楊欣然， 左家強(qiáng)， 萬(wàn)明

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

1 工程概況

商合杭高鐵古城特大橋主要為跨越西淝河、黑茨河、谷河、京九鐵路、省道308、界阜蚌高速公路等工點(diǎn)而設(shè)。茨谷河是黑茨河右岸的支流河道，劉廟灣以上河段稱南八丈河，劉灣廟以下河段稱谷河，古城特大橋在DK145+726.00 處小角度跨越茨谷河，采用5×50 m鋼-混凝土連續(xù)結(jié)合梁跨越。

鋼梁與混凝土橋面板結(jié)合而成的組合鋼箱梁因其抗扭能力強(qiáng)、整體性好及更能適應(yīng)大跨與特殊要求的特點(diǎn)，獲得了較大發(fā)展［1-4］。德國(guó)海德明登跨越維拉河谷（80+2×96+80+64） m 公路橋、（44.7+64+72.8+72.8+64+44.7）m 伍珀河谷高速公路大橋均采用組合鋼箱梁［5］。組合鋼箱梁國(guó)外主要應(yīng)用在公路上，我國(guó)近年來(lái)在鐵路上的應(yīng)用取得了許多成果，2003 年建成的秦沈客專修建了14座鋼-混凝土連續(xù)結(jié)合梁，2004年建成通車的津?yàn)I輕軌采用1 孔跨度50 m 簡(jiǎn)支鋼-混凝土結(jié)合梁［6-7］。但應(yīng)用于時(shí)速350 km 高速鐵路無(wú)砟軌道，商合杭高鐵跨越茨谷河5×50 m鋼-混凝土連續(xù)結(jié)合梁為我國(guó)首次。

商合杭高鐵5×50 m鋼-混凝土連續(xù)結(jié)合梁主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）設(shè)計(jì)速度：350 km/h。

（2）線路情況：雙線，線間距5.0 m，平面線形為直線，豎向有縱坡。

（3）軌道類型：CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道，軌頂至梁頂高738 mm。

（4）地震烈度：地震基本烈度Ⅶ度，動(dòng)峰值加速度0.1g。

（5）氣象資料：橋位處年平均氣溫14.8 ℃，歷年極端最高氣溫41.4 ℃，歷年極端最低氣溫-20.4 ℃，最冷月平均氣溫0.8 ℃，最熱月平均氣溫27.8 ℃。

2 主要荷載

2.1 恒載

（1）結(jié)合梁縱向計(jì)算時(shí)鋼結(jié)構(gòu)截面只考慮主截面和縱向加勁肋，橫隔板及豎向加勁肋以集中力的形式施加，焊縫及螺栓等的質(zhì)量按照1.1 倍的增大系數(shù)考慮；混凝土橋面板按其實(shí)際質(zhì)量考慮。

（2）結(jié)合梁混凝土橋面板收縮作用：橋面板預(yù)制板存梁時(shí)間要求不少于6 個(gè)月，預(yù)制段按降溫-10 ℃、現(xiàn)澆段按降溫-15 ℃考慮。

（3）結(jié)合梁混凝土橋面板徐變作用：結(jié)合梁設(shè)計(jì)采用換算截面法，根據(jù)鋼和混凝土彈性模量比（簡(jiǎn)稱彈模比）將2種材料換算成鋼進(jìn)行計(jì)算，由于混凝土的徐變效應(yīng)，需再根據(jù)荷載效應(yīng)的不同對(duì)彈模比進(jìn)行折減［8-9］。經(jīng)過(guò)初步設(shè)計(jì)階段按各結(jié)合梁規(guī)范計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，施工圖設(shè)計(jì)采用Q/CR 9300—2018《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（極限狀態(tài)法）》規(guī)定，恒載（永久作用）作用下彈模比取18.0，活載作用下彈模比取12.2，溫差作用下彈模比取14.0。

2.2 活載

（1）結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算采用ZK 標(biāo)準(zhǔn)荷載，橫向計(jì)算及局部構(gòu)件檢算采用ZK特種荷載。

（2）活載動(dòng)力系數(shù)取值研究。

古城特大橋?yàn)楦咚勹F路鋼-混凝土連續(xù)結(jié)合梁橋，TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》未根據(jù)高速鐵路橋梁類型進(jìn)行區(qū)分，關(guān)于高速鐵路鋼-混凝土結(jié)合梁動(dòng)力性能試驗(yàn)研究的相關(guān)文獻(xiàn)較少。按照TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中沖擊系數(shù)的計(jì)算公式（古城特大橋L=50 m，Lφ=75 m），計(jì)算結(jié)果差異明顯。

普速鐵路簡(jiǎn)支或連續(xù)鋼梁：

普速鐵路鋼-鋼筋混凝土板結(jié)合梁：

高速鐵路：

劉鵬輝等［10］對(duì) 1 聯(lián) （40+56+40） m 鋼-混凝土連續(xù)結(jié)合梁進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)，試驗(yàn)列車為：CRH2 動(dòng)車組（250 km/h）、內(nèi)燃機(jī)車+弓網(wǎng)檢測(cè)車+軌道檢查車+隔離客車組成（160 km/h）、貨運(yùn)列車（120 km/h）共3 類。試驗(yàn)結(jié)果表明，3類試驗(yàn)列車作用下的動(dòng)力系數(shù)均小于設(shè)計(jì)動(dòng)力系數(shù)1.275（按TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》普速鐵路鋼-鋼筋混凝土結(jié)合梁公式計(jì)算）。李運(yùn)生等［11］研究得出行車速度越大，鋼-混凝土結(jié)合梁動(dòng)力響應(yīng)越明顯的結(jié)論。

日本《鐵道構(gòu)造物等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及解說(shuō)鋼橋、結(jié)合梁橋》規(guī)定的動(dòng)力系數(shù)計(jì)算公式為：

針對(duì)古城特大橋，Ka取1（參考新干線取值），v取350 km/h，L取50 m，經(jīng)計(jì)算μ=0.407。對(duì)于雙線橋梁應(yīng)乘以α，因此本橋動(dòng)力系數(shù)為1+μ=1.305。

古城特大橋設(shè)計(jì)速度350 km/h，綜合以上分析，動(dòng)力系數(shù)按TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中普速鐵路簡(jiǎn)支或連續(xù)鋼梁的計(jì)算公式計(jì)算。

2.3 溫度作用

（1）整體升降溫：合龍溫度按（15±5）℃設(shè)計(jì)，結(jié)合梁整體升降溫按±25 ℃考慮，鋼梁與混凝土板間的材料溫差采用±15 ℃，整體升降溫和材料正負(fù)溫差組合疊加采用。

（2）日照溫差：參照TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B執(zhí)行。

（3）箱梁橫向計(jì)算的溫度荷載分日照和寒潮2 類，溫度荷載圖式見(jiàn)圖1。

圖1 溫度荷載圖式

3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造

3.1 主要材料

（1）鋼梁材質(zhì)采用Q370qE，鋼材技術(shù)條件應(yīng)滿足GB/T 714—2008《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》要求。

（2）預(yù)制橋面板采用C55混凝土，橋面板濕接縫及剪力釘槽采用C55 補(bǔ)償收縮混凝土，底板及隔墻采用C30混凝土。

（3）鋼梁與混凝土橋面板用柔性剪力釘連接，鋼梁頂板布置了φ22×220 mm 剪力釘，底板布置了φ22×170 mm剪力釘。

3.2 截面形式

5×50 m 上承式連續(xù)結(jié)合梁鋼梁截面為單箱雙室閉口鋼箱梁，梁高3.585 m，底寬6.8 m。鋼箱梁頂、底板厚20～32 mm，腹板厚16～20 mm，頂板沿縱向設(shè)連續(xù)U形肋，底板沿縱向設(shè)連續(xù)板肋，腹板設(shè)T形豎向加勁肋和連續(xù)水平加勁肋，豎向加勁肋間距為1 m；鋼箱內(nèi)沿縱向每隔4 m 設(shè)1 道橫隔板，2 片橫隔板之間設(shè)置一道底板T形橫肋，與腹板的T形豎肋連接成為U形橫肋。

鋼箱梁頂通過(guò)剪力釘與混凝土橋面板連接為整體，混凝土橋面板中間厚度43.0 cm （預(yù)制橋面板為41.5 cm+1.5 cm 環(huán)氧樹(shù)脂砂漿層），懸臂端部厚度25.0 cm，混凝土橋面板全寬12.6 m。

鋼-混凝土結(jié)合梁截面中心處全高4.015 m，為了降低截面重心、增強(qiáng)梁體穩(wěn)定性、提高行車安全性，鋼箱梁箱底鋪設(shè)30 cm厚混凝土，通過(guò)剪力釘與鋼底板連接。經(jīng)計(jì)算，設(shè)置箱底混凝土后，結(jié)合梁截面重心由距梁底3.44 m降低到2.70 m。根據(jù)車橋耦合動(dòng)力仿真分析，鋪設(shè)底板混凝土后橋梁位移響應(yīng)相差不大，橋梁加速度響應(yīng)略有減小。橋梁各跨豎向和橫向振動(dòng)位移較小，豎向和橫向振動(dòng)加速度均小于規(guī)范規(guī)定限值，說(shuō)明古城特大橋振動(dòng)性能良好，行車舒適性達(dá)到優(yōu)良水平。結(jié)合梁橫斷面見(jiàn)圖2。

圖2 結(jié)合梁橫斷面

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 縱向計(jì)算模擬

剛度分配法如下［5］：

式中：Is為鋼梁對(duì)自身截面形心的慣性矩；Io為換算截面慣性矩；Ao為換算截面面積；Ms為鋼梁承擔(dān)的彎矩；Mc為混凝土板承擔(dān)的彎矩；M為梁的總彎矩。

為驗(yàn)證有限元模型中結(jié)合梁的內(nèi)力、應(yīng)力與公式計(jì)算的結(jié)果是否一致，分別建立雙單元模型和聯(lián)合截面模型，按照作用均布荷載進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示：采用雙單元模型建立的結(jié)合梁模型，提取鋼梁彎矩Ms和鋼梁軸力Ns，按照式（2）計(jì)算得出的總彎矩M與聯(lián)合截面模型結(jié)果誤差最大在10%以內(nèi)，截面最不利位置處的彎矩誤差在5%以內(nèi)?？梢?jiàn)，采用雙單元模型模擬結(jié)合梁，結(jié)合梁內(nèi)力分配給鋼梁和混凝土與式（2）計(jì)算存在很小誤差，故采用雙單元模型模擬結(jié)合梁能夠滿足要求。

4.2 縱向內(nèi)力放大系數(shù)

連續(xù)結(jié)合梁鋼箱內(nèi)布置了箱底混凝土，除降低結(jié)合梁重心外，也會(huì)參與受力，為了避免遺漏可能發(fā)生的不利影響，計(jì)算時(shí)考慮以發(fā)生最大內(nèi)力來(lái)假定截面剛度。具體做法如下：

假定1：求解正彎矩區(qū)截面最大內(nèi)力時(shí)，不考慮負(fù)彎矩區(qū)的混凝土橋面板剛度，考慮正彎矩區(qū)底板混凝土剛度，將負(fù)彎矩區(qū)剛度設(shè)定為“鋼梁+鋼筋+底板混凝土”剛度，正彎矩區(qū)剛度設(shè)定為“鋼梁+橋面板+底板混凝土”剛度。

假定2：求解負(fù)彎矩區(qū)截面最大內(nèi)力，全區(qū)間（包括負(fù)彎矩區(qū)）計(jì)入橋面板截面剛度，同時(shí)不考慮正彎矩區(qū)底板混凝土剛度，將負(fù)彎矩區(qū)剛度設(shè)定為“鋼梁+橋面板+底板混凝土”剛度，正彎矩區(qū)剛度設(shè)定為“鋼梁+橋面板”剛度。

假定3：結(jié)合梁結(jié)合后采用的截面剛度，不考慮正彎矩區(qū)底板混凝土剛度和負(fù)彎矩區(qū)橋面板剛度，故負(fù)彎矩區(qū)剛度設(shè)定為“鋼梁+鋼筋+底板混凝土”剛度，正彎矩區(qū)剛度設(shè)定為“鋼梁+橋面板”剛度。

結(jié)合梁計(jì)算采用假定2進(jìn)行建模，通過(guò)表格進(jìn)行負(fù)彎矩區(qū)剛度處理（負(fù)彎矩區(qū)剛度換算成“鋼梁+鋼筋+底板混凝土”剛度）、內(nèi)力處理（內(nèi)力根據(jù)剛度進(jìn)行分配）。

根據(jù)假定1、假定2 剛度組合建立MIDAS 模型，計(jì)算出正彎矩區(qū)內(nèi)力放大系數(shù)，結(jié)合梁模型中將恒載乘以最大放大系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.3 混凝土橋面板及鋼箱梁翼緣有效寬度

Q/CR 9300—2018《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（極限狀態(tài)法）》鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)部分、《鐵路鋼-混凝土結(jié)合梁設(shè)計(jì)規(guī)范》報(bào)批稿、TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C 均有箱梁有效寬度的折減系數(shù)計(jì)算方法；日本鐵路規(guī)范僅規(guī)定了作為組合截面的受壓翼緣板的有效寬度，沒(méi)有規(guī)定連續(xù)梁支點(diǎn)上方混凝土板的有效寬度計(jì)算方法。通過(guò)計(jì)算比較，采用TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C計(jì)算有效寬度對(duì)結(jié)構(gòu)受力更為不利。

4.4 負(fù)彎矩區(qū)處理

與簡(jiǎn)支結(jié)合梁不同，連續(xù)結(jié)合梁負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板將承受拉力，對(duì)于負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板受拉的處理是設(shè)計(jì)難點(diǎn)，一般有橋面板施加預(yù)應(yīng)力、采用高配筋方案控制裂縫寬度、負(fù)彎矩區(qū)鋼與混凝土采用抗拔不抗剪連接等幾種處理措施。

（1）古城特大橋設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)橋面板施加預(yù)應(yīng)力的方式進(jìn)行了分析，采用先安裝跨中范圍混凝土橋面板后安裝支點(diǎn)處的施工順序，以減小跨中橋面板自質(zhì)量對(duì)支點(diǎn)負(fù)彎矩的影響。不同混凝土板澆筑順序組合結(jié)構(gòu)內(nèi)力見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，鋼梁正負(fù)彎矩區(qū)彎矩均增大，混凝土負(fù)彎矩區(qū)拉應(yīng)力可由2.75 MPa降低為1.05 MPa。

表1 不同混凝土板澆筑順序組合結(jié)構(gòu)內(nèi)力

（2）經(jīng)過(guò)不同頂升順序、不同頂升高度并結(jié)合橋面板澆筑順序進(jìn)行計(jì)算比選，古城特大橋采用2個(gè)中墩頂升0.60 m 和2 個(gè)次中墩頂升0.20 m。中墩采用較大頂升量是為保證中墩支點(diǎn)橋面板施加足夠大的壓應(yīng)力，次中墩頂升量較小是根據(jù)成橋后4個(gè)橋墩支點(diǎn)橋面板壓應(yīng)力相當(dāng)確定。鋼梁及混凝土板應(yīng)力情況見(jiàn)表2，支點(diǎn)頂升及混凝土橋面板安裝順序示意見(jiàn)圖3。

表2 鋼梁及混凝土板應(yīng)力情況 MPa

圖3 支點(diǎn)頂升及混凝土橋面板安裝順序示意圖

高配筋方案施工簡(jiǎn)單，受力明確，通過(guò)配置一定比例鋼筋能有效限制裂縫寬度，在極限狀態(tài)下能有效抵抗外荷載，且在國(guó)內(nèi)外已成功應(yīng)用。因此古城特大橋不設(shè)置預(yù)應(yīng)力束，采用高配筋方案，橋面板范圍內(nèi)配置3 排HPB400 鋼筋，直徑25 mm，橫截面方向間距100 mm，截面配筋率為3.65%，鋼筋拉應(yīng)力為87.68 MPa，裂縫寬度為0.14 mm，能夠滿足規(guī)范要求。

在采用以上技術(shù)措施后，負(fù)彎矩區(qū)混凝土橋面板裂縫滿足規(guī)范要求，因此古城特大橋不采用抗拔不抗剪剪力連接件，進(jìn)一步提高了結(jié)構(gòu)耐久性。

4.5 結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能

隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，對(duì)橋上線路的平順性也提出了更高要求。鋼-混凝土連續(xù)結(jié)合梁在溫度荷載作用下，橋面必然會(huì)發(fā)生變形，進(jìn)而影響線路平順性，會(huì)對(duì)高速列車運(yùn)行的安全性、舒適性造成不利影響。因此進(jìn)行車橋耦合動(dòng)力仿真分析時(shí)，將全橋溫度變形曲線疊加到軌道高低不平順中，考慮溫度對(duì)橋上線路不平順性的影響。全橋溫度變形曲線見(jiàn)圖4，軌道不平順曲線（疊加全橋溫度變形曲線）見(jiàn)圖5。

通過(guò)對(duì)古城特大橋在CRH2、CRH3 型動(dòng)車組作用下的車橋空間耦合振動(dòng)進(jìn)行分析，列車以設(shè)計(jì)速度運(yùn)行時(shí)，行車安全性和乘坐舒適性達(dá)到“優(yōu)”或“良”的水平，說(shuō)明古城特大橋動(dòng)力性能良好。

圖4 5×50 m鋼-混凝土連續(xù)結(jié)合梁溫度變形曲線

圖5 軌道不平順曲線（疊加全橋溫度變形曲線）

5 結(jié)束語(yǔ)

依托商合杭高鐵古城特大橋5×50 m鋼-混凝土連續(xù)結(jié)合梁，對(duì)結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力性能進(jìn)行了分析，確定了適用于結(jié)構(gòu)特性的計(jì)算模型、活載動(dòng)力系數(shù)、鋼梁和混凝土板的有效寬度，通過(guò)調(diào)整施工順序和支點(diǎn)頂落梁等措施對(duì)負(fù)彎矩區(qū)混凝土板施加預(yù)壓力，有效控制了負(fù)彎矩區(qū)混凝土裂縫寬度。隨著商合杭高鐵全線通車，5×50 m鋼-混凝土連續(xù)結(jié)合梁運(yùn)營(yíng)狀況良好，可對(duì)我國(guó)結(jié)合梁的發(fā)展起到推動(dòng)作用。