3--南京大胜关长江大桥铁路钢桥面设计与研究 - 图文

南京大胜关长江大桥铁路钢桥面设计与研究　　肖海珠,刘承虞,易伦雄9

文章编号:1003-4722(2009)04-0009-04

南京大胜关长江大桥铁路钢桥面设计与研究

肖海珠,刘承虞,易伦雄

(中铁大桥勘测设计院有限公司,湖北武汉430050)

摘　要:京沪高速铁路南京大胜关长江大桥为主跨336m的连续钢桁拱桥,设计速度目标值300km/h,铁路桥面需要较高的刚度和整体性。对纵横梁铁路桥面、正交异性板整体桥面进行分析、比较和论证,由于与主桁共同作用使纵横梁桥面的横梁产生较大的侧向弯矩,须设置伸缩纵梁和桥面断缝,不利于高速铁路行车和维修养护,因此采用整体性和刚度更好的多横梁正交异性板整体钢桥面。试验研究表明,正交异性钢桥面板的整体受力和疲劳性能都满足规范要求。

关键词:高速铁路;铁路桥;钢桁拱;桥面板;设计;研究中图分类号:U443.31文献标志码:A

DesignandStudyofOrthotropicRailwaySteelDeckofNanjingDashengguanChangjiangRiverBridge

XIAOHai2zhu,LIUCheng2yu,YILun2xiong

(ChinaZhongtieMajorBridgeReconnaissance&DesignInstituteCo.,Ltd.,Wuhan430050,China)

Abstract:NanjingDashengguanChangjiangRiverBridgeonBeijing2ShanghaiHigh2SpeedRailwayisacontinuoussteeltrussarchbridgewithtwomainspanseach336m.ThedesignedtargetrunningspeedfortheBridgeis300km/handtherailwaydeckisthusrequiredtohavehighstiffnessandgoodintegrity.Inthedesignprocess,thelongitudinalandcrossbeamdecksystemandtheintegralorthotropicsteeldecksystemwereanalyzed,comparedandverified.Forthelon2gitudinalandcrossbeamdecksystem,thejointactionofthedecksystemandmaintrusswillre2sultinconsiderablelateralbendingmomentinthecrossbeamsandtheexpansionjointsareneces2sitatedforthelongitudinalbeamsanddeck,whichishowevernotfavorableforthevehicletrave2lingandmaintenanceofthehigh2speedrailway.Insuchcase,themultiplecrossbeamintegralor2thotropicsteeldecksystemhavinghighstiffnessandgoodintegrityisselected.Thetestsandstudyindicatethatboththeintegralmechanicalbehaviorandfatigueperformanceoftheorthotro2picdecksystemcanmeettherequirementsinspecifications.

Keywords:high2speedrailway;railwaybridge;steeltrussarch;deckplate;design;study

1　概　述

南京大胜关长江大桥(下文简称大胜关大桥)是京沪高速铁路全线的控制性工程,也是沪汉蓉铁路与新建南京铁路枢纽的重要组成部分,同时搭载南京市双线地铁。主桥为主跨336m六跨连续钢桁

拱桥,见图1,设计荷载为两线中-活载、两线ZK活载以及两线轻轨荷载,其中京沪高速铁路设计行车速度目标值为300km/h[1]。

高速行车要求轨道具有较高的稳定性、平顺性和可靠性,因此要求桥梁主体结构和桥面都需有较

收稿日期:2009-06-17

作者简介:肖海珠(1970-),男,教授级高工,1992年毕业于西南交通大学桥梁与地下工程系,工学学士,1997年毕业于同济大学桥梁系,工程硕士(xiaohz@brdi.com.cn)。

10桥梁建设　　2009年第4期

图1　大胜关长江大桥主桥立面布置

高的刚度。

在大胜关大桥的设计过程中,对铁路桥面系统进行了重点研究,对纵、横梁桥面系,正交异性板整体桥面构造进行了比较分析,在借鉴国内外工程经验的基础上,结合科学研究试验,最终采用正交异性板整体钢桥面。2　桥面设计方案研究2.1　纵、横梁铁路桥面2.1.1　设计思路

2.1.2　纵、横梁桥面方案

桥面横桥向全宽40.4m,为3片主桁构造,桁

间距15m,2片边主桁外侧悬挂牛腿,作为轻轨行车道,牛腿边缘至边主桁中心距5.2m。桥面采用纵、横格子梁体系,横梁分为6种类型,高度为2.3～2.6m,每幅桥面设置4道纵梁,梁高1.6m,上铺混凝土整体道床,混凝土板厚度为20cm[1]。截面布置见图2。

我国普通的铁路钢桁梁桥面大都采用纵梁、横梁组成格子梁明桥面体系来支承枕木与轨道。纵、横梁的铁路桥面具有构造简单、传力直接、杆件易于更换的优点。但列车运行时噪音大,对环境具有一定的污染。

在大胜关大桥方案设计、工可以及初步设计前期的研究过程中,基于构造简单、施工便捷、经济性等角度考虑,桥面方案采用传统的纵、横梁体系与道碴槽板结合的方案。但纵、横梁体系因为要释放桥面与主桁共同作用产生的纵梁内力,需设置多处伸缩纵梁,对应于该处的道碴槽板也需断开。

该桥为高速铁路桥梁,设计行车速度目标值300km/h,桥面断缝的存在会引起桥面刚度的突

图2　纵、横梁桥面布置

为减小共同作用产生的横梁面外弯矩,纵梁端部的螺栓孔采用长圆孔等构造措施,施工时释放一、二期恒载内力。2.1.3　静力计算

工况1:恒载+活载。按一次成桥进行计算,不考虑恒载的释放。工况2:恒载+活载。计算时纵梁只承受活载,将一、二期恒载释放。工况3:恒载+活载。计算时纵梁只承受二期恒载+活载,将一

期恒载释放。主要计算结果见表1、表2。

表1　工况1部分横梁面外弯矩

横梁位置

E19

E20E21

kN?m主力最大

436061104020

变,对于高速行车的影响无法评估,现有的车桥动力计算也无法精确模拟。

从既有纵、横梁明桥面结构体系的运营实践可以看出,伸缩纵梁处容易发生疲劳损坏,对于明桥面结构来说,构件易于更换,对行车影响不大。该桥的道碴槽板与纵、横梁用剪力钉结合,构件一旦损坏,更换非常不易。

基于以上考虑,在铁路纵、横梁与混凝土道碴槽板结合桥面方案研究之初,没有沿袭传统纵、横梁设置伸缩纵梁的构造,而是希望通过在安装过程中释放纵梁恒载的共同作用力,从而达到全桥纵梁连续的目的。为此,对结构进行了一系列的计算与分析研究工作。

恒载

293044502110

活载最大

9101060980

表2　工况2、3部分横梁面外弯矩

横梁位置

E18

E19E20E21E44E45

kN?m工况3主力

112112460730140560090530

恒载

67082010805903701740

活载最大

7909101060980720790

工况2主力

11114005708802209501000

经检算,横梁面外弯矩不能超过2000kN?m,由表1可以看出,在加劲弦附近E19～E21横梁(图3)弯矩超出了限值。

南京大胜关长江大桥铁路钢桥面设计与研究　　肖海珠,刘承虞,易伦雄11

图3　横梁位置

由表2可知,对于大胜关大桥这种长联构造,即使通过构造措施,释放部分纵梁内力,部分横梁仍然存在较大的面外弯矩。因此,须研究一种新的桥面构造形式以适应高速铁路行车。2.2　钢整体桥面方案研究和比较2.2.1　方案研究

针对大胜关大桥的结构特点,比较2种整体钢桥面构造形式。方案1为节点设置大横梁,节间设置小横肋,轨下设置大纵梁方案,见图4、图5。横梁高2.7m,纵梁高1.5m,每幅桥设4根。纵肋间距400mm,高220mm。每节间设3根横肋,间距3m,高772mm,桥面板、横梁与下弦杆焊连,横肋与下弦杆断开。

例,进行空间有限元分析,杆件采用梁单元,桥面采用板单元。

图7～9中,纵梁在沪汉蓉铁路靠近中桁侧,横梁在中支点处,从计算结果可以看出,方案2多横梁方案的纵、横梁应力水平明显低于方案1大横梁、大纵梁方案,从用钢量方面比较,两者亦相差无几,经综合比较,最终采用方案2多横梁方案。

图7　方案1纵梁与横梁应力

图8　方案2纵梁应力

图4　方案1节点横梁

图9　方案2横梁应力

图5　方案1节间横肋

2.2.3　结构设计

方案2为多横梁桥面方案,见图6。主桁节点

处设置大横梁,高2.0m。节间中设置3根小横梁,高1.3m,横梁与主桁下弦杆相连;钢桥面板上纵肋间距400mm;小纵梁高0.5m,每幅桥设4根。2.2.2　受力分析

主桁箱形下弦杆的上水平板加宽400mm,与

16mm厚的桥面顶板以不等厚对接焊焊连。主桁节点处,在弦杆的上水平板上开槽,让节点板从槽中穿出。节点板两侧及开槽的端部以熔透焊缝与弦杆上水平板焊连。

钢桥面顶板横桥向每隔600mm,焊有高260mm、厚6mm的U形纵肋。在每条线路的轨道之下焊有500mm高的倒T形纵梁,U肋和纵梁遇横梁腹板时开孔穿越。顺桥向每隔3.0m设1道横梁,节间横梁与主桁下弦杆等高,翼、腹板均和弦杆焊连。节点处横梁高2.0m,腹板与主桁的节点板以熔透角焊缝连接,腹板上缘与桥面板焊连。桥面板和下弦节点见图10。

方案研究阶段以1联2×84m连续钢桁梁为

图6　方案2节点横梁

12桥梁建设　　2009年第4期

图12　计算模型简图

图10　桥面构造

高,桥面板的应力在中支点处(7号墩)为最大,平均

应力为100MPa左右,应力集中处为210MPa;其余位置处桥面板应力较小,平均应力基本上在100MPa以下,应力集中处为150MPa左右。3　试验研究桥面分块制造和安装,每节间横桥向分为5块,

由3片主桁的下弦杆及其间的2块桥面板组成,见图11。边下弦杆各宽2.52m,中下弦杆宽3.24m。两桁间的桥面板块宽11.76m,纵桥向分成2段,分别长8.26m、3.74m。最大的桥面板块重约33t。各块件在工厂制造均为焊接连接,工地安装时,除桥面板为熔透焊接外,其余采用高强度螺栓连接。

为了对设计进行验证,对桥面结构的整体受力、疲劳构造细节及桥面板双向拉伸的疲劳性能进行研究,对各构造细节疲劳容许应力幅值进行规定,见表3。试验结果表明,整体桥面整体受力及构造细节的

疲劳性能均满足要求[3～5]。试验及破坏的照片见图13。

图13　试验及破坏照片

图11　桥面分块

钢桥面板顶现浇有150mm厚混凝土道碴槽

板,上覆6cm防水层,道碴槽板宽9.4m及9.8m用焊接栓钉与钢桥面板结合[2]。2.2.4　计算分析采用在整体模型中对特征部位进行板单元细分加密的方法进行计算,主要计算桥面系的应力分布情况。桥面系计算分为A、B、C、D四个部分,见图12。

经计算,桥面系中桥面板应力较纵、横梁应力

序号

123

4　结　语

2007年12月开始南京大胜关长江大桥的钢梁

安装工作,2008年12月边跨合龙[6],计划2009年

内竣工。在我国高速铁路建设的工程实践中,该桥首创的正交异性板整体铁路钢桥面的设计、科研、制造、现场施工安装中积累的丰富经验对后续桥梁的建设将产生积极的影响。

表3　大胜关长江大桥主桥钢结构关键构造细节推荐疲劳设计S～N曲线

构造细节

横梁与整体节点十字对接焊缝试件加腹

板角焊缝(D1)

桥面系栓焊组合接头(D2)

箱梁棱角焊缝改变熔深过渡并与板件对接焊缝交叉(D3)桥面板与整体节点连接构造受箱形杆件纵向力

桥面板与整体节点连接构造受桥面板横向力

绕焊开椭圆孔构造(D4)

垂直相交对接焊构造(D4G)开椭圆孔构造

(D5)

试验回归曲线(97.7%保证率)σlgN=12.0754-3.1186lgσlgN=12.1113-3.1130lgσlgN=9.8205-1.9390lgσlgN=12.9020-3.3638lgσlgN=11.9559-2.7457lgσlgN=16.0832-5.4673lgσlgN=12.4564-3.1884lg

推荐设计曲线σlgN=11.64-3.0lgσlgN=11.64-3.0lg

σlgN=10.55-2.5lgσlgN=13.45-3.5lgσlgN=11.85-3.0lgσlgN=12.16-3.0lgσlgN=14.71-5.0lgσlgN=11.85-3.0lg

疲劳容许应力

幅[σ0]/MPa

6060

50(原工艺)110(改进工艺)

7190

48(不建议采用)

71

4

5

垂直对接焊构造(D5G)

(下转第45页)

广州地铁四号线沙湾特大桥设计　　陈德柱,陆金海45

对主梁进行处理。将主墩设计成比梁体略宽,并将墩顶分两向向上延伸,其分叉越往上越宽,侧面看桥时,立面呈现出由墩顶处向外发散的辐射状造型,弱化了巨大梁体的存在;在跨中梁体合龙段,增加竖向的凹槽,将梁一分为二,进一步消除其巨大的体量感。

主墩的墩顶涂成蓝色,下部刻有凹槽,整体让人感觉到人性化的细节处理。其分叉状的造型让人联想到羊角,隐含着广州“羊城”的别称;也可将其想象成一只飞翔的海鸥,体现广州滨海城市特色。主墩造型见图8。

过渡形态。7　结　语

为了保证地铁运营的舒适性、安全性和景观性要求,在设计中必须满足结构的顺桥、横桥及竖向刚度要求;要充分考虑结构在体量、造型及颜色上与周边的建筑、地貌等相协调,能溶入当地环境中。沙湾特大桥作为广州地铁四号线中一个重要工程节点,也是国内地铁同类型桥梁中跨度最大的桥梁,它的建成将为今后地铁同类桥梁设计提供可以借鉴的成功经验。目前广州地铁四号线已经顺利通车运营,运营状况良好。参　考　文　献:

[1]　凌知民.轨道交通预应力混凝土连续梁桥的徐变控制

[J].桥梁建设,2002,(3):25-28.

(LINGZhi2min.CreepControlofPCContinuousBeamBridgeofRailTransit[J].BridgeConstruction,2002,(3):25-28.inChinese)

[2]　盛国刚,彭　献,李传习.连续梁桥与车辆耦合振动系

图8　主墩造型

统冲击系数的研究[J].桥梁建设,2003,(6):5-7.

(SHENGGuo2gang,PENGXian,LIChuan2xi.StudyofImpactCoefficientsofCoupledVibrationSystemofContinuousGirderBridgeandMovingVehicles[J].BridgeConstruction,2003,(6):5-7.inChinese)

在主桥主梁与标准段梁的衔接处,2种断面形

式区别非常大。设计采用“包”的方法,利用桥墩把活动支座隐藏在桥墩内。墩顶也被涂成蓝色,与主墩不同的是上部不加分叉,是主桥墩与标准段墩的(上接第12页)

参　考　文　献:

[1]　中铁大桥勘测设计院有限公司.南京大胜关长江大桥

Chinese)

[5]　中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司.南京

大胜关长江大桥整体钢桥面板与主桁节点板连接细节疲劳试验报告[R].2008.

(BridgeScienceResearchInstituteLtd.TestReportofFatigueofConnectionDetailsofMonolithicSteelDeckandGussetPlatesofMainTrussesofDashengguanChangjiangRiverBridgeinNanjing[R].2008.inChi2nese)

[6]　骆双全,于祥君.南京大胜关长江大桥主桥钢梁南边

初步设计文件[Z].2006.

[2]　中铁大桥勘测设计院有限公司.南京大胜关长江大桥

施工图设计文件[Z].2007.

[3]　中南大学.南京大胜关长江大桥道碴整体桥面结构分

析与试验研究[R].2006.

(CentralSouthUniversity.AnalysisofTestStudyof

MonolithicBallastDeckStructureofDashengguanChangjiangRiverBridgeinNanjing[R].2006.inChi2nese)

[4]　铁道科学研究院.南京大胜关长江大桥结构构造疲劳

跨合龙技术[J].桥梁建设,2009,(3):9-11.

(LUOShuang2quan,YUXiang2jun.ClosureTech2niquesforSouthSideSpanSteelGirderofMainBridgeofDashengguanChangjiangRiverBridgeinNanjing[J].BridgeConstruction,2009,(3):9-11.inChi2nese)

性能试验研究[R].2007.

(ChinaAcademyofRailwaySciences.Experimental

StudyofStructuralFatiguePerformanceofDasheng2guanChangjiangRiverBridgeinNanjing[R].2007.in

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xa8h.html