新建安九铁路长江大桥主航道桥主梁设计

李江刚 张巨生 王志平

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司 武汉 430056)

新建安庆至九江铁路是京九客专的重要组成部分，安九铁路长江大桥为全线控制工程。桥位南侧位于江西九江市，北侧位于湖北黄梅县。大桥按4线设计(2线350 km/h高铁及预留2线200 km/h客货共线I级铁路)，主航道位于九江大堤及鳊鱼洲之间，且靠近九江大堤侧[1]。因高铁对行车的安全性、舒适性要求高，箱型梁刚度较小，国内、外大跨度铁路及公铁斜拉桥主梁结构形式以桁式主梁居多。但考虑建桥条件即边跨位于陆地及鳊鱼洲上，通过设置混凝土边跨[2]、增加钢梁段恒载重量、主跨跨中采用交叉索布置等措施找到了满足静力及动力要求的混合箱梁斜拉桥方案。

1 工程概况

新建安九铁路长江大桥主航道桥采用铅锤双索面双塔混合箱梁斜拉桥，跨度布置为2×50 m+224 m+672 m+174 m+3×50 m，全长1 320 m，为国内跨度最大、设计通行速度最高的4线铁路混合梁斜拉桥。大桥采用半漂浮体系，跨中区段采用交叉索布置解决行车舒适性要求。主跨及辅助跨采用钢箱梁，其余采用混凝土箱梁，桥型布置见图1。

图1 主航道桥桥型布置图(单位：m)

2 主梁总体设计

钢箱梁梁段全长1 060 m，混凝土梁全长260 m。其中索交叉区钢梁段长72 m，钢梁共分为63个节段，节段划分及断面见图2。标准节段长18 m

(每节段内含2对斜拉索)，交叉索区钢梁节段长12 m,主塔钢梁节段长13.6 m,合龙段长10.4 m,黄梅和九江侧钢-混结合段分别长13.2 m和10.2 m。

图2 主梁节段划分图(单位：m)

2.1 钢梁设计

钢箱梁采用单箱三室截面，钢材为Q370qE，钢箱梁高约4.79 m，桥面设置双向2%的横坡，边箱高4.5 m。钢箱梁宽32.2 m。斜拉索横向间距为29 m，纵向间距9 m(跨中12 m)。钢梁顶面铺有15 cm厚的混凝土道砟槽板，提高体系重力刚度。道砟槽板采用剪力钉与钢箱梁连接。道砟槽板设横向断缝，不参与纵向受力。钢箱梁标准节段长度为18 m，质量约550 t。

钢箱梁顶底板采用正交异性桥面板，标准段顶、底板厚16 mm，主塔及结合段逐渐加厚至24 mm，腹板厚28 mm。顶板加劲肋采用板肋形式，提高桥面板抗疲劳性，标准段板肋为220 mm×20 mm，横向间距350，375 mm，每线铁路轨道位置处设小纵梁，小纵梁腹板高500 mm，厚14 mm，下翼缘规格为250 mm×16 mm。钢箱梁底板采用U肋加劲，U肋高220 mm、厚8 mm，U肋开口宽380 mm、顶宽200 mm，横向间距750 mm。边箱顶板及边箱腹板外侧加劲肋采用板肋，板肋规格为260 mm×24 mm，钢箱梁梁内每隔3 m设置1道横隔板。钢箱梁采用全焊连接的形式，钢轨正下方的小纵梁腹板采用高强螺栓连接，小纵梁翼缘采用焊接。

2.2 预应力混凝土梁设计

50 m跨采用C55的单箱单室的预应力混凝土结构，外形匹配钢梁，采用纵横向预应力体系。与钢梁同宽，梁高4.94 m(道砟槽板在结构内)，标准段顶板和底板厚40 cm，肋板厚280 cm，靠近钢-混合结合段处顶底板加厚至70 cm。混凝土梁上斜拉索纵向间距按9 m和6 m 2种设置，拉索锚固处对应位置设有索横隔板，标准隔板纵向间距为3 m，隔板厚0.4 m。靠钢-混结合处的3号、6号辅助墩考虑压重设3 m厚的横隔墙。

2.3 钢-混结合段构造设计

全桥设置2个钢-混结合段，钢-混结合段设置在易于施工、质量控制易于保证的辅助墩附近[3]。黄梅侧和九江侧钢-混分界面分别距3号和6号辅助墩向主塔侧8 m和6 m处，见图3。

图3 钢-混结合段位置(单位：m)

钢-混结合面采用承压传力的结构形式，承压隔板厚度60 mm，钢梁顶、底板厚24 mm。结合段设2 m厚的混凝土隔墙，钢梁的顶底钢板伸入混凝土侧2 m,在混凝土梁侧承压板上设置剪力钉。为使刚度过渡匀顺，顶、底及腹板加劲肋加高、加厚，其中底板加劲肋逐步过渡成板肋，另外边室内腹板与承压隔板之间增加了三角水平板加劲肋。顶底板设有PBL剪力键及剪力钉[4]，除顶板剪力钉规格为直径19 mm×长度100 mm外，其余为直径22 mm×长度150 mm，标准间距150 mm。为确保受弯下端承压板与混凝土密贴，结合段预应力通过延长连接板锚固，保证预应力均匀传递到承压板。钢-混结合面共配122根预应力束，结合段断面见图4。钢-混结合段轴向力直接以端承压板受力为主，弯矩用预应力钢绞线承受，梁端剪力以端承压板上布置的剪力钉和端摩擦力平衡。

图4 钢-混分界面断面图(单位：mm)

3 结构静力计算分析

整体静力计算采用midas和SCDS进行,结合段局部分析采用ANSYS进行，计算和分析模型见图5。

图5 静力计算有限元模型

3.1 整体静力分析

按全施工过程建模，运营阶段考虑的荷载有：恒载、基础变位、收缩徐变、列车活载、制动力、整体升降温，索与梁温差、主塔塔壁日照温差、主梁竖向温度梯度、风荷载。其中钢梁标准段一期恒载323 kN/m，二期恒载为460 kN/m，计算活载取2线ZK+2线中活载，考虑4线线折减系数0.75，活载集度约为216 kN/m。荷载组合按规范采用最不利组合，计算结果如下。

运营阶段。钢箱梁最大应力163.4 MPa；预应力混凝土箱梁全截面受压，最大压应力为17.8 MPa，最大主压应力为16.9 MPa，主拉应力为1.67 MPa；梁端转角为0.031% rad，主跨静活载挠跨比为1/684。均满足规范要求[5]。

钢-混分界面处钢梁最大压应力为145 MPa，最大拉应力为66.3 MPa；分界面处混凝土梁全截面受压，最大压应力为17.1 MPa，最小压应力为0.93 MPa。

3.2 钢-混结合段局部分析

取黄梅侧钢-混结段按最不利荷载状态，采用ANSYS建模。为了避免圣维南现象，取混凝土梁段25 m+钢混结合段2 m+钢梁段16 m建模。钢箱梁钢板采用壳单元模拟，混凝土采用实体单元模拟，剪力钉采用梁单元模拟，预应力筋采用杆单元模拟,模型共计单元232 040个，节点总数为170 068个。以客运侧箱梁构造建立一半的箱梁模型，并釆用正对称约束，模型采用混凝土端约束三向线性位移，3号墩处施加竖向位移约束，钢箱梁端自由的约束方式。通过刚性域的方式加载在截面形心位置以考虑局部模型的第一体系内力[5]。钢-混结合处，钢结构与混凝土接触位置不做处理，通过钢构件表面的剪力钉、PBL的节点与混凝土节点采用耦合的方法进行相互连接。

模型的总体坐标系Z方向为桥跨纵向，Y向为竖向，X向为桥跨横向。

考虑以下工况下结构局部应力水平及应力分布状况。

1) 工况1。取总体最不利荷载组合(主力+附加力)下钢混段分界面最大负弯矩工况。

2) 工况2。取总体最不利荷载组合(主力+附加力)下钢混段分界面最大正轴力工况。

3) 工况3。桥梁横向受力：ZK活载作用。

限于篇幅，文中仅列出起控制作用的工况1下2 m钢混段及附近3 m钢梁的主要构件的Von Mises等效应力，见图6。

图6 主要构件Von Mises应力(单位：MPa)

剔除剪力钉硬点及预应力锚固处应力集中点后，钢梁及混凝土最大应力值见表1。

由图6和表1可得出，3个工况中最不利的为最大负弯矩工况。纵向计算和横向计算下，结构应力均在规范要求范围内[6-7]；钢混段钢结构部分主体应力分布均匀，刚度过渡平顺，且承压板为主要传力构件；结合段混凝土隔墙在承压板内边缘和过人洞周围出现应力集中，局部出现拉应力。

表1 钢-混结合段局部有限元分析结果 MPa

注：表中正应力以拉应力为正，压应力为负。

4 结语

新建安九铁路长江大桥主航道桥为我国首座350 km/h高铁跨长江的铁路混合箱梁斜拉桥，也是世界跨度最大、设计运营速度最高的混合箱梁铁路斜拉桥。大桥为典型的大跨、长联、高墩结构，本项目的主要创新点如下：首次在跨长江铁路斜拉桥中采用箱型主梁；首创采用交叉索解决了因箱梁刚度小而引起的主跨跨中行车舒适性不足的问题；伸缩缝及轨道温度调节器首次采用1 600 mm的下承式结构。

本文以该桥为工程背景，阐述了主梁的各个主要部位的构造设计，为同类工程提供参考。该桥于2017年开工建设，预计2022年通车运营。