楚 得，鄭凱鋒，伏永鵬

(西南交通大學(xué)，四川成都610031)

下承式簡(jiǎn)支鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)自重小，跨越能力強(qiáng)，剛度大。與上承梁橋相比，雖然結(jié)構(gòu)高度較大，但橋面離墩臺(tái)頂面距離小，橋面標(biāo)高能夠大幅度降低，且施工、安裝快捷方便，因此，在公路、鐵路工程中應(yīng)用廣泛。隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)飛速發(fā)展，交通路網(wǎng)密度越來越大，新建鐵路與公路交叉點(diǎn)也越來越多。當(dāng)線路需要建造單跨60～110 m的簡(jiǎn)支橋梁，同時(shí)橋下凈空和橋上高程均受到限制時(shí)，采用下承式簡(jiǎn)支鋼桁梁橋的優(yōu)勢(shì)非常明顯［1］。

采用鋼混組合橋面和正交異性鋼橋面的下承式簡(jiǎn)支鋼桁梁陸續(xù)在公路、鐵路工程中出現(xiàn)，部分學(xué)者也展開了一些研究工作。下承式鋼桁梁的橋面位于受拉區(qū)，在橋面的結(jié)構(gòu)形式、材料選擇上，往往需要結(jié)合具體工程才能形成適宜的方案。橋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是鋼桁梁設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其形式、材料選擇對(duì)整體剛度、維修養(yǎng)護(hù)、工程質(zhì)量及耐久性等都有影響［2］。本文以某3車道高速公路90 m跨度下承式鋼桁梁為研究對(duì)象，分別采用組合橋面和鋼橋面形式，建立整體有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)比其受力特點(diǎn)，為同類設(shè)計(jì)提供參考。

1 主桁和橋面構(gòu)造形成

主桁采用整體節(jié)點(diǎn)無(wú)豎桿三角形桁式，計(jì)算跨度90 m，全長(zhǎng)92 m，節(jié)間長(zhǎng)度為10 m，主桁中心距18 m，主桁高度12 m，上、下弦桿采用箱形截面，腹桿除端斜桿采用箱形截面外，其余桿件采用H形截面，主桁結(jié)構(gòu)形式見圖1。針對(duì)橋面布置，設(shè)計(jì)了密橫梁鋼混組合橋面和正交異性鋼橋面兩種方案。下面分別進(jìn)行介紹。

圖1 主桁立面布置形式(單位：mm)

1.1 密橫梁鋼混組合橋面

混凝土橋面板采用C40混凝土，全部設(shè)置在主桁內(nèi)側(cè)，在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置主橫梁，節(jié)間設(shè)兩道次橫梁，每?jī)傻罊M梁中心距為3.3 m；在橫梁中部1/3和2/3處分別設(shè)置一道小縱梁，中心距為6 m，縱梁上翼緣與橫梁上翼緣齊平。橫梁、縱梁截面形式均為工字形，橫梁梁高1.5 m，縱梁梁高1.2 m。所有橫梁均與主桁剛性連接，橋面板與橫梁、縱梁采用全結(jié)合方式，即橫梁、縱梁上滿布剪力釘?；炷翗蛎姘灏搴?.25 m，寬度為17 m，主桁中心線以內(nèi)兩側(cè)各有0.5 m區(qū)域無(wú)混凝土板，也無(wú)混凝土邊梁。橋面布置形式見圖2。

圖2 密橫梁鋼混組合橋面布置(單位：mm)

1.2 正交異性鋼橋面

鋼橋面板采用Q345qD鋼材，鋼橋面的結(jié)構(gòu)布置與上述鋼混組合橋面結(jié)構(gòu)相似，有差異的是將混凝土板改為鋼板。鋼橋面方案中橫梁、縱梁的上翼緣即為橋面鋼板，其腹板和下翼緣尺寸與組合橋面方案相同。此時(shí)橫梁、縱梁即成為正交異性鋼橋面的橫肋、縱肋，橫肋中心距為3.3 m，兩道縱肋位于橫肋中部1/3和2/3處，中心距為6 m。橋面鋼板與主桁下弦桿完全焊接，板厚16 mm。U肋按等間距600 mm布置，上寬300 mm，下寬170 mm，高280 mm，板厚為8 mm。橋面布置形式見圖3。

2 計(jì)算模型與加載

為研究上述兩種橋面對(duì)全橋結(jié)構(gòu)性能的影響，采用Midas/Civil程序分別建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算。主桁桿件、縱橫梁、上平聯(lián)均采用空間梁?jiǎn)卧?，混凝土板、鋼板采用矩形板單元。按平截面假定考慮主桁下弦桿、縱梁、橫梁和混凝土板、鋼板之間的偏心，不考慮鋼與混凝土板的滑移。主桁各桿之間、縱梁與橫梁之間、上平聯(lián)桿件與主桁上弦桿之間都按共節(jié)點(diǎn)剛結(jié)處理；橫梁與主桁下弦桿之間、橋面板與縱橫梁之間通過彈性連接中的剛性連接單元實(shí)現(xiàn)［3］。計(jì)算模型如圖4所示。

圖3 正交異性鋼橋面布置(單位：mm)

圖4 全橋計(jì)算模型

模型中加載可分為一期恒載、二期恒載、活載三部分，以下對(duì)兩種橋面方案的施工階段和設(shè)計(jì)荷載分別進(jìn)行介紹。

2.1 密橫梁鋼混組合橋面

組合橋面的施工階段依次為主桁架設(shè)、混凝土板鋪設(shè)、二期鋪裝、運(yùn)營(yíng)四個(gè)階段。一期恒載包含主桁架設(shè)、混凝土板鋪設(shè)兩個(gè)施工階段產(chǎn)生的荷載；二期恒載包含橋面鋪裝、防撞護(hù)欄及檢查設(shè)施安裝所產(chǎn)生的荷載。其中一期恒載由鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)自承受，二期恒載和活載由組合結(jié)構(gòu)共同承受［4］。恒載和活載如下：

一期恒載(D1)：258 kN/m；二期恒載(D2)：70 kN/m；活載(L)：公路I級(jí)車道荷載。

2.2 正交異性鋼橋面

鋼橋面的施工階段依次為主桁架設(shè)、二期鋪裝、運(yùn)營(yíng)三個(gè)階段，鋼橋面的施工包含在主桁架設(shè)階段中。一期恒載包含主桁架設(shè)產(chǎn)生的荷載，二期恒載包含橋面鋪裝、防撞護(hù)欄及檢查設(shè)施安裝所產(chǎn)生的荷載。恒載和活載均由鋼結(jié)構(gòu)獨(dú)自承受。恒載和活載如下：

一期恒載(D1)：174 kN/m；二期恒載(D2)：70 kN/m；活載(L)：公路I級(jí)車道荷載。

可以看出，由于橋面板的不同，導(dǎo)致兩種橋面方案一期恒載的數(shù)值差異很大，而二期恒載和活載則保持一致。

3 梁體變形計(jì)算對(duì)比

變形計(jì)算沒有考慮混凝土橋面板產(chǎn)生裂縫引起的剛度折減，兩種橋面系的梁體變形見表1。

表1 不同橋面的梁體撓度

混凝土板自重較大，故組合橋面方案的結(jié)構(gòu)恒載大于鋼橋面方案，在恒載作用下組合橋面方案的梁體撓度較大。而由于組合橋面的剛度大于鋼橋面，所以在活載作用下鋼橋面方案的梁體撓度較大。兩種方案的活載撓度均滿足公路鋼橋規(guī)范中L/500的要求［5］。

4 主桁桿件受力計(jì)算對(duì)比

不同施工階段、荷載組合下的弦桿和腹桿最大應(yīng)力見表2。其中拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值。恒載+汽車組合考慮了分項(xiàng)系數(shù)，組合橋面方案橋面板恒載分項(xiàng)系數(shù)為1.2，鋼橋面方案恒載分項(xiàng)系數(shù)為1.1，汽車活載分項(xiàng)系數(shù)為1.4［6］。

表2 不同橋面方案的主桁桿件應(yīng)力 MPa

從表中數(shù)據(jù)可以看出，在整個(gè)施工及運(yùn)營(yíng)階段中，鋼橋面方案下弦桿的應(yīng)力水平均低于組合橋面方案。由于橋面鋼板與主桁完全焊接，鋼橋面板與主桁形成一個(gè)整體，參與整體受力，可以分擔(dān)主桁下弦桿的受力，故鋼橋面方案的下弦桿應(yīng)力較小。

由表中另可看出，在主桁架設(shè)階段，鋼橋面方案的上弦桿、腹桿應(yīng)力大于組合橋面方案，除此之外的其它施工階段則組合橋面方案更大。在主桁架設(shè)階段，鋼橋面方案中同時(shí)完成橋面鋼板的安裝，而組合橋面方案的混凝土板在此階段尚未吊裝，故主桁架設(shè)階段鋼橋面方案的結(jié)構(gòu)自重較大，上弦桿、腹桿的應(yīng)力大于組合橋面方案。在其它施工階段中，混凝土板已經(jīng)鋪設(shè)完成，組合橋面方案自重較大，其上弦桿、腹桿應(yīng)力均小于鋼橋面方案。

圖5和圖6、圖7和圖8為兩組分別采用組合橋面方案和鋼橋面方案的主桁桿件梁?jiǎn)卧獞?yīng)力圖。圖中采用的荷載組合均為恒載+汽車組合，等值線和數(shù)值均為梁?jiǎn)卧慕M合應(yīng)力值。其中圖5和圖6為主桁應(yīng)力最大值包絡(luò)圖，圖7和圖8為主桁應(yīng)力最小值包絡(luò)圖。

圖5 組合橋面方案主桁應(yīng)力包絡(luò)最大值(單位：MPa)

圖6 鋼橋面方案主桁應(yīng)力包絡(luò)最大值(單位：MPa)

圖7 組合橋面方案主桁應(yīng)力包絡(luò)最小值(單位：MPa)

圖8 鋼橋面方案主桁應(yīng)力包絡(luò)最小值(單位：MPa)

由上述應(yīng)力包絡(luò)圖可以直觀對(duì)比兩種橋面方案每根主桁桿件的應(yīng)力，同時(shí)計(jì)算其應(yīng)力變化幅度，按如下公式計(jì)算降低幅度：

式中：σ1為組合橋面方案各主桁桿件的應(yīng)力；σ2為鋼橋面方案各主桁桿件的應(yīng)力。

通過對(duì)比兩種方案主桁所有桿件的應(yīng)力降低幅度，可以得出：上弦桿拉應(yīng)力最大降幅為26.7%，下弦桿拉應(yīng)力最大降幅為28.2%，腹桿拉應(yīng)力最大降幅為23.1%，腹桿壓應(yīng)力最大降幅為22.7%。

與組合橋面方案相比，采用鋼橋面時(shí)主桁桿件的應(yīng)力水平大致可降低1/4，截面的優(yōu)化空間較大，可節(jié)約鋼材。

5 橫梁和橫肋受力計(jì)算對(duì)比

不同施工階段、荷載組合下組合橋面橫梁、鋼橋面橫肋的最大拉、壓應(yīng)力見表3。其中符號(hào)規(guī)定、組合分項(xiàng)系數(shù)與前述應(yīng)力表格相同。

表3 不同橋面方案的橫梁、橫肋應(yīng)力 MPa

鋼橋面板自重較小，鋼橋面方案的恒載更小，在恒載作用下，鋼橋面橫肋應(yīng)力水平基本低于組合橋面橫梁應(yīng)力水平。由于混凝土板剛度大于鋼橋面板，在活載作用下，橫肋將更大程度地分擔(dān)橋面的受力，其應(yīng)力水平顯著上升。

6 橋面板重量估算和施工分析對(duì)比

根據(jù)兩種橋面方案中橋面板的結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)合材料容重，可大致估算橋面板的重量(表4)。

表4 不同橋面的橋面板重量對(duì)比

由表中數(shù)據(jù)可以看出，鋼橋面板的重量?jī)H為混凝土橋面板的1/3，大幅度減輕了結(jié)構(gòu)的自重。

鋼橋面方案的橋面安裝方便、快速，施工周期較短，但橋面鋪裝難度較大，且耐久性差，總體造價(jià)偏高。組合橋面方案在經(jīng)濟(jì)上具有一定的優(yōu)勢(shì)，橋面鋪裝比較容易、耐久性好，但混凝土預(yù)制板吊裝、濕接縫現(xiàn)場(chǎng)澆筑的工藝比較復(fù)雜，工期較長(zhǎng)，混凝土板橫向和縱向也都需要配置鋼筋以防止其開裂。

7 結(jié)論

(1)下承式簡(jiǎn)支鋼桁梁具有其它梁橋所不能替代的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)形式的特殊性，也存在著一些缺點(diǎn)，橋面結(jié)構(gòu)與主桁的共同作用非常明顯。在設(shè)計(jì)時(shí)須充分考慮其不利和有利兩方面的因素，合理選擇適宜的橋面結(jié)構(gòu)形式［4］。

(2)采用組合橋面和鋼橋面的鋼桁梁整體變形、桿件應(yīng)力均能滿足要求。鋼橋面板重量遠(yuǎn)小于混凝土橋面板。組合橋面系整體剛度更大，梁體變形更??；鋼橋面系主桁桿件受力更優(yōu)，截面優(yōu)化空間更大。

(3)鋼橋面施工便捷、快速，但鋪裝難度較大，耐久性差，造價(jià)高。組合橋面在經(jīng)濟(jì)上具有一定的優(yōu)勢(shì)，橋面鋪裝容易、耐久性好，但施工較為復(fù)雜。

(4)鋼橋面板可在一定程度上分擔(dān)主桁下弦桿的受力，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮其協(xié)同作用，以節(jié)省材料，提高經(jīng)濟(jì)性［7］。