京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋主橋設(shè)計(jì)

1、文章編號(hào):1003-4722(2006S2-0094-03京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋主橋設(shè)計(jì)張 強(qiáng)(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,湖北武漢430050摘 要:京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋的主橋橋式方案選擇時(shí)充分考慮了水文及高速行車對(duì)結(jié)構(gòu)的要求,采用剛性梁柔性拱方案。重點(diǎn)介紹了新型帶K 撐的主桁結(jié)構(gòu)及正交異性整體式橋面在該橋的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:鐵路橋;鋼橋;橋式方案;正交異性板;橋面;橋梁設(shè)計(jì)中圖分類號(hào):U448.13;U448.36文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADesign of Main Bridge of Ji c nan Huanghe River Bridgeon Beijing 2Shanghai High S

2、peed RailwayZHANG Q iang(China Zhongtie Major Br idge Reconnaissance &Design Institut e Co.,Ltd.,Wuhan 430050,ChinaAbstr act:At the time the bridge type alternative for the main bridge of Jin an H uanghe River Bridge on Beijing 2Shanghai H igh Speed Railway was selected,the hydr ologic conditions at

3、 the Bridge site,the requirements for the structure accommodating to the high speed running trains were fully consider ed and the bridge type of r igid girder and flexible arch was finally chosen for the main bridge.In this paper,the application of the new type of main tr uss structure with K 2strut

4、s and monolithic orthotr opic deck to the bridge is mainly dealt with.Key words:railway bridge;steel bridge;bridge type alternative;orthotropic plate;deck;bridge design 收稿日期:2006-10-11作者簡(jiǎn)介:張 強(qiáng)(1976-,男,工程師,1998年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁工程專業(yè),學(xué)士學(xué)位。1 引 言京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋是京滬高速鐵路跨越黃河的通道,可研階段主橋按京滬雙線橋開展研究。為節(jié)約有限的橋位資源,減小對(duì)黃河行洪排凌

5、的影響,根據(jù)鐵道部相關(guān)會(huì)議精神,初步設(shè)計(jì)階段主橋按京滬高速和太青客運(yùn)專線四線共建考慮。濟(jì)南位于黃河下游河段,河道水少沙多、淤積嚴(yán)重。橋址處河道屬?gòu)澢缘暮拥?其特點(diǎn)是河道窄而彎曲多,彎曲半徑小。工程修建后,對(duì)行洪排凌的影響、對(duì)河床形態(tài)的調(diào)整和洪水期水位的表現(xiàn),以及河道的淤積等問(wèn)題均需要開展研究。京滬高速鐵路是我國(guó)設(shè)計(jì)時(shí)速最高的客運(yùn)鐵路。本橋設(shè)計(jì)時(shí)速為350km/h 。為保證列車運(yùn)營(yíng)安全和舒適,設(shè)計(jì)中對(duì)橋式方案、主桁結(jié)構(gòu)及橋面形式等均進(jìn)行了分析。2 主橋孔跨布置在進(jìn)行主橋孔跨布置之前,對(duì)橋址處的河勢(shì)演變進(jìn)行了分析。受兩岸控導(dǎo)工程和險(xiǎn)工控制,中水河槽和河勢(shì)溜向已初步得到控制,因此河勢(shì)變化研究時(shí)以近

6、期河勢(shì)及河道統(tǒng)測(cè)斷面資料為主。通過(guò)比較河段19802001年主溜線變遷圖,選用了6個(gè)年份的汛末主溜線套繪河勢(shì)圖,確定橋位主溜寬度為250m 。橋址下游1.2km 的鄭家店斷面的河道邊界條件與橋位處相似,借鑒鄭家店斷面的19802001年河道統(tǒng)測(cè)斷面資料,確定橋位處主94橋梁建設(shè) 2006年增刊2槽的擺動(dòng)幅度為600m。根據(jù)上述分析結(jié)果,初步擬定了(112+2168 +112m橋式布置進(jìn)行河工模型試驗(yàn)。按河工模型試驗(yàn)結(jié)果,枯水期排凌要求主孔跨應(yīng)緊靠北臨黃大堤前以利排凌,因此主孔整體向北平移,以主橋邊跨跨越北臨黃大堤,同時(shí)為滿足主孔總長(zhǎng)不小于600m的防洪要求,橋式布置改進(jìn)為(112+3168 +

7、112m。按黃委會(huì)對(duì)濟(jì)南河段的孔跨要求,南岸灘地采用不小于50m的孔跨。以改進(jìn)后的橋式方案重新進(jìn)行河工模型試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:洪水過(guò)程中橋位斷面有橋與無(wú)橋方案調(diào)整狀況相差不大,有橋方案的排冰效果基本與無(wú)橋方案相同。濟(jì)南河段為堆積性河道,長(zhǎng)期看主槽和灘地基本呈同步抬升趨勢(shì)。為確保防洪安全,目前采用大堤加高培厚的方法。1999年底小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用,其調(diào)節(jié)徑流泥沙的運(yùn)行方式將在一定年限范圍內(nèi)對(duì)下游河段的沖淤造成影響,使河道下切,減少了部分淤積。根據(jù)黃河水利科學(xué)研究院進(jìn)行的水文泥沙分析,橋址處未來(lái)50年總的預(yù)計(jì)淤積高度為4.0 m,在不影響橋長(zhǎng)及縱斷面布置的條件下,按5.04 m預(yù)留此部分大堤加高后

8、的建筑高度。3主孔橋式方案比較根據(jù)5京滬高速鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定6(簡(jiǎn)稱暫規(guī)的要求,在ZK活載作用下,跨度大于80m的梁,采用有碴橋面時(shí),梁端豎向折角不應(yīng)大于2j,梁體的豎向撓跨比($/l p限值為1/1000。預(yù)應(yīng)力混凝土梁軌道鋪設(shè)后,梁的徐變上拱不宜大于20mm?？裳须A段提出過(guò)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋和連續(xù)鋼桁梁方案。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁方案結(jié)構(gòu)變形均滿足暫規(guī)要求,但因梁高較高,主孔軌底高程較鋼桁梁方案高出5.1m,導(dǎo)致正橋兩邊的縱坡隨之加大,增加了基礎(chǔ)的工程數(shù)量,并且對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)能耗不利。同時(shí),因梁體質(zhì)量較重,對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震不利。而部分斜拉橋方案,梁體的收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)線形的影響較

9、難控制,最終也予以舍棄。鋼桁梁方案進(jìn)行了變高度連續(xù)鋼桁梁及等高度剛性梁柔性拱方案的對(duì)比,見圖1、圖2。兩方案主要計(jì)算結(jié)果比較見表1。 圖1變高度連續(xù)鋼桁梁方案圖2等高度剛性梁柔性拱方案表1兩方案主要計(jì)算結(jié)果豎向撓跨比$/l p中跨邊跨梁端轉(zhuǎn)角/j 變高度連續(xù)鋼桁梁方案1/15651/2060 1.576等高度剛性梁柔性拱方案1/29221/2128 1.604較變高度連續(xù)鋼桁梁方案,等高度剛性梁柔性拱方案不僅在提高鋼梁豎向剛度上具有明顯優(yōu)勢(shì);由于桁高的降低使腹桿的長(zhǎng)度減少,桿件受力更為合理;單根桿件的最大重量也較變高度連續(xù)鋼桁梁方案為小;桿件的制造與安裝更加方便。因此,橋式方案最終確定為等高度

10、剛性梁柔性拱方案。4主桁斷面設(shè)計(jì)根據(jù)可研階段的研究結(jié)論,初步設(shè)計(jì)階段未進(jìn)行方案的比選,按剛性梁柔性拱方案開展四線橋的相關(guān)設(shè)計(jì)工作。剛性主梁采用帶豎桿的等高度三角形桁架,桁高16.0m,節(jié)間14.0m。柔性拱肋按圓曲線布置,矢高30.0m,矢跨140.0m,矢跨比1/4.67,拱肋在拱腳與支點(diǎn)處斜桿通過(guò)節(jié)點(diǎn)相連。因主桁寬度大,初步設(shè)計(jì)時(shí)就30m總桁寬采用兩桁和三桁進(jìn)行計(jì)算分析,其斷面布置見圖3、圖4。主要靜力計(jì)算分析結(jié)果見表2。圖3兩桁方案主桁斷面布置圖4三桁方案主桁斷面布置95京滬高速鐵路濟(jì)南黃河大橋主橋設(shè)計(jì)張強(qiáng)表2兩桁和三桁方案主要靜力計(jì)算結(jié)果桁式方案弦桿最大內(nèi)力/kN支座反力(中桁/k N

11、支座反力(邊桁/kN(一桁最大豎向撓跨比$*/l p 拉力壓力邊支點(diǎn)中支點(diǎn)1中支點(diǎn)2邊支點(diǎn)中支點(diǎn)1中支點(diǎn)2邊跨中跨兩桁49800211402570083150913001/25451/3733三桁38500160001700056110628301135044030507301/28721/4097注:*為靜活載作用下的最大豎向撓度絕對(duì)值。從計(jì)算結(jié)果可看出,采用兩桁和三桁方案結(jié)構(gòu)的剛度均滿足規(guī)范要求。主桁采用兩桁方案具有結(jié)構(gòu)受力明確,構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)結(jié)構(gòu)受力很大,桿件截面選擇時(shí)鋼板厚度及截面尺寸超出現(xiàn)階段鋼材所允許最大尺寸時(shí),采用三片主桁可有效解決此問(wèn)題。本橋跨度相對(duì)較小,在四線ZK活載

12、作用下,2片主桁時(shí)其桿件最大內(nèi)力為49800kN。另外當(dāng)采用3片主桁時(shí),由于整體橋面橫梁與主桁連接的構(gòu)造要求,主桁下弦桿件須具備必要的高度以適應(yīng)與橫梁的連接,由于構(gòu)造要求而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的用鋼量增大。因此兩桁方案更優(yōu)。兩桁方案的桿件截面,弦桿采用箱形截面,截面高度在1500mm以內(nèi),內(nèi)寬1300mm。腹桿除受力較大的斜桿采用箱形截面外,其余均采用便于拼接的/H0截面,箱形截面高8001700mm,/H0截面高900mm,腹桿截面外寬均為1300mm。主桁平弦部分節(jié)點(diǎn)采用整體節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),考慮制造及安裝方便,拱肋節(jié)點(diǎn)采用拼裝節(jié)點(diǎn)。主桁最大板厚控制在50mm以內(nèi)。桿件截面選擇時(shí)鋼板厚度及截面均滿足常規(guī)尺寸及

13、現(xiàn)階段已有材料、制造施工工藝的要求。5橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前我國(guó)鐵路橋常用的橋面結(jié)構(gòu)為縱橫梁橋面系。在縱橫梁橋面系的設(shè)計(jì)計(jì)算中,為防止縱橫梁參與主桁共同作用而引起橫梁過(guò)大的面外彎矩,通常在跨間設(shè)置伸縮縱梁。但伸縮縱梁造成橋面的不連續(xù)性將對(duì)高速行車帶來(lái)不利影響。為此,本橋橋面設(shè)計(jì)為橋面板和下弦桿結(jié)合的低高度橋面1。用正交異性板整體橋面代替縱橫梁橋面體系,取消下平聯(lián)、伸縮縱梁及制動(dòng)架,橋面結(jié)構(gòu)與下弦桿共同受力。根據(jù)資料我國(guó)最早采用正交異性板橋面的淮南復(fù)線拓皋橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好。開口縱肋具有制作、焊接方便,易于根據(jù)不同的內(nèi)力改變截面等優(yōu)點(diǎn),因此橋面縱肋采用開口肋。由于整體橋面板與主桁下弦桿采用焊接,橫梁與豎桿及橫聯(lián)形成了節(jié)點(diǎn)完全剛性的橫向框架,豎桿須承受較大的面外彎矩,為改善橫梁及豎桿的受力狀態(tài),本橋的橫聯(lián)設(shè)計(jì)為帶/K0撐的結(jié)構(gòu)。在兩桁方案中,通過(guò)對(duì)橫向平面框架的分析研究,橫聯(lián)采用/K0撐的結(jié)構(gòu),豎桿的面外彎矩為2200kN#m;而無(wú)/K0撐的結(jié)構(gòu),豎桿的面外彎矩達(dá)9460kN#m。6主橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)據(jù)鉆孔資料揭示,橋位工程地質(zhì)地層以第四系河流相粉質(zhì)土為主,其間多夾粉、細(xì)、中砂及粉土、粘土薄層或透鏡體,鉆孔深40m以下姜石含量較高,姜石層分布較多。根據(jù)物理力學(xué)性能試驗(yàn)分析,較好的工程持力層為地表以下20.0m深度以下的硬塑粉質(zhì)粘土層。該橋工程地質(zhì)土適合于樁基和沉井基礎(chǔ)。采用大直徑打入鋼