劉道偉

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600）

1 引言

城市發(fā)展中新建或改建道路與鐵路交叉也變得越來(lái)越頻繁，道路上跨既有鐵路是常用的立交形式之一，常采用施工方法有預(yù)制架設(shè)、頂推、轉(zhuǎn)體等。 轉(zhuǎn)體施工對(duì)既有鐵路影響小、安全性高，在國(guó)內(nèi)各鐵路管理部門(mén)備受青睞，運(yùn)用最為廣泛。

轉(zhuǎn)體施工方法中常采用混凝土剛構(gòu)橋形式， 該橋型由于自重大、施工周期長(zhǎng)、跨度大時(shí)經(jīng)濟(jì)性不佳等不足，給設(shè)計(jì)與施工帶來(lái)了一定困擾。 考慮耐候鋼波形鋼腹板替代箱梁混凝土腹板可減輕自重、縮短工期、提高預(yù)應(yīng)力效率等優(yōu)點(diǎn)，提出在涉鐵轉(zhuǎn)體橋中應(yīng)用。

2 工程概況

某城市立交橋上跨電氣化鐵路，上部采用2×70 m 波形鋼腹板V 構(gòu)連續(xù)梁，轉(zhuǎn)體施工。 V 墩為鋼筋混凝土板式墩，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

1）道路等級(jí)：城市主干路，設(shè)計(jì)車(chē)速60 km/h。

2）橋下凈空：凈高不小于8.3 m。

3）橋梁設(shè)計(jì)荷載：1.3×城-A 級(jí)。

4）抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.2g。

主橋結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示。

圖1 主橋結(jié)構(gòu)布置圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

V 構(gòu)主梁采用單箱三室變截面波形鋼腹板組合梁，V 腿支點(diǎn)梁高6.0 m，邊跨支點(diǎn)梁高2.5 m，V 腿間采用混凝土箱梁梁高4.5 m。為提高波形鋼腹板組合梁抗扭剛度，在1/3 跨處設(shè)置30 cm 厚跨中橫隔板。 波形鋼腹板組合梁段：頂板厚0.3 m，底板0.3～0.9 m，波形鋼腹板波長(zhǎng)1 600 mm，波高220 mm，厚度12～24 mm，鋼腹板與頂板采用雙PBL 鍵連接方式，與底板采用嵌入連接方式； 鋼腹板與橫梁的連接采用波形鋼腹板端部開(kāi)孔設(shè)置貫穿鋼筋直接嵌入的方式。 混凝土箱梁段：頂板厚0.3 m，底板0.8 m，腹板厚0.85 m。

4 計(jì)算分析

4.1 基本假定

波形鋼腹板在縱向具備折皺效應(yīng)，其縱向抗拉壓剛度小，組合截面抗壓、彎作用由頂?shù)装寤炷脸袚?dān)，抗剪作用主要由鋼腹板承擔(dān)，頂?shù)装寤炷羺⑴c抗剪作用[1]。 計(jì)算假定如下：

1）波形鋼腹板與頂板、底板共同工作，不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑移或連接件破壞；

2）波形鋼腹板不承受順橋向軸向力，彎曲時(shí)彎矩僅由頂板與底板承擔(dān)；

3）組合梁彎曲時(shí)符合平截面假定；

4）波形鋼腹板承擔(dān)主要剪力，頂?shù)装鍏⑴c部分抗剪作用。

4.2 計(jì)算的方法

根據(jù)以上基本假定對(duì)波形鋼腹板組合梁截面進(jìn)行劃分及材料特性定義。 將組合截面分為3 部分：第1 部分為波形鋼腹板、第2、第3 部分為底、頂板混凝土。如圖2 所示。對(duì)波形鋼腹板材料的彈性模量及剪切模量作相應(yīng)修正[2]，波形鋼腹板縱向有效彈性模量E 與波高h(yuǎn)、厚度t 和形狀系數(shù)η 有關(guān)，表達(dá)式：E=ηE0（t/h）2（η=0.93，t=12 mm，h=220 mm，E0=2.06×105MPa 鋼材彈性模量），E=570 MPa。波形鋼腹板有效剪切模量與形狀系數(shù)有關(guān)，表達(dá)式：G=ηG0（η=0.93，G0=0.79×105MPa 鋼材剪切模量），G=0.66×105MPa。

圖2 截面部分組成示意圖

4.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

本橋采用現(xiàn)澆轉(zhuǎn)體結(jié)合梁端頂升安裝支座成橋施工方法。施工階段為：V 腿及0#塊施工→其余主梁段及體內(nèi)束施工→轉(zhuǎn)體→頂升梁端安裝支座→體外束施工→施作二期→成橋10年。 計(jì)算采用三維空間有限元軟件進(jìn)行整體分析，并按照上述計(jì)算方法對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)修正。 結(jié)構(gòu)有限元模型圖如圖3 所示。

圖3 結(jié)構(gòu)有限元模型圖

計(jì)算分析中組合截面各部分受力情況 （結(jié)果數(shù)據(jù)拉為正壓為負(fù)）：

1） 懸臂轉(zhuǎn)體階段自重荷載工況下組合截面受彎狀態(tài)：受彎狀態(tài)組合截面各部分受力情況如圖4 所示。 結(jié)果顯示彎矩作用下，組合截面中波形鋼腹板部分正應(yīng)力基本為零，不參與截面抗彎受力。 自重產(chǎn)生的負(fù)彎矩效應(yīng)全由頂?shù)装寤炷脸袚?dān)，受力狀態(tài)頂板受拉底板受壓。

圖4 受彎狀態(tài)組合截面各部分受力情況

2） 懸臂轉(zhuǎn)體階段自重荷載工況下組合截面受剪狀態(tài)：受剪狀態(tài)組合截面各部分受力情況如圖5 所示。 結(jié)果顯示剪力作用下，組合截面中波形鋼腹板承擔(dān)了主要剪力，頂?shù)装寤炷凉餐瑓⑴c抗剪作用，頂?shù)装寤炷脸袚?dān)了21.7%的豎向剪力。

圖5 受剪狀態(tài)組合截面各部分受力情況

3）預(yù)應(yīng)力荷載工況下組合截面受壓狀態(tài)：受壓狀態(tài)組合截面各部分受力情況如圖6 所示。 結(jié)果顯示預(yù)應(yīng)力作用下，組合截面中波形鋼腹板部分軸力基本為零， 不參與截面軸向受力，預(yù)應(yīng)力效應(yīng)全由頂?shù)装寤炷脸袚?dān)，很大程度提高了結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。

圖6 受壓狀態(tài)組合截面各部分受力情況

通過(guò)分析得到， 結(jié)構(gòu)模型中波形鋼腹板組合梁受力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)假定， 頂?shù)装寤炷敛糠殖袚?dān)了全部的彎矩和軸力作用，并參與承擔(dān)部分剪力作用；波形鋼腹板部分不參與截面軸力和彎矩受力，主要承擔(dān)剪力作用。

4.4 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

本橋主梁按照A 類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行極限狀態(tài)驗(yàn)算，主梁抗彎承載能力驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范；持久狀況正常使用極限狀態(tài)抗裂驗(yàn)算中斜腿支點(diǎn)頂板存在拉應(yīng)力最大值0.51 MPa；持久狀況正常使用極限狀態(tài)混凝土壓應(yīng)力最大值為11.7 MPa；豎向抗剪承載力驗(yàn)算， 波形鋼腹板剪應(yīng)力最大為121.5 MPa，各項(xiàng)驗(yàn)算指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。 持久狀況正常使用極限狀態(tài)撓度驗(yàn)算，活載作用下考慮長(zhǎng)期效應(yīng)主梁最大向下?lián)隙葹?5.0 mm，最大向上撓度為8.55 mm，結(jié)構(gòu)剛度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.5 波形鋼腹板組合梁橋與混凝土連續(xù)梁橋?qū)Ρ?/h3>

本橋設(shè)計(jì)將其與同樣規(guī)模的混凝土連續(xù)梁橋方案對(duì)比，混凝土連續(xù)梁橋采用混凝土腹板（厚度45～85 cm）替代波形鋼腹板。 對(duì)比指標(biāo)如表1 所示。

表1 波形鋼腹板組合梁橋與混凝土連續(xù)梁橋指標(biāo)對(duì)比表

由表1 可知， 波形鋼腹板組合梁橋的混凝土及轉(zhuǎn)體重量指標(biāo)降低約15%，鋼束指標(biāo)降低約27%，普通鋼筋和鋼材綜合指標(biāo)持平； 混凝土連續(xù)梁橋施工分為6 個(gè)節(jié)段 （V 腿0#段，1#～4#段、過(guò)渡墩現(xiàn)澆段），波形鋼腹板組合梁橋施工分為2 個(gè)節(jié)段（V 腿0#段和其余部分），主梁工期指標(biāo)降低40%。

綜上所述， 本橋設(shè)計(jì)中采用波形鋼腹板組合梁橋較混凝土連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)及工期方面有明顯優(yōu)勢(shì)， 且上部自重減輕對(duì)下部橋墩基礎(chǔ)和抗震更為有利。

5 耐候鋼設(shè)計(jì)

5.1 材料選擇

常規(guī)鋼材難以一次表面處理達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限， 成熟長(zhǎng)效的防腐涂裝體系需要15～20 年涂裝一次[4]。涉鐵跨線(xiàn)鋼橋的后期維護(hù)需花費(fèi)大量的人工和材料成本， 對(duì)鐵路的運(yùn)營(yíng)造成嚴(yán)重影響使得協(xié)調(diào)工作極為困難。 現(xiàn)階段我國(guó)耐候鋼生產(chǎn)工藝和運(yùn)用已趨于成熟，在大量的工程實(shí)踐中得以采用。 本橋所處環(huán)境無(wú)重大污染，適宜使用耐候鋼。

5.2 材料性能

本橋根據(jù)GB/T 714—2015 《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》 選用Q345qDNH 鋼，鋼材的化學(xué)成分符合表2 要求。

表2 Q345qDNH鋼的化學(xué)成分

耐候鋼的耐腐蝕性能主要由耐大氣腐蝕性指數(shù)I 確定，本橋耐大氣腐蝕性指數(shù)應(yīng)按材料實(shí)際化學(xué)成分并采用公式I=26.01（%Cu）+3.88（%Ni）+1.2（%Cr）+1.49（%Si）+17.28（%P）-7.29（%Cu）（%Ni）-9.1（%Ni）（%P）-33.39（%Cu）2計(jì)算確定。材料參數(shù)取值需保證I≥6。

5.3 耐候鋼材表面處置

耐候鋼表面處理應(yīng)首先拋丸除銹，表面噴涂加速穩(wěn)定液，促使鋼基體反應(yīng)形成均勻、致密的保護(hù)性銹層，使其外觀顏色均勻，可防止初期銹液影響結(jié)構(gòu)外觀。 到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)采取周期性干濕處理措施加速保護(hù)銹層的穩(wěn)定。

6 施工與監(jiān)控

為降低施工中對(duì)鐵路的影響， 減少臨近既有鐵路施工工期。 施工方法采用全橋現(xiàn)澆轉(zhuǎn)體成橋， 省去主梁節(jié)段和合龍段。 該施工關(guān)鍵控制要點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)體就位后梁端頂升安裝支座時(shí)頂力及頂程控制；（2）主橋線(xiàn)形控制。 頂力和頂程應(yīng)考慮梁底與蓋梁之間預(yù)留總高度及頂力作業(yè)空間， 還應(yīng)結(jié)合支座反力儲(chǔ)備及頂?shù)装鍛?yīng)力情況進(jìn)行綜合確定， 本橋頂程為12 cm，頂程對(duì)應(yīng)頂力為3 000 kN。 主橋線(xiàn)形控制應(yīng)考慮支架變形預(yù)拱度、成橋設(shè)計(jì)預(yù)拱度、施工階段主梁懸臂狀態(tài)變形與頂力作用變形差的影響（考慮收縮徐變影響）。

7 結(jié)論

1）波形鋼腹板組合梁橋具有自重輕、抗震性能好、預(yù)應(yīng)力效率高等特性，是一種經(jīng)濟(jì)、合理、高效的橋梁結(jié)構(gòu)形式。 本文將波形鋼腹板組合梁橋方案在轉(zhuǎn)體剛構(gòu)橋中采用， 并與同等規(guī)模混凝土連續(xù)梁橋進(jìn)行對(duì)比， 該規(guī)模橋梁中波形鋼腹板組合梁橋在結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)及工期方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

2）耐候鋼具有優(yōu)越的耐腐蝕性，波形鋼腹板組合梁橋采用耐候鋼提高了耐久性，減少后期維護(hù)難度及成本，降低橋梁全壽命周期成本，耐候鋼適宜在上跨鐵路鋼結(jié)構(gòu)中采用。