630 m的铁路公路两用斜拉桥,主梁采用“钢桁梁+公路面正交异性钢桥面板”结合梁。它采用主桁桁片式吊装架设,每个整体桁片梁质量为330 t,长30 m、高18 m。整体桁片式的钢桁梁制造与架设是又一种新的尝试。
表1 已建铁路或公铁两用斜拉桥
国家桥名建成年份主跨/m规模结构形式日本岩黑岛与柜石岛桥19884204线+4车道铁路纵横梁,公路面钢正交异性板丹麦厄勒海峡桥1998490双线+4车道铁路面钢箱梁,公路面混凝土板中国芜湖长江大桥2000312双线+4车道铁路纵横梁,公路面混凝土板中国天兴洲长江大桥20095044线+6车道桥面钢正交异性板中国铜陵长江大桥20146304线+6车道桥面钢正交异性板
大跨度钢桁梁的安装大多采用逐根构件现场悬臂自由拼装的方法,该方法运输与吊装质量小,对施工机具要求低,构件的对位、调整及安装便捷。其不足在于,逐根构件架设的效率低,高空作业量大,危险性因素多,当桥梁整体性较好时,会因架设安装而分割原结构,增加新的连接面。
天兴洲长江大桥改变了过去大跨度钢桁梁桥一直沿用的逐根构件悬臂拼装的施工方法,率先采用节间整节段架设法,极大地提高了架设安装效率,是一种崭新的施工方法。当然,这种方法需要有适应7 000 kN吊装单元的提升、运输、架设设备,以及相应的预拼装场地。铜陵长江大桥采用整体桁片的制作与架设,单个桁片梁质量为330 t(长30 m、高18 m),又是一种新的尝试。这种方法也需要有大型运输、架设设备,以及相应的预拼装场地。
因此,当不具备这些大型运架设备与空间立体节段所需的预拼装场地时,想要做到既能满足斜拉桥大节段快速架设,又符合钢桁梁逐根构件机动、灵活的拼装特点,就需要探究新的主梁结构形式及其相应的施工方法。
3．1 板-桁组合结构新型主梁
铁路斜拉桥与一般公路斜拉桥相比,要求具有更大的刚度、重量与阻尼,以减小列车通过时产生的振动。在斜拉桥塔、梁、索几个主要部件中,铁路斜拉桥主梁需要采用刚度较大的钢桁梁或钢桁结合梁。
高速铁路对列车运行安全与旅客乘坐舒适度的要求更高,因此,大跨度桥梁现在都弃用过去振动响应较大的明桥面,采用能保证线路平顺性的整体桥面结构。
钢桁梁与整体桥面结构的组合结构中,板的截面大,适合承载大跨度斜拉桥较大的轴压力,钢桁梁的截面尺寸大、构件的承载效率高,两者组合后截面效能高、刚度大,是大跨度铁路斜拉桥最为适合的主梁结构。
3．2 受力特征
组合结构主梁按两阶段成桥方法,即恒载主要由占组合结构截面面积很大的桥面板系统承受,使其承载力得到充分发挥,钢桁梁仅承受二次恒载与活载,因而钢桁梁用材得以大幅减少、相应也减小了其制作架设难度。
计算分析表明：桥面板系统受力特征与一般钢箱梁斜拉桥一致,钢桁构件受力仅为同等规模钢桁梁斜拉桥的1/4～1/3。新的主梁截面构成以及两阶段成桥的施工方法,使得整体性好的桥面板系统承受了主要的荷载,截面效能得以充分发挥。离散化的钢桁梁构件得以优化,减小了加工制作及吊装难度。
3．3 便捷的施工方法
板-桁组合结构主梁,由整体性好的扁平桥面板系统与离散化的钢桁梁结构构成。两种不同性质与不同受力特性的结构,应采用各自适应的施工方法。
正交异性钢桥面板可采用边箱或边工字主梁结构,与大跨度公路斜拉桥的扁平钢箱梁结构相似,为扁平结构,方便大节段制造、运输及吊装。整体板结构,整体制造、运输与吊装,效率高、精度高、平顺性好,相比零碎工地拼装的桥面板结构在投入运营使用后耐久性好、疲劳缺陷少。钢桁梁为离散化结构,适合逐根架设拼装。
因此,斜拉桥施工中将板桁组合结构主梁分次架设。首先,采用双悬臂架设形成板(箱)梁作为主梁的斜拉桥体系；其次,在桥面板结构系统架设之后,将其作为工作面,在其上拼装钢桁梁构件,变高空施工为地面施工,可大大提高拼装的安全性与工作效率。
4．1 桥型方案与结构设计
蒙华铁路洞庭湖大桥,是我国第一座大跨度三塔铁路斜拉桥,大桥孔跨布置采用(98+140+406+406+140+98) m,如图1所示。
图1 蒙华铁路洞庭湖大桥桥型方案 m
主梁结构采用新型钢箱-钢桁组合结构,分置于上、下游两侧的下弦杆与铁路钢正交异性桥面板系统形成分离边箱的边主梁结构；华伦式桁架的主桁上弦中心距为12 m、下弦中心间距为14 m,桁高12 m、节间距14 m。下弦箱梁为横向间距为15 m的边主梁结构(钢箱梁),梁高2.5 m。正交异性板整体桥面结构,由纵肋(梁)、横梁及其加劲的钢桥面板组成,如图2所示。
图2 新型钢箱-钢桁组合结构横断面
4．2 动、静力性能
静活载作用下梁体的最大挠度为623 mm,挠跨比为1/652,桥梁的刚度良好。在“恒荷载+活载”作用下,钢构件的最大拉(压)应力不超过192 MPa；斜拉索的最大索应力764 MPa,最大应力幅为201 MPa；构件受力合理。
钢桁架上弦杆以受压为主最大轴力12 000 kN,仅辅助墩附近节段与主跨跨中部分的上弦杆为疲劳控制设计,其余的上弦杆受拉状态下的应力幅仅为受压状态下的应力幅的1/3,见图3、图4。
图3 上弦杆恒载工况轴力
图4 上弦杆“恒载+活载”组合工况轴力包络
该桥为多塔、大跨、质重、弱阻尼,动力性能值得关注。成桥状态主梁抗风稳定性良好,最大双伸臂施工阶段由于没有安装钢桁架,边钢箱的抗扭转刚度弱,需要采取设置稳定板的抗风措施来消除涡激共振。斜拉索通过适当的抗风措施可避免发生风雨共振。采用中央稳定索将中塔锚固于边塔的塔梁交接处后,结构的抗震能力得以提升,从而确保地震作用时桥梁受力均在设计允许范围之内。列车通过桥梁时,在无风条件下满足安全性和舒适性要求,在强风作用下也达到不设置挡风墙的标准,大桥具有良好的列车走行的动力性能。
4．3 施工方法及控制措施
主梁的架设,分为两大施工阶段：第一阶段,分离边箱的结构采用大节段吊装,先行成桥；而后,在其上逐根架设钢桁构件,分段合龙(合龙段可采用焊接连接),主梁架设完成。
施工中分步架设的板与桁两大构件,由于受力不同步其压缩变形不同,上弦与下弦节点存在水平位移差,跨中合龙段为38 mm,其余均在2.3 mm以下。跨中合龙段一般采用预留余量结合监控结果特制合龙节段的方法来消除施工的影响。在其他节段上,由于制造安装误差,上弦、下弦节点的形位差最后表现为上弦杆接头两侧栓群的误差,对误差应进行控制以便于螺群的安装。接头栓群误差在形式上是转角偏差、轴向偏差、竖向偏差、横向偏差,其中竖向偏差与横向偏差容易调整,重点在于转角和轴向偏差的处理。
转角的调整主要通过斜拉索局部索力调整接头两侧转角。当以200 kN单位索力变化进行模拟计算时,相邻节点的转角发生0.1°的变化,孔眼则发生约0.8 mm的位移,说明接头转角对索力变化较为敏感,可以作为调整措施。
轴向误差的调整。为了防止上弦杆件拼接处误差随着连续施拧节间的增加而不断累积,从而导致拼接处误差过大使得高强螺栓无法施拧,采用每连续终拧5个节间上弦杆件拼接接头预留一个调整口的措施。预留调整口节间上弦拼接节点设置起顶架,利用顶拉千斤顶微量调整轴向误差。
蒙华铁路洞庭湖大桥,是我国第一座主跨达到406 m的大跨度三塔铁路斜拉桥,主梁结构研究采用了新型钢箱-钢桁组合结构。组合结构主梁分两阶段成桥,占组合结构截面比例高的桥面板系统承受斜拉桥主要的轴向压力,轮廓尺寸大的钢桁梁提供铁路桥梁所需的刚度,截面效能得以充分发挥。
采用适应板-桁组合结构中两种不同性质子结构特点的施工方法。整体板结构,整体制造、运输,并在斜拉桥体系中先行吊装成桥,而后在已经安装的整体桥面板结构上拼装钢桁梁构件,变高空施工为地面施工,极大地提高了拼装的安全与效率。
蒙华铁路洞庭湖大桥工程已经进入主梁的架设施工阶段,大桥工程正顺利进行中,新型钢板(箱)-钢桁组合结构及其便捷施工方法可达到预期效果。
参考文献
[1] 秦顺全.武汉天兴洲公铁两用长江大桥关键技术研究[J].桥梁建设,2007(1):1-4.
[2] 高宗余.武汉天兴洲公铁两用长江大桥总体设计[J].桥梁建设,2007(1):5-9.
[3] 秦顺全.芜湖长江大桥板桁组合结构斜拉桥建造技术[J].桥梁建设,2005,38(9)：94-98.
[4] 万田保,张强.铜陵公铁两用长江大桥主桥设计关键技术[J].桥梁建设,2014(1):1-5.
[5] 成井信,松下贞义,山根哲雄,等.柜石岛·岩黑岛公铁两用斜拉桥的设计[J].国外桥梁,1982(1)：23-55.
PLATE-TRUSS COMPOSITE STRUCTURE OF RAILWAY CABLE-STAYED BRIDGE AND ITS CONSTRUCTION METHODYi Lunxiong
(China Railway Major Bridge Reconnaissance & Design Institute Co.Ltd, Wuhan 430056, China)
ABSTRACT：In order to study and propose an innovative structure that is applicable for large-span railway cable-stayed bridge and convenient construction method, this paper analyzed and summarized domestic and international railway cable-stayed bridge engineering projects. The innovative steel plate (box)-truss composite structure, in which the bridge deck system bears the primary axial compression of the cable-stayed bridge, and the steel truss stiffens the railway bridge, can make full use of the effectiveness of cross-section performance. The composite structure can be divided into two stages. Firstly, the overall deck structure of steel orthotropic plate is manufactured and transported, and then lifted and constructed. Secondly, the steel truss members are assembled on the bridge deck system, which improves safety and efficiency remarkably.
KEY WORDS：railway cable-stayed bridge; steel plate-truss composite structure; construction method; innovation
收稿日期：2015-10-25
DOI:10.13206/j.gjg201601022
联系客服
