京沪高速铁路济南黄河大桥主桥设计

文章编号:1003-4722(2006)S2-0094-03京沪高速铁路济南黄河大桥主桥设计张 强(中铁大桥勘测设计院有限公司,湖北武汉430050)摘 要:京沪高速铁路济南黄河大桥的主桥桥式方案选择时充分考虑了水文及高速行车对结构的要求,采用刚性梁柔性拱方案。

重点介绍了新型带K 撑的主桁结构及正交异性整体式桥面在该桥的应用。

关键词:铁路桥;钢桥;桥式方案;正交异性板;桥面;桥梁设计中图分类号:U448.13;U448.36文献标识码:ADesign of Main Bridge of Ji c nan Huanghe River Bridgeon Beijing 2Shanghai High Speed RailwayZHANG Q iang(China Zhongtie Major Br idge Reconnaissance &Design Institut e Co.,Ltd.,Wuhan 430050,China)Abstr act:At the time the bridge type alternative for the main bridge of Ji'n an H uanghe River Bridge on Beijing 2Shanghai H igh Speed Railway was selected,the hydr ologic conditions at 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 2struts 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作者简介:张 强(1976-),男,工程师,1998年毕业于西南交通大学桥梁工程专业,学士学位。

1 引 言京沪高速铁路济南黄河大桥是京沪高速铁路跨越黄河的通道,可研阶段主桥按京沪双线桥开展研究。

为节约有限的桥位资源,减小对黄河行洪排凌的影响,根据铁道部相关会议精神,初步设计阶段主桥按京沪高速和太青客运专线四线共建考虑。

济南位于黄河下游河段,河道水少沙多、淤积严重。

桥址处河道属弯曲性的河道,其特点是河道窄而弯曲多,弯曲半径小。

工程修建后,对行洪排凌的影响、对河床形态的调整和洪水期水位的表现,以及河道的淤积等问题均需要开展研究。

京沪高速铁路是我国设计时速最高的客运铁路。

本桥设计时速为350km/h 。

为保证列车运营安全和舒适,设计中对桥式方案、主桁结构及桥面形式等均进行了分析。

2 主桥孔跨布置在进行主桥孔跨布置之前,对桥址处的河势演变进行了分析。

受两岸控导工程和险工控制,中水河槽和河势溜向已初步得到控制,因此河势变化研究时以近期河势及河道统测断面资料为主。

通过比较河段1980~2001年主溜线变迁图,选用了6个年份的汛末主溜线套绘河势图,确定桥位主溜宽度为250m 。

桥址下游1.2km 的郑家店断面的河道边界条件与桥位处相似,借鉴郑家店断面的1980~2001年河道统测断面资料,确定桥位处主94桥梁建设 2006年增刊2槽的摆动幅度为600m。

根据上述分析结果,初步拟定了(112+2@168 +112)m桥式布置进行河工模型试验。

按河工模型试验结果,枯水期排凌要求主孔跨应紧靠北临黄大堤前以利排凌,因此主孔整体向北平移,以主桥边跨跨越北临黄大堤,同时为满足主孔总长不小于600m的防洪要求,桥式布置改进为(112+3@168 +112)m。

按黄委会对济南河段的孔跨要求,南岸滩地采用不小于50m的孔跨。

以改进后的桥式方案重新进行河工模型试验,试验结果表明:洪水过程中桥位断面有桥与无桥方案调整状况相差不大,有桥方案的排冰效果基本与无桥方案相同。

济南河段为堆积性河道,长期看主槽和滩地基本呈同步抬升趋势。

为确保防洪安全,目前采用大堤加高培厚的方法。

1999年底小浪底水库投入运用,其调节径流泥沙的运行方式将在一定年限范围内对下游河段的冲淤造成影响,使河道下切,减少了部分淤积。

根据黄河水利科学研究院进行的水文泥沙分析,桥址处未来50年总的预计淤积高度为4.0 m,在不影响桥长及纵断面布置的条件下,按5.04 m预留此部分大堤加高后的建筑高度。

3主孔桥式方案比较根据5京沪高速铁路设计暂行规定6(简称暂规)的要求,在ZK活载作用下,跨度大于80m的梁,采用有碴桥面时,梁端竖向折角不应大于2j,梁体的竖向挠跨比($/l p)限值为1/1000。

预应力混凝土梁轨道铺设后,梁的徐变上拱不宜大于20mm。

可研阶段提出过预应力混凝土连续梁、预应力混凝土部分斜拉桥和连续钢桁梁方案。

预应力混凝土连续梁方案结构变形均满足暂规要求,但因梁高较高,主孔轨底高程较钢桁梁方案高出5.1m,导致正桥两边的纵坡随之加大,增加了基础的工程数量,并且对长期运营能耗不利。

同时,因梁体质量较重,对结构的抗震不利。

而部分斜拉桥方案,梁体的收缩徐变对结构线形的影响较难控制,最终也予以舍弃。

钢桁梁方案进行了变高度连续钢桁梁及等高度刚性梁柔性拱方案的对比,见图1、图2。

两方案主要计算结果比较见表1。

图1变高度连续钢桁梁方案图2等高度刚性梁柔性拱方案表1两方案主要计算结果竖向挠跨比$/l p中跨边跨梁端转角/j 变高度连续钢桁梁方案1/15651/2060 1.576等高度刚性梁柔性拱方案1/29221/2128 1.604较变高度连续钢桁梁方案,等高度刚性梁柔性拱方案不仅在提高钢梁竖向刚度上具有明显优势;由于桁高的降低使腹杆的长度减少,杆件受力更为合理;单根杆件的最大重量也较变高度连续钢桁梁方案为小;杆件的制造与安装更加方便。

因此,桥式方案最终确定为等高度刚性梁柔性拱方案。

4主桁断面设计根据可研阶段的研究结论,初步设计阶段未进行方案的比选,按刚性梁柔性拱方案开展四线桥的相关设计工作。

刚性主梁采用带竖杆的等高度三角形桁架,桁高16.0m,节间14.0m。

柔性拱肋按圆曲线布置,矢高30.0m,矢跨140.0m,矢跨比1/4.67,拱肋在拱脚与支点处斜杆通过节点相连。

因主桁宽度大,初步设计时就30m总桁宽采用两桁和三桁进行计算分析,其断面布置见图3、图4。

主要静力计算分析结果见表2。

图3两桁方案主桁断面布置图4三桁方案主桁断面布置95京沪高速铁路济南黄河大桥主桥设计张强表2两桁和三桁方案主要静力计算结果桁式方案弦杆最大内力/kN支座反力(中桁)/k N支座反力(边桁)/kN(一桁)最大竖向挠跨比$*/l p 拉力压力边支点中支点1中支点2边支点中支点1中支点2边跨中跨两桁4980021140)))2570083150913001/25451/3733三桁38500160001700056110628301135044030507301/28721/4097注:*为静活载作用下的最大竖向挠度绝对值。

从计算结果可看出,采用两桁和三桁方案结构的刚度均满足规范要求。

主桁采用两桁方案具有结构受力明确,构造相对简单等优点。

当结构受力很大,杆件截面选择时钢板厚度及截面尺寸超出现阶段钢材所允许最大尺寸时,采用三片主桁可有效解决此问题。

本桥跨度相对较小,在四线ZK活载作用下,2片主桁时其杆件最大内力为49800kN。

另外当采用3片主桁时,由于整体桥面横梁与主桁连接的构造要求,主桁下弦杆件须具备必要的高度以适应与横梁的连接,由于构造要求而导致结构的用钢量增大。

因此两桁方案更优。

两桁方案的杆件截面,弦杆采用箱形截面,截面高度在1500mm以内,内宽1300mm。

腹杆除受力较大的斜杆采用箱形截面外,其余均采用便于拼接的/H0截面,箱形截面高800~1700mm,/H0截面高900mm,腹杆截面外宽均为1300mm。

主桁平弦部分节点采用整体节点设计,考虑制造及安装方便,拱肋节点采用拼装节点。

主桁最大板厚控制在50mm以内。

杆件截面选择时钢板厚度及截面均满足常规尺寸及现阶段已有材料、制造施工工艺的要求。

5桥面结构设计目前我国铁路桥常用的桥面结构为纵横梁桥面系。

在纵横梁桥面系的设计计算中,为防止纵横梁参与主桁共同作用而引起横梁过大的面外弯矩,通常在跨间设置伸缩纵梁。

但伸缩纵梁造成桥面的不连续性将对高速行车带来不利影响。

为此,本桥桥面设计为桥面板和下弦杆结合的低高度桥面[1]。

用正交异性板整体桥面代替纵横梁桥面体系,取消下平联、伸缩纵梁及制动架,桥面结构与下弦杆共同受力。

根据资料我国最早采用正交异性板桥面的淮南复线拓皋桥运营状态良好。

开口纵肋具有制作、焊接方便,易于根据不同的内力改变截面等优点,因此桥面纵肋采用开口肋。

由于整体桥面板与主桁下弦杆采用焊接,横梁与竖杆及横联形成了节点完全刚性的横向框架,竖杆须承受较大的面外弯矩,为改善横梁及竖杆的受力状态,本桥的横联设计为带/K0撑的结构。

在两桁方案中,通过对横向平面框架的分析研究,横联采用/K0撑的结构,竖杆的面外弯矩为2200kN#m;而无/K0撑的结构,竖杆的面外弯矩达9460kN#m。

6主桥下部结构设计据钻孔资料揭示,桥位工程地质地层以第四系河流相粉质土为主,其间多夹粉、细、中砂及粉土、粘土薄层或透镜体,钻孔深40m以下姜石含量较高,姜石层分布较多。

根据物理力学性能试验分析,较好的工程持力层为地表以下20.0m深度以下的硬塑粉质粘土层。

该桥工程地质土适合于桩基和沉井基础。

采用大直径打入钢管桩成本太高。

而沉井基础由于地层含钙质胶结的姜石分布较广,沉井下沉进度慢,不利于工期的控制。

最终,主桥基础采用适应性好的钻孔灌注桩基础。

7结语京沪高速铁路济南黄河大桥设计过程中通过分析国内外的高速铁路桥的建造技术,结合国际咨询的成果,形成了适合于本桥特点的结构设计。

目前主桥施工图设计正在进行。

参考文献:[1]马坤全,吴定俊,曹雪琴.高速铁路钢结构桥梁桥面结构布局探讨[J].铁道标准设计,2003,(12):56-59.96桥梁建设2006年增刊2。