钢桁梁桥跨越能力强、承载力高, 在铁路、公路、轨道交通工程中常有应用。对于大中型简支钢桁梁桥而言, 桥面预拱度设置是桥梁设计中非常重要的一环。不当的预拱度设置会给桥梁使用带来大的障碍并留下安全隐患, 而合理的预拱度则可使桥梁承受更大荷载, 并提供更舒适的行车体验。

已有学者对实际工程设计进行了介绍, 如苏国明等介绍了某运煤专线特大桥主桥栓焊下承式连续钢桁梁的主桁、桥面系及连接系等的构造形式、计算方法等;任万敏等介绍了128m下承式简支钢桁梁桥赵寨颖河双线特大桥的设计方案, 计算了主梁杆件内力及位移、预拱度、自振特性等。

钢桁梁桥的预拱度设置在施工中关乎钢梁工厂的梁体制造和轨道等专业的铺轨作业等环节。初始预拱度由预制厂预制及组装产生, 在施工过程中受到每个施工步骤的影响, 最终达到列车运营拱度要求。目前预拱度对施工各阶段的影响还无较详细的介绍。

本文以96m跨度城市轨道交通单线简支钢桁梁桥为例, 分析了简支钢桁梁桥的设计要点、结构形式及施工组织, 重点讨论钢桁梁预拱度设计方法与实际施工控制要点, 为类似工程提供参考。

南京地铁宁和城际工程在刘村站—朱石路站区间右线以简支钢桁梁的结构形式跨越板桥河, 桥梁跨度为96m。按照铁路桥梁分类标准, 本桥梁属于大中型桥梁。板桥河为通江河道, 河口宽约84m, 河底宽36.7m, 河道深度约3m。工程场地地势开阔, 位于长江高漫滩冲积平原, 场地覆盖层为填土、粉质黏土、粉土、粉砂、砾土等, 基岩为白垩系葛村组陆相碎屑沉积泥质粉砂岩。

1) 主体结构使用年限100年, 钢结构防腐20年。

2) 行车速度列车最高运行速度100km/h。

3) 线路本桥平面线形为直线段, 纵坡为12‰。

4) 轨道轨距1.435m, 轨道结构为整体道床, 结构高0.54m。

5) 车辆B型车, 6节编组。

6) 荷载车辆荷载如图1所示, 轴重14t。B型车轴重示意如图1所示。

7) 洪水频率百年一遇。

8) 地震烈度7度 (动峰值加速度0.1g) 。

桥梁主跨为96m简支钢桁梁, 桁高8m, 主桁中心距6.0m, 节间距10.5m, 采用无竖杆的三角形桁式, 板桁组合结构的整体桥面钢梁。桁内为单线地铁, 桁外各挑1.15m作为员工检修走道, 总宽度为8.9m。全桥位于单坡12‰的坡道上。桥梁结构布置如图2所示。

主桁上下弦杆及端斜杆采用箱形截面, 主桁普通斜杆均为工形截面。所有杆件截面内宽600mm, 弦杆内高600m, 腹杆高480～600mm。杆件的最大板厚24mm, 节点板厚28mm。杆件在工厂焊接成型并钻好孔后, 运到现场采用高强度螺栓连接。

桥面板采用正交异性钢桥面板。钢桥面板的顶板厚16mm, 在其下纵向焊有8mm厚U形闭口肋。纵肋为连续布置, 穿越横梁腹板。横向焊有倒T形截面的横梁, 其间距为2.625m, 横梁长4.5m, 顶面设有2%双向排水坡。横梁在跨中处高0.681m, 两端高0.6m, 端横梁两端加高至1m。桥面所受的荷载由桥面板 (包括纵肋) 通过横梁传到主桁节点及杆件上。钢桥面顶板的纵横向连接均为焊接, U形肋的纵向连接、横梁的横向连接均为高强度螺栓拼接。

桥面板顶焊接19剪力钉, 浇筑15cm厚钢筋混凝土桥面板, 并预埋承轨台钢筋, 其后浇筑混凝土承轨台, 铺设轨道。钢筋混凝土桥面板顶涂刷聚氨酯防水层, 浇筑防水混凝土。

上平联采用X字形桁梁, 杆件为热轧H型钢, 截面宽400mm, 高400mm, 腹板厚14mm, 翼缘板厚21mm。在横桥方向的两端斜杆之间设板式结构的斜桥门架, 斜置的板梁高0.46m, 与H形的平联端横撑杆焊为一体。此外的每个节间设置竖直横联, 横联的形式也为板式结构, 板梁高0.42m, 与H形的平联撑杆焊为一体, 用以加强结构的横向刚性。

主要受力结构采用Q370qD钢板, 下弦内侧节点板采用Q370qDZ25钢板, 型钢采用Q345C, 辅助结构采用Q235B钢。

1) 板块划分主桁弦杆为整体节点的结构形式与腹杆对拼连接, 连接系为杆系结构;桥面板为梁板组合结构。钢梁全桥桥面板纵向分9段, 横向不分块, 普通块长10.5m、宽4.5m。各段之间除桥面板平面的板件是在拼装完后用对焊连接外, 其余部分包括闭口肋都采用高强度螺栓连接。

2) 焊接每个节段内各构件采用焊接连接。焊接构件应严格控制焊缝间隙, 制造过程须在固定胎架上进行, 并按规定预热, 点固焊不开裂, 尽量减小焊接变形, 经过严格的探伤检查方可认定合格。所有焊接完成后对接焊缝应顺着受力方向打磨匀顺, 角焊缝顺着焊接方向打磨匀顺。

3) 试拼装钢梁制造完成后, 须按规范要求进行厂内试装, 经评审合格后方可出厂。

4) 钢梁安装钢梁安装应遵照施工规范的规定, 并保证拼装冲钉的直径与数量。连接用的高强度螺栓材质采用35VB桥面板的纵、横向焊缝宜采用单面焊双面成型工艺。钢梁的最大杆件长13.7m、重13t, 最大桥面板尺寸长13.7m、宽4.5m、重16t。

钢桁梁桥的现场施工方案需根据周边环境、施工进度要求、桥下通航要求等进行分析比选, 最终采用最合适的施工组织方案。

本桥梁临近京沪高速铁路, 钢桁梁桥桥台距京沪高速铁路桥台最小净距仅约3.8m, 现场施工场地条件有限, 经研究, 推荐采取异位拼装、顶推横移法架设的方案施工, 该施工方法克服了桥梁一侧有障碍物无法占用的弊端, 主要分为4步 (见图3) , 步骤如下。

1) 施工右线96m简支钢桁梁基础及墩柱, 同时施工临时栈桥基础及墩柱, 架设临时栈桥贝雷梁。

2) 用汽车式起重机在临时栈桥上由中间向两侧拼装钢桁梁。钢桁梁的最大杆件长13.72m、重12.2t, 最大桥面板尺寸长13.72m、宽4.5m、重16t。对于桥面板的焊缝, 先焊接下弦杆、桥面板横向焊缝, 再对称焊接纵向焊缝, 最终拼装焊接为整体。

3) 拆除贝雷梁, 使用千斤顶将钢桁梁落至滑道梁上, 用千斤顶顶推钢桁梁, 使钢桁梁横移至设计桥位处。位于同一横梁上的各千斤顶、油管需并联, 同步顶落。

4) 拆除滑道梁, 使钢桁梁支承在墩顶临时支垛上;千斤顶将钢桁梁落至设计标高, 调整钢桁梁平面位置;安装支座, 拆除临时墩, 施工桥面及附属设施。

应用MIDAS Civil 2015进行模型计算, 如图4所示, 桥面板采用板单元模拟, 其余构件采用梁单元模拟。全模型共有梁单元569个、板单元288个、节点511个。

根据模型计算结果, 分别对主桁和连接系进行检算, 结果表明, 主桁跨中竖向挠度、挠跨比、梁端转角、主桁跨中水平挠度等均满足规范要求。

大跨度钢桁梁桥结构在荷载作用下会发生较大变形, 轨道交通列车对轨道平顺性有要求, 以保证车辆安全及乘客舒适度。在设计时, 通常用设置预拱度的方法, 原则是保证桥面线形尽可能与线路设计线形一致。TB 10091—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》中1.0.6节规定, 桥跨结构应设预拱度, 预拱度曲线宜与恒载和半个静活载产生的挠度曲线形状基本相同, 但方向相反。

桥梁预拱度设置的原则为:设计与施工工序应统一, 施工应按设计计算数值控制。现场发现问题后, 应由设计单位研究现场实际情况并制订解决方案。

主桁的上拱度按设计规范综合了恒载与1/2静活载的挠度要求。设置方法是使下弦的节间长度保持不变, 上弦节间各伸长9.4mm。实际施工时, 结合各专业的荷载情况, 向桥梁土建、轨道、施工监控等单位提供相应的预拱度值。

设计计算时取的施工工序为: (1) 在支架上拼装桁架; (2) 平移桁架, 平移前复核支座高度; (3) 施工钢筋混凝土桥面板; (4) 施工检修道、栏杆、电缆支架、铺设电缆、接触网等机电设备; (5) 铺轨。

设计预拱度如图5a所示。

预拱度的实现是在设计的基础上经过桥梁厂家生产拼装, 桥面及附属铺装施工后实现, 环节众多, 设计预拱度不可能完全精确实现。

结合工程实际情况, 本项目土建施工和轨道施工是不同施工单位。在实际施工时, 因项目总体工筹原因, 现场施工工序调整为: (1) 在支架上拼装桁架; (2) 平移桁架, 平移前复核支座高度; (3) 施工钢筋混凝土桥面板; (4) 铺轨; (5) 施工检修道、栏杆、电缆支架、铺设电缆等轨旁设施。

本工程实际施工时, 施工现场未及时通知设计院做上述工序调整。现场施工控制时, 轨道专业仍然按土建单位提供的对应原设计工况的蓝图预拱度施工;施工监控单位按全线标准梁 (30m小跨度) 桥梁监控标准实施监控, 按线路专业施工图提供的线路标高检查轨面标高。

在上述情况下, 轨道专业和监控单位均发现施工实际标高与其预期控制标高差异较大。在后期施工协调过程中, 桥梁设计单位也参加了问题处理, 在了解情况后, 按照调整后的工序重新计算并提供预拱度数值, 如图5b所示, 并指导桥梁施工、轨道施工、施工监控等单位相应调整控制值, 使得本工程顺利竣工。

结合本工程实施情况分析, 类似本工程的约100m跨度的大中型轨道交通简支钢桁梁桥预拱度设计与施工控制主要注意如下几方面。

1) 目前的有限元计算在整体节点构造考虑上有所欠缺, 存在局部构件刚度取值不合理等缺陷, 而预拱度简化算法也是基于理想状态和各类假设, 所以设计预拱度计算方法有待进一步优化。

2) 同时, 由于制造误差、拼装误差、温度影响、测量误差等带来的影响, 钢桁梁桥实际成桥后状态也往往偏离设计的理想状态。这些会影响后期节间安装定位, 其拼装角的误差甚至会影响成桥和龙。

3) 桥梁结构设计时, 轨道、接触网、声屏障、通信、供电等各系统专业向桥梁结构专业提供荷载需求时, 务必保证荷载数值和位置准确。

4) 设计单位计算与出图时, 要注意核算各工序的荷载变化、制定合适的现场施工工序。

5) 现场施工时需核对设计图设定的工序、荷载、预拱度等工况条件。若有偏差, 应及时与桥梁结构设计人员沟通并修改控制值。

1) 根据桥梁施工场地情况, 可选择适应狭窄施工场地的施工方法, 如异位拼装、顶推横移法架设钢桁梁的施工方法。

2) 城市轨道交通简支钢桁梁桥施工过程中, 桥梁结构和桥上设备如轨道、接触网、声屏障等施工需严格按设计要求的工序进场施工并控制本工序的预拱度。这样才能保证全桥最终成桥通车运营时满足轨道交通线路平顺性需求。