簡方梁,楊永明,焦亞萌,李 昊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

鋼桁梁由于剛度大，并可很好適應公路和鐵路的上下分層布置，是目前大跨度公鐵兩用橋梁常用的主梁結構形式。鄭濟黃河橋[1]、蕪湖長江大橋[2]，銅陵長江大橋[3-4]、天興洲長江大橋[5]、滬通長江大橋等[6-9]公鐵兩用橋梁均采用了鋼桁梁主梁，另有部分大跨鐵路橋梁也采用了鋼桁梁結構形式，如德大黃河橋[10]，鄭焦黃河橋[11]等。鋼桁梁主梁橋面系結構有多種形式，其中，早期普通的鐵路鋼桁梁橋面多采用縱橫梁體系，縱橫梁之上直接支承枕木與軌道。這種結構構造簡單，維修方便，但橋面系整體剛度較小，振動和噪聲較大，不利于高速行車，近些年在高速鐵路橋梁上已經(jīng)較少采用，鐵路橋面系通常采用正交異性鋼橋面板結構形式，對于特大跨度橋梁，鐵路橋面系也可采用箱形截面增加橋面系剛度。而公路橋面板可采用正交異性鋼橋面板、縱橫梁加鋼筋混凝土橋面板、擱置式橋面板、預應力混凝土橋面板等形式[12-17]。結合鄭濟高鐵鄭州黃河特大橋公鐵兩用主橋，針對公路橋面板進行了選型研究、總體設計及結構計算分析研究等，所采用的設計方法可為類似項目參考。

鄭濟高鐵鄭州黃河公鐵兩用橋為鄭濟高速鐵路、鄭新市域鐵路和鄭新快速路(公路)的合建橋梁，按4線鐵路和6車道城市快速路合建橋梁標準建設。鄭州黃河特大橋公鐵兩用主橋采用(112+6×168+112) m三桁下加勁連續(xù)鋼桁梁方案，平行弦部分邊桁桁高15.0 m、中桁桁高15.27 m，中支點桁高加高15.0 m，桁寬(13.4+13.4) m，邊跨節(jié)間長10.25，10.5，12 m，中跨節(jié)間長度12.0 m。立面布置如圖1所示。

圖1 鄭濟鐵路鄭州黃河公鐵兩用橋主橋立面布置(單位：m)

橫斷面采用公路與鐵路交通分層布置，下層為4線鐵路，上層為6線公路。橋面總寬32.5 m，如圖2所示。

圖2 典型橫斷面(單位：mm)

2 公路橋面板選型

2.1 設計方案簡介

考慮各種方案的利弊，公路橋面比選了如下3種方案。

(1)正交異性鋼橋面板方案(方案1)

公路橋面采用正交異性鋼橋面板，為克服單純?yōu)r青鋪裝帶來的鋼結構疲勞問題，其上鋪設15 cm厚混凝土板，然后再鋪設瀝青，增加橋面板的局部剛度。公路橫梁截面等高，每幅路面呈2%的單向坡以便于排水。橫梁采用倒T形截面，節(jié)點處設節(jié)點橫梁，相鄰節(jié)點橫梁間設3片節(jié)間橫梁，等間距布置。公路橋面系不設縱梁，如圖3所示。

圖3 正交異形鋼橋面板方案(單位:cm)

(2)預應力混凝土結合橋面方案(方案2)

該方案公路混凝土橋面板與鋼桁梁上弦桿上翼緣通過剪力釘結合，形成組合結構，公路橋面系不設置縱、橫梁結構。公路橋面板采用肋板式構造，每幅路面呈2%的單向坡以便于排水?；炷翗蛎姘搴穸葹?0 cm，沿橋梁縱向間隔3.0 m橋面板設置橫肋，橫肋高40 cm，寬37 cm。橋面板內(nèi)配置縱、橫向預應力筋以滿足受力要求，如圖4所示。

圖4 預應力混凝土橋面板方案(單位:cm)

(3)擱置式橋面方案(方案3)

該方案公路橋面系在節(jié)點處設置節(jié)點橫梁，擱置式橋面板采用多片小縱梁的組合板結構，左右側分幅設置。每幅公路橋面設置小縱梁5片，小縱梁沿順橋向根據(jù)節(jié)間長度分段，標準長度為12.0 m，各節(jié)段間橋上工地焊接為整體。在公路橫梁上方對應位置設置橫肋，工地焊接將5片小縱梁連接成整體。在由小縱梁、橫肋形成的格子梁體系上方鋪設8 mm厚鋼板，焊接φ19 mm×150 mm剪力釘，現(xiàn)澆20 cm厚混凝土橋面板，形成組合板結構，如圖5所示。

圖5 擱置式橋面方案(單位:cm)

3種方案優(yōu)缺點如表1所示，從表1可見，各個方案各有優(yōu)缺點，故需對公路橋面系的不同方案進行進一步比選。

表1 不同橋面系方案比較

2.2 技術經(jīng)濟比選

(1)結構豎向撓度

靜活載作用下，3種公路橋面方案的跨中撓度和梁端轉角如表2所示。從表2可知，預應力混凝土橋面板方案豎向剛度最優(yōu)，擱置式橋面板方案由于橋面板不參與整體受力，剛度最差。

表2 主桁跨中豎向撓度 mm

(2)結構受力

各種方案的結構最大桿件軸力如圖6、圖7所示。從圖6、圖7可見，預應力混凝土結合橋面方案橋面板質量最大，因此主桁桿件內(nèi)力有所增加；但同時混凝土也提供了較大的剛度，且施加的預應力解決了支點上方混凝土受拉問題，使得大部分桿件軸向拉力較正交異性鋼橋面板方案減小，在一定程度上優(yōu)化了主桁結構用鋼量。擱置式橋面板方案由于不考慮公路橋面系的共同作用，因此其上弦桿內(nèi)力相對較大。而就正交異性鋼橋面板整體而言，桿件內(nèi)力均較小。

圖6 各方案平行弦軸力

圖7 各方案加勁弦軸力

(3)工程數(shù)量

各方案主要材料用量如表3所示，從表3可知，預應力混凝土橋面板方案結構自身質量為79.6 t/m，正交異性鋼橋面板方案為63.4 t/m，擱置式橋面板方案為67.1 t/m，正交異性鋼橋面板方案較預應力混凝土橋面板方案小20.4%，擱置式橋面板方案較預應力混凝土橋面板方案小15.7%；預應力混凝土橋面板方案用鋼量為36.7 t/m，正交異性鋼橋面板方案為44.3 t/m，擱置式橋面板方案為43.5 t/m，正交異性鋼橋面板方案較預應力混凝土橋面板方案增加20.7%，擱置式橋面板方案增加18.5%，主橋上部結構主體工程造價預應力混凝土橋面板方案最優(yōu)。

表3 各方案每延米工程量對比 t/m

2.3 小結

從結構豎向剛度、結構受力、工程造價3個方面對公路預應力混凝土橋面方案、正交異性鋼橋面板方案與擱置式橋面板方案進行了分析比選。在結構豎向剛度和梁端轉角方面，預應力混凝土橋面板方案優(yōu)于正交異性鋼橋面板方案和擱置式橋面板方案；在結構受力方面，盡管預應力混凝土橋面板方案延米質量略大，但其剛度相對較大，改善了主桁桿件的受力性能，主桁用鋼量與后兩個方案相差不大；公路橋面系用鋼量方面，預應力混凝土橋面方案用鋼量大大節(jié)省，其用鋼量明顯優(yōu)于正交異性鋼橋面板方案和擱置式橋面板方案，經(jīng)濟性好。綜合考慮，本項目中公路橋面系采用預應力混凝土橋面板方案。

3 公路橋面系結構設計

3.1 總體布置

公路混凝土橋面板全寬32.5 m，分為預制和現(xiàn)澆兩部分。預制板橫向分為2塊，每塊長15.8 m，沿中桁中心線對稱布置，中桁頂寬設74～90 cm的現(xiàn)澆縱縫；縱橋向標準預制板寬包括230，220，202 cm三種，梁端板寬179 cm。預制板間設置46.5～80 cm的現(xiàn)澆橫縫，梁端伸縮縫處現(xiàn)澆橫縫寬173.5 cm。為適應邊桁上弦桿頂面布置的剪力釘，預制板在邊桁位置設剪力釘槽，槽口尺寸分為86 cm×30 cm、86 cm×40 cm、86 cm×50 cm、86 cm×60 cm四種規(guī)格。

總體布置需要特別注意：應結合鋼桁梁的節(jié)間布置，預制板縱向分塊長度，預應力筋布置等情況，準確確定整個公路橋面板的布置情況和各種板件的分類數(shù)量。本橋最終確定的預制板分類如表4所示。預制橋面分為AA、AC、BA、BC、BD、BE、BF、CA等8類，其中，為錨固需要，AC、BC、BE類板厚350 mm，其他板厚300 mm。

表4 公路橋面板分類

各種縱向濕接縫和橫向濕接縫也應合理確定分類，并應注意橫縫中包含上弦桿預拱度調(diào)整量，部分橫縫由于預應力錨固需要加厚。

總體布置還應結合整體設計分析，合理確定橋面板的施工工序。

3.2 結構詳細設計

(1)結構構造

混凝土橋面板厚度為30 cm，沿橋梁縱向間隔3.0 m設置橫肋，橫肋高40 cm，寬37 cm。典型的橋面板布置如圖8、圖9所示。

圖8 典型橋面板平面布置(單位:mm)

圖9 典型橋面板斷面(單位:mm)

(2)縱向整體計算

由于公路橋面板與鋼桁上弦桿結合，形成整體共同受力，因此，橋面板的縱向計算必須采用整體模型計算[18-20]。在計算中，采用板單元及梁單元兩種模型模擬公路橋面板。

首先采用板單元進行公路橋面板的模擬，便于準確把握結構受力在三片主桁之間的傳遞及分配規(guī)律。后期，為便于配筋計算，公路橋面板采用梁單元模擬，三片主桁上公路橋面板恒載分配比例可參照前述板單元模型，公路橋面板與鋼桁上弦之間的剪力釘采用彈性連接模擬，整體計算模型如圖10所示。

圖10 整體計算模型

關鍵計算參數(shù)確定如下。

鋼混彈模比參照相關規(guī)范[21]取為：恒載計算鋼混彈模比取為n=15，活載計算采用n=10，溫度計算采用n=6。

剪力釘抗剪剛度查閱相關文獻[22-23]，最終取每個剪力釘為50 kN/mm。

值得一提的是由于預應力效應由整個結構承受，在對連續(xù)梁支點上沿混凝土板施加預應力的同時，鋼結構也會承受預應力效應，因此合理的確定預應力度比較關鍵，本次橋面板按A類構件設計檢算，避免配置過多預應力筋造成結構整體受力的改變。

橋面板有效寬度按照相關規(guī)范計算[24]。通過配置合理的縱向預應力筋，縱向整體檢算結果如圖11、圖12所示。從圖10、圖11可見，在長期效應組合下，混凝土板上下緣應力均為壓應力，最小壓應力1.92 MPa；在短期效應組合下，邊桁對應混凝土板下緣有0.17 MPa的拉應力，滿足A類構件要求。

圖11 不同位置混凝土橋面板長期組合應力

圖12 不同位置混凝土橋面板短期組合應力

(3)橫向計算

橋面板除了與鋼桁梁整體受力之外，還承受橋面板之上的恒載、活載等局部荷載，表現(xiàn)為板的橫向受力。因此需對橫向進行分析。

橫向計算采用MIDAS軟件建立每種類型單板模型，為更好的考慮單板在鋼桁梁上的支撐條件，建立了一個節(jié)段的鋼桁梁模型。橫向模型考慮先簡支后連續(xù)，分階段施加先張、后張預應力，并利用MIDAS的橫向加載功能，自動考慮跨中及中支點的最不利布載位置。按照CJJ 11—2011《城市橋梁設計規(guī)范》[25]中城A級車輛荷載布載，車輪荷載縱向分布寬度按照JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力鋼筋混凝土橋涵設計規(guī)范》[26]計算。

建立的有限元分析模型如圖13所示。

圖13 橫向分析模型

在典型組合下的板應力如表5所示。驗算結果滿足要求。

表5 短期效應組合

(4)預應力錨固設計

考慮到縱向預應力錨固會在公路橋面板底產(chǎn)生鋸齒塊，封錨混凝土后期有脫落風險，影響下層鐵路的運營安全。在本次設計中，對預應力筋的錨固采取在橫向濕接縫中預留錨固方槽的形式進行，在預應力筋張拉完畢后，進行槽口封閉，并張拉濕接縫中的橫向預應力，避免了后期對下層鐵路的安全隱患。

4 結論

(1)從結構剛度、受力及工程造價幾個方面綜合比選，采用預應力混凝土橋面結構作為公路橋面系為較優(yōu)選擇。

(2)公路橋面系的整體設計中應著重根據(jù)鋼梁節(jié)間長度、混凝土縱向分塊、預應力布置等情況，合理確定板件分類及布置情況，便于預制板的加工及安裝。

(3)在橋面板的縱向整體計算中，通過結合板單元與梁單元計算結果，合理確定各片主桁之間力的分配，并通過合理選擇預應力度，完成了混凝土橋面板縱向設計。

(4)通過在橫向濕接縫中設置張拉錨槽，避免封錨混凝土后期的脫落風險。

(5)本文所采用的公鐵兩用橋梁公路橋面系設計研究方法可為后續(xù)公鐵兩用橋梁參考。