900 t运梁车过钢桁斜拉桥方案研究

李方柯 苏国明 王 冰

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)

1 工程背景

新建徐州至盐城铁路位于江苏省北部地区，连接徐州、宿迁、淮安、盐城四地市。盐城特大桥位于盐城市亭湖区新洋港与通榆河汇流的喇叭口处，采用(72＋96＋312＋96＋72)m连续钢桁斜拉桥跨越新洋港，桥位临近既有新长铁路和新洋公路大桥，如图1所示。

新洋港斜拉桥南侧临近盐城站，其间共设45孔双线简支箱梁，采用移动模架法施工，斜拉桥按不过运梁车设计。2017年盐城市结合城市规划提出盐城站南移1.5 km，同年完成了相应变更设计，斜拉桥与盐城站之间增至97孔双线简支箱梁和73孔单线简支箱梁。为满足建设工期需求，该区段简支箱梁拟采用预制架设的施工方案，新增梁场存在征地及投资增加的问题，预制梁在小里程侧既有梁场生产后，经斜拉桥完成运输和架设。

图1 桥址平面图

新洋港斜拉桥小里程侧接32 m双线简支箱梁，该相邻孔简支箱梁拟采用整孔现浇施工方案；大里程侧接(60＋100＋60)m连续梁。斜拉桥无架梁需求，仅需对运梁车驮梁过斜拉桥进行研究。

2 主桥设计简介

新洋港斜拉桥为徐盐铁路全线控制性工程，桥位处新洋港为规划Ⅲ级航道，现状河道水面宽240 m，规划航道宽292 m。桥式方案采用跨度布置为(72＋96＋312＋96＋72)m的双塔双索面钢桁斜拉桥(见图2)，主桥全长650 m[1]。结构采用半漂浮体系，塔、梁之间设竖向支座，纵向采用阻尼约束体系。桥塔采用花瓶状结构，塔高129 m，主塔每侧设12对拉索；主桥边墩和辅助墩采用拱形双柱式门式墩；主梁采用双主桁、三角形桁式的钢桁结构，主桁节间距12 m，全桥共54个节间，主桁高度14 m，主桁中心距15 m。

图2 桥式布置图(单位:m)

桥面系结构采用有砟轨道正交异性钢桥面。桥面板在宽9.5 m道砟槽板范围内采用热轧不锈钢复合钢板，其基材为16 mm厚的Q370qE钢板，面板为3 mm厚的不锈钢板。桥面板下横桥向设置多道U形肋，在每条轨道下设一道纵梁，全梁设置4道，纵梁采用倒T形截面；沿桥纵向每隔3 m设置一道横梁，支点处横梁采用箱形截面，其余采用倒T形截面，横梁上翼板(桥面板)与主桁伸出肢焊接，腹板及底板与主桁伸出肢栓接。桥面系纵横梁布置如图3所示。

图3 桥面系纵横梁平面布置(单位:mm)

3 过运梁车方案研究

铁路斜拉桥通常按不通行运梁车设计。一方面，铁路斜拉桥一般为全线控制性工程，通行运梁车进行运架梁将增加全线总工期；另一方面，运梁车及架桥机支腿荷载和铁路运营活载差异较大，且直接作用在桥面板上，可能控制斜拉桥的整体和局部设计，增加投资。

国内铁路混凝土梁桥通行运梁车较为普遍[2-4]，但斜拉桥通行运梁车的工程实例很少，目前仅有蒙华铁路汉江特大桥(主跨360 m混凝土斜拉桥)、公安长江大桥(主跨518 m双塔钢桁斜拉桥)和洞庭湖大桥(主跨2×406 m三塔钢箱桁梁斜拉桥)等，且其运梁车驮运 T梁，总重仅为176 t左右[5-8]。本桥通行900 t运梁车，运梁车驮梁总重为945 t，在国内尚属首次。

3.1 运梁车概况

新洋港斜拉桥现场采用DCY900型运梁车驮运双线梁，采用LYC275主车、LYC550T副车驮运单线梁。单线运梁车长度较大，且整体重量和局部轮载仅为双线运梁车的60%左右，因此以双线运梁车荷载作为结构检算的控制荷载。

DCY900型运梁车纵向共17组车轮，间距2 m，每组车轮(4P)竖向荷载为55.6 t；每组车轮横向共4个轮胎，单个轮胎荷载为13.9 t，单个轮胎着地面积为0.2 m×0.5 m(纵向×横向)，如图4所示[9-10]。

图4 双线运梁车横断面布置(单位:mm)

运梁车驮梁时外宽为12.2 m(梁宽控制)，高度为6.2 m；钢桁内宽约14 m，内高约8.8 m，满足运梁车通行限界要求。运梁车通行时宜走行于钢桁桥面横向中心位置。

3.2 方案设计计算原则

斜拉桥结构分析的状态为中跨钢梁合龙后、二期恒载上桥前，该状态塔梁临时固结已拆除、全部压重安装完毕。按全桥计算分析运梁车过梁时塔、梁、索、支座等的受力状态，重点考察桥面系受力状态，按第一体系和第二、三体系分别计算桥面系的受力，叠加后得到各板件的应力状态。参照铁路相关规范对斜拉桥的内力、变形进行检算[11-12]。

采用RM BRIDGE(TDV)软件进行全桥整体计算，计算模型除斜拉索采用索单元模拟外，其它构件均采用梁单元模拟，如图5所示；采用 ANSYS 17.0软件进行桥面板局部计算，考虑到斜拉索对钢梁的约束效应模拟困难，模型采用板单元建立一个12 m长的标准桥面板节段，按简支体系约束，重点考察桥面系第二、三体系的应力，如图6所示。

图5 整体计算模型

图6 局部计算模型

经研究，运梁车荷载冲击系数参照美国AASHTO规范取1.15，荷载不均匀系数取1.05，运梁车轮载合计取1.2倍的效应放大系数。局部分析时桥面板厚度按19 mm(16 mm钢板＋3 mm不锈钢板)计算，桥面系各构件的疲劳应力限值按铁路钢桥规范限值控制。

3.3 运梁车直接通行方案

考虑斜拉桥钢梁合龙、斜拉索初张完毕后直接通行运梁车，分别进行结构整体和局部分析。表1～表3分别给出了运梁车通行时斜拉桥的总体计算指标、支座反力及桥面系应力状态，其中桥面系应力为综合三个体系的计算结果。可以看到，运梁车通行时斜拉桥的主桁、斜拉索、桥塔等受力满足要求，支座反力均小于支座吨位且未出现负反力；桥面系整体受力满足要求，U肋与横梁的焊缝位置出现最大约122 MPa的应力幅，超过规范限值71.9 MPa，将对结构造成一定的疲劳损伤。为保证桥面系结构安全，应针对桥面采取加强措施。

表1 斜拉索总体计算指标

表2 支座反力汇总kN

表3 _桥面系应力MPa

3.4 桥面加强方案

3.4.1 桥面加强方案一

方案一拟在桥面布设分配梁，将运梁车荷载直接传递至桥面系横梁，再传递给主桁和其它构件。

图7 方案一断面布置

在桥面对应运梁车车轮作用位置设2组分配梁(见图7)，单组分配梁横向由13片 20b工字钢和20 mm厚顶钢板组成。横桥向在2组分配梁之间、分配梁和桥面挡砟墙之间设横向支撑槽钢，支撑槽钢布置在桥面系横梁位置，纵向间距3 m。

分配梁纵向标准节段长12 m，各节段端头点焊形成整体，在桥面系横梁位置设置10 mm厚的支承橡胶垫。

通过上述布置，分配梁沿纵向形成跨度3 m的等跨连续梁体系。分别按简支和连续体系对分配梁进行分析，分配梁在运梁车荷载作用下的最大应力为82 MPa，受力安全；分配梁最大竖向变形为2.1 mm，小于垫起高度10 mm，能够实现分配目的。

针对该方案分别进行斜拉桥的整体和局部分析，运梁车通行时斜拉桥的总体计算指标、支座反力等满足要求，桥面系应力状态见表4。可以看到，采用分配梁方案后，U肋应力显著降低，桥面系受力均满足要求，但桥面板应力水平较高，已接近规范限值(252 MPa)。

表4 方案一桥面系应力 MPa

3.4.2 桥面加强方案二

方案二拟在桥面铺设钢筋混凝土板，增大运梁车轮载的扩散面积，增强桥面的局部刚度。

在桥面对应运梁车车轮位置现浇2组20 cm高、260 cm宽的钢筋混凝土板，如图8所示。

图8 方案二断面布置

经整体和局部分析，运梁车通行时斜拉桥的整体计算满足要求，桥面系应力状态见表5。可以看到，采用该方案后，U肋应力显著降低，桥面板和横梁应力变化不大，桥面系受力均满足要求。

表5 _方案二桥面系应力MPa

3.5 桥面加强方案对比

两个方案均满足结构受力要求。方案一传力途径明确、施工方便，但耗费钢材较多(见表6)，造价约为550万元；方案二可有效增强桥面局部刚度，采用相对便宜的钢筋混凝土作为主材(见表7)，造价约为120万元。综合考虑结构受力、经济性、工期等因素，选择方案二作为推荐方案。

表6 方案一工程数量

表7 方案二工程数量

4 方案实施情况简介

现场采用方案二对桥面进行加强。预先在桥面铺设双层防渗土工布，实现钢筋混凝土板和钢桥面板的软隔离以便于拆除；按照设计方案在指定位置安装预埋钢筋，并浇筑混凝土(见图9)。

桥面混凝土养护至强度达到设计值后开始通行运梁车(见图10)。监控单位在运梁车通行过程中对梁及塔位移、桥面板顶面应力等进行了监测，实测值和理论值吻合度良好(实测值均略小于理论值)，斜拉桥结构受力安全可靠。

图9 桥面现浇混凝土施工

图10 现场运梁车驮梁通行

5 结束语

(1)钢桁斜拉桥直接通行900 t运梁车时，结构受力安全，桥面系构件将产生一定的疲劳损伤。

(2)对钢桁斜拉桥桥面进行局部加强后即可满足900 t运梁车通行要求。

(3)在钢桥面板上铺设钢筋混凝土板代价较小，可作为钢桁斜拉桥通行900 t运梁车的优选加强方案。